CN117778889A - 一种阀门用合金材料及阀体生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及合金材料的领域，具体公开了一种阀门用合金材料及阀体生产工艺。阀门用合金材料，包括如下质量百分比的组分：C 0.18‑0.25%，Mn 0.8‑1.6%，P≤0.008%，S≤0.008%，Si 0.25‑0.5%，Cu 0.2‑0.4%，Ni 0.3‑0.8%，Ce 0.005‑0.02%，La 0.002‑0.015%，Mo 0.1‑0.2%，V 0.03‑0.08%，余量为Fe。阀体生产工艺，包括如下步骤：加热；锻造：将经过加热的合金材料锻造成型，得到锻件；热处理。本申请通过优化合金配比，使得材料具有高强度、高韧性、优异的耐低温性能及耐腐蚀性能，可焊性好，满足使用需求。
Description
技术领域
本申请涉及合金材料的领域，尤其是涉及一种阀门用合金材料及阀体生产工艺。
背景技术
阀门是流体输送系统的控制部件，起到开闭管路、控制流向或调节压力等作用。对于不同的工作环境，阀门的材质要求也不同，具体可分为铸铁阀门、碳钢阀门、不锈钢阀门、塑料阀门等。在油气田环境中，由于大多含有硫化氢，易构成湿H2S应力腐蚀环境，因此要求阀门具备耐应力腐蚀能力。
A105作为一种优质碳素结构钢，其包括如下质量百分比的组分：C≤0.35％，Mn0.6-1.05％，P≤0.035％，S≤0.04％，Si 0.1-0.35％，Cu≤0.4％，Ni≤0.4％，Cr≤0.3％，Mo≤0.12％，V≤0.08％，余量为Fe。A105具有优良的机械性能和耐腐蚀性能，适用于生产球阀、闸阀、截止阀、蝶阀等阀门的承压和控压件，可用于含H2S环境。
油气田环境中，阀门与管道之间常采用焊接的连接方式，而软密封的阀门受限于密封副的耐热性，无法进行焊后热处理以消除焊接应力，因此要求阀门用合金材料具有优良的焊接性能。上述A105碳钢在焊接性能方面仍存在有不足，有待改进。
发明内容
为了提高焊接性能，本申请提供一种阀门用合金材料及阀体生产工艺。
第一方面，本申请提供的一种阀门用合金材料采用如下的技术方案：
一种阀门用合金材料，包括如下质量百分比的组分：C 0.18-0.25％，Mn 0.8-1.6％，P≤0.008％，S≤0.008％，Si 0.25-0.5％，Cu 0.2-0.4％，Ni 0.3-0.8％，Ce 0.005-0.02％，La 0.002-0.015％，Mo 0.1-0.2％，V 0.03-0.08％，余量为Fe。
通过采用上述技术方案，在A105碳钢的基础上，降低C、P、S的含量，适当增加Mn、Si含量，去除Cr，添加Ce、La，并调整其余元素的含量，使得材料具有高强度、高韧性、优异的耐低温性能及耐腐蚀性能，可焊性好，满足使用需求。
具体地，C含量降低，可以减少钢中碳化物的数量，改善钢的韧性，焊接时不容易产生裂纹和气孔等缺陷，提高焊接性能，但是强度和硬度会相应下降。P、S属于杂质元素，会增加钢的脆性，增大焊缝的热裂倾向，因此控制其含量在极低水平，能够改善钢的韧性，提高焊接性能。Mn是一种较好的脱氧剂和脱硫剂，在焊接过程中可以有效地减少氧化物等杂质，提高焊接性能。Si是碳钢中重要的强化元素，能够提高碳钢的强度、硬度，在一定程度上可以替代部分碳元素，弥补C含量下降而导致的强度损失。Cu可以加强碳钢的强度和硬度，特别是低碳钢。Cr元素是碳钢具有耐腐蚀性的重要元素，但会增加脆性，影响焊接性能。去除Cr元素并调整Ni含量，添加Ce、La元素，可在保持耐腐蚀性能的同时具有优异的强度、韧性和焊接性能。Mo的加入则可以有效地提高钢材的韧性和抗腐蚀性，同时还可以细化晶粒，提高钢材的强度和硬度。V元素能够细化晶粒，增强应力，改善抗疲劳性能。
