專利名稱：深海采油設(shè)備液壓缸用鋼鍛件性能熱處理工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于深海采油設(shè)備液壓缸用鋼鍛件的生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼15-5PH鍛件的性能熱處理工藝。
背景技術(shù)