可选地，阀门用合金材料，包括如下质量百分比的组分：C 0.18-0.2％，Mn 1.3-1.5％，P≤0.002％，S≤0.002％，Si 0.35-0.5％，Cu 0.2-0.3％，Ni 0.6-0.8％，Ce 0.01-0.02％，La 0.01-0.015％，Mo 0.15-0.2％，V 0.03-0.05％，余量为Fe。
通过采用上述技术方案，组分配比进一步优化。
第二方面，本申请提供的一种阀体生产工艺用如下的技术方案：
一种阀体生产工艺，包括如下步骤：
加热：将合金材料放入炉中加热；
锻造：将经过加热的合金材料锻造成型，得到锻件；
热处理：对锻件进行热处理，得到阀体。
可选地，所述加热步骤中，合金材料先预热至800-900℃，保温15-20min后再升温至1200-1250℃。
通过采用上述技术方案，合金材料分两步加热，确保合金材料具有良好的塑性，以便于锻造成型，提高锻造的效果和形状的稳定性。
可选地，所述锻造步骤中，锻件的初锻温度≥1150℃，终锻温度≥750℃。
通过采用上述技术方案，初锻温度是指开始锻造时的温度，适当提高初锻温度可以减少加热次数，提高金属的塑性，使其易于成型。终锻温度是指停止锻造的温度，通常高于再结晶温度，以保证在停锻前合金具有足够的塑性，锻后能获得细小的再结晶组织，保证锻件的品质和成型效率。
可选地，所述热处理步骤中，进行淬火和回火。
通过采用上述技术方案，淬火是将金属加热到一定温度后，以适当的方式冷却，以改变其力学性能和显微组织的工艺。淬火的主要目的是提高金属的硬度和强度，但同时也可能导致金属的脆性增加。回火是将淬火后的金属加热到一定温度，保温一定时间后，以一定方式冷却的热处理工艺。回火的主要目的是消除淬火引起的内应力和脆性，同时调整金属的力学性能以满足使用要求。通过回火，可以改善金属的塑性和韧性，降低脆性，提高抗冲击性能。
淬火和回火结合的热处理工艺，能够确保阀体具有优异的韧性和强度，以便于焊接。
可选地，所述锻造步骤和热处理步骤之间还设置有表面处理步骤；
所述表面处理步骤的具体过程如下：先清洁锻件表面，再将锻件浸入处理液中，室温浸泡20-30min后取出，最后进行干燥；所述处理液包括如下重量份的组分：30-50份水性环氧树脂乳液、15-20份锌粉、1-3份分散剂和50-70份水。
通过采用上述技术方案，水性环氧树脂乳液作为分散介质和胶粘成分，使得锻件经过表面处理后，表面均匀附着锌粉。热处理过程中，锌粉受热熔融并与合金材料进行结合，使得锻件表面形成一层锌含量较高的锌层，不仅起到抗腐蚀作用，提高阀体在湿硫化氢环境的使用寿命，还能在焊接过程润湿焊接面，提高焊接效果。
相比于合金材料中直接添加锌的方式，不会因锌含量过高而影响阀体的韧性。合金材料新添加的铈元素与锌元素之间具有良好的键合效果，铈元素的添加一定程度上能够提高锌层与基体的结合强度。
可选地，所述锌粉的平均粒径为40-60nm。
通过采用上述技术方案，表面处理后，阀体表面不容易变得粗糙。
可选地，所述处理液还包括0.3-0.6份精氨酸。
通过采用上述技术方案，精氨酸作为助剂，能够加速水性环氧树脂乳液固化，防止因固化时间过长而导致锌粉氧化的麻烦。
可选地，所述热处理步骤中，通入氩气作为保护。
通过采用上述技术方案，热处理过程中，氩气可以形成一层保护气氛，防止锌在高温下与空气中的氧气发生氧化反应，并维持反应室内的气氛纯净，有助于保持合金表面质量和性能。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、本申请在A105碳钢的基础上，优化配比，使得材料具有高强度、高韧性、优异的耐低温性能及耐腐蚀性能，可焊性好，满足使用需求。
2、本申请对阀体的生产工艺进行优化，提高阀体的品质，保持高韧性；
3、通过表面处理步骤的设置，提高阀体与相邻管道之间的焊接质量，延长使用寿命。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明，予以特别说明的是：以下实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行，以下实施例中所用原料除特殊说明外均可来源于普通市售。
本申请的制备例采用如下原料：
水性环氧树脂乳液购买自武汉仕全兴新材料科技股份有限公司，牌号为4155；分散剂为十二烷基苯磺酸钠。
制备例1：
处理液的制备过程如下：先将30kg水性环氧树脂乳液、1kg分散剂和50kg水混合并搅拌均匀，再加入15kg平均粒径为40nm的锌粉，搅拌均匀后得到处理液，备用。
制备例2：
处理液的制备过程如下：先将50kg水性环氧树脂乳液、3kg分散剂和70kg水混合并搅拌均匀，再加入20kg平均粒径为50nm锌粉，搅拌均匀后得到处理液，备用。
制备例3：
处理液的制备过程如下：先将40kg水性环氧树脂乳液、2kg分散剂和60kg水混合并搅拌均匀，再加入18kg平均粒径为60nm锌粉，搅拌均匀后得到处理液，备用。
制备例4：
处理液的制备过程如下：先将40kg水性环氧树脂乳液、2kg分散剂、0.3kg精氨酸和60kg水混合并搅拌均匀，再加入18kg平均粒径为50nm锌粉，搅拌均匀后得到处理液，备用。
制备例5：
处理液的制备过程如下：先将40kg水性环氧树脂乳液、2kg分散剂、0.6kg精氨酸和60kg水混合并搅拌均匀，再加入18kg平均粒径为50nm锌粉，搅拌均匀后得到处理液，备用。
需要说明的是，制备例1-5的制备过程中，需要控制室温小于30℃，并在制备完成后尽快使用。
实施例1：
一种阀门用合金材料，包括如下质量百分比的组分：C 0.25％，Mn 1.6％，P0.008％，S0.008％，Si 0.3％，Cu 0.25％，Ni 0.3％，Ce 0.01％，La 0.01％，Mo 0.1％，V0.08％，余量为Fe。
实施例2：
一种阀门用合金材料，包括如下质量百分比的组分：C 0.23％，Mn 1.3％，P0.008％，S0.008％，Si 0.5％，Cu 0.2％，Ni 0.8％，Ce 0.005％，La 0.002％，Mo 0.2％，V0.05％，余量为Fe。
实施例3：
一种阀门用合金材料，包括如下质量百分比的组分：C 0.21％，Mn 1.0％，P0.008％，S0.008％，Si 0.25％，Cu 0.4％，Ni 0.5％，Ce 0.01％，La 0.01％，Mo 0.15％，V0.05％，余量为Fe。
实施例4：
阀门用合金材料，包括如下质量百分比的组分：C 0.2％，Mn 1.3％，P 0.002％，S0.002％，Si 0.35％，Cu 0.3％，Ni 0.6％，Ce 0.01％，La 0.01％，Mo 0.15％，V 0.03％，余量为Fe。
实施例5：
阀门用合金材料，包括如下质量百分比的组分：C 0.18％，Mn 1.5％，P 0.002％，S.002％，Si 0.5％，Cu 0.2％，Ni 0.8％，Ce 0.02％，La 0.015％，Mo 0.2％，V 0.05％，余量为Fe。
实施例6：
一种阀体生产工艺，包括如下步骤：
加热：将实施例1制得的合金材料放入电炉内，先预热至850℃，保温18min后再升温至1230℃，保温20min；
锻造：将经过加热的合金材料锻造成型，得到锻件，锻件的初锻温度1150℃，终锻温度750℃；
热处理：将锻件置于淬火炉内，通入氩气作为保护，对锻件进行淬火，以200℃/h的速度升温至850℃，保温2h后放入水中进行冷却，完成淬火；接着将淬火后的锻件表面水分清理干净，并置于回火炉内，通入氩气作为保护，对锻件进行回火，以150℃/h的速度升温至600℃，保温3h后放入水中进行冷却，完成回火，得到阀体。
实施例7：
一种阀体生产工艺，包括如下步骤：
加热：将实施例2制得的合金材料放入电炉内，先预热至900℃，保温20min后再升温至1250℃，保温20min；
锻造：将经过加热的合金材料锻造成型，得到锻件，锻件的初锻温度1200℃，终锻温度780℃；
热处理：将锻件置于淬火炉内，通入氩气作为保护，对锻件进行淬火，以200℃/h的速度升温至850℃，保温2h后放入水中进行冷却，完成淬火；接着将淬火后的锻件表面水分清理干净，并置于回火炉内，通入氩气作为保护，对锻件进行回火，以150℃/h的速度升温至600℃，保温3h后放入水中进行冷却，完成回火，得到阀体。
实施例8：
一种阀体生产工艺，包括如下步骤：
加热：将实施例3制得的合金材料放入电炉内，先预热至800℃，保温15min后再升温至1200℃，保温20min；
锻造：将经过加热的合金材料锻造成型，得到锻件，锻件的初锻温度1150℃，终锻温度750℃；
热处理：将锻件置于淬火炉内，通入氩气作为保护，对锻件进行淬火，以200℃/h的速度升温至850℃，保温2h后放入水中进行冷却，完成淬火；接着将淬火后的锻件表面水分清理干净，并置于回火炉内，通入氩气作为保护，对锻件进行回火，以150℃/h的速度升温至600℃，保温3h后放入水中进行冷却，完成回火，得到阀体。
实施例9：
与实施例7的区别在于，合金材料采用实施例4制得的。
实施例10：
与实施例7的区别在于，合金材料采用实施例5制得的。
实施例11：
与实施例10的区别在于，锻造步骤和热处理步骤之间还设置有表面处理步骤。
表面处理步骤的具体过程如下：先清洁锻件表面，再将锻件浸入制备例1制得的处理液中，室温浸泡30min后取出，最后进行干燥。
实施例12：
与实施例10的区别在于，锻造步骤和热处理步骤之间还设置有表面处理步骤。
表面处理步骤的具体过程如下：先清洁锻件表面，再将锻件浸入制备例2制得的处理液中，室温浸泡20min后取出，最后进行干燥。
实施例13：
与实施例10的区别在于，锻造步骤和热处理步骤之间还设置有表面处理步骤。
表面处理步骤的具体过程如下：先清洁锻件表面，再将锻件浸入制备例3制得的处理液中，室温浸泡25min后取出，最后进行干燥。
实施例14：
与实施例10的区别在于，锻造步骤和热处理步骤之间还设置有表面处理步骤。
表面处理步骤的具体过程如下：先清洁锻件表面，再将锻件浸入制备例4制得的处理液中，室温浸泡25min后取出，最后进行干燥。
实施例15：
与实施例10的区别在于，锻造步骤和热处理步骤之间还设置有表面处理步骤。
表面处理步骤的具体过程如下：先清洁锻件表面，再将锻件浸入制备例5制得的处理液中，室温浸泡25min后取出，最后进行干燥。
对比例1：
与实施例7的区别在于，合金材料采用市售的A105材质。
性能检测：
参照GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》中记载的方法，对采用实施例6-10及对比例1的生产工艺制得的试样进行测试，测试内容为抗拉强度Rm、塑性延伸强度Rp0.2，断后伸长率A和断面收缩率Z，所得结果见表1。
参照GB/T 4157-2017《金属在硫化氢环境中抗硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂的实验室试验方法》中记载的方法，对采用实施例6-10及对比例1的生产工艺制得的试样进行测试，测试方法为方法A，试验溶液为溶液A，夹持应力为250MPa，试验周期为720h，观察试样是否出现裂纹，所得结果见表1。
参照GB/T 229-2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》中记载的方法，对采用实施例6-10及对比例1的生产工艺制得的试样进行测试，试验温度为-46℃，试验结果为试样的冲击吸收能量，所得结果见表1。
表1性能检测结果记录表
| Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A/％ | Z/％ | SSC试验 | KV2/J | |
| 实施例6 | 452 | 320 | 25.8 | 34.6 | 无裂纹 | 43 |
| 实施例7 | 461 | 319 | 25.7 | 34.2 | 无裂纹 | 44 |
| 实施例8 | 464 | 316 | 25.4 | 34.9 | 无裂纹 | 41 |
| 实施例9 | 451 | 345 | 26.2 | 35.1 | 无裂纹 | 52 |
| 实施例10 | 453 | 338 | 25.5 | 34.7 | 无裂纹 | 50 |
| 对比例1 | 490 | 253 | 23.2 | 33.6 | 少许裂纹 | 18 |
由表1分析可知：
1、本申请的合金材料具有优异的力学性能，其制成的阀体部件能够满足含H2S环境的使用需求，使用寿命长；
2、本申请的合金材料在低温韧性方面尤为突出，特别适合用于低温的油气田环境，能够在不进行焊后热处理的情况下保证现场焊接施工的质量，不容易出现因焊接而导致应力裂纹，焊接性能好。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种阀门用合金材料，其特征在于，包括如下质量百分比的组分：C 0.18-0.25%，Mn0.8-1.6%，P≤0.008%，S≤0.008%，Si 0.25-0.5%，Cu 0.2-0.4%，Ni 0.3-0.8%，Ce 0.005-0.02%，La 0.002-0.015%，Mo 0.1-0.2%，V 0.03-0.08%，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的阀门用合金材料，其特征在于，包括如下质量百分比的组分：C0.18-0.2%，Mn 1.3-1.5%，P≤0.002%，S≤0.002%，Si 0.35-0.5%，Cu 0.2-0.3%，Ni 0.6-0.8%，Ce 0.01-0.02%，La 0.01-0.015%，Mo 0.15-0.2%，V 0.03-0.05%，余量为Fe。
3.一种阀体生产工艺，其特征在于，包括如下步骤：
加热：将权利要求1或2所述的合金材料放入炉中加热；
锻造：将经过加热的合金材料锻造成型，得到锻件；
热处理：对锻件进行热处理，得到阀体。
4.根据权利要求3所述的阀体生产工艺，其特征在于：所述加热步骤中，合金材料先预热至800-900℃，保温15-20min后再升温至1200-1250℃。
5.根据权利要求3所述的阀体生产工艺，其特征在于：所述锻造步骤中，锻件的初锻温度≥1150℃，终锻温度≥750℃。
6.根据权利要求3所述的阀体生产工艺，其特征在于：所述热处理步骤中，进行淬火和回火。
7.根据权利要求3所述的阀体生产工艺，其特征在于：所述锻造步骤和热处理步骤之间还设置有表面处理步骤；
所述表面处理步骤的具体过程如下：先清洁锻件表面，再将锻件浸入处理液中，室温浸泡20-30min后取出，最后进行干燥；所述处理液包括如下重量份的组分：30-50份水性环氧树脂乳液、15-20份锌粉、1-3份分散剂和50-70份水。
8.根据权利要求7所述的阀体生产工艺，其特征在于：所述锌粉的平均粒径为40-60nm。
9.根据权利要求7所述的阀体生产工艺，其特征在于：所述处理液还包括0.3-0.6份精氨酸。
10.根据权利要求7所述的阀体生产工艺，其特征在于：所述热处理步骤中，通入氩气作为保护。
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- 2024-01-06 CN CN202410020058.6A patent/CN117778889A/zh active Pending
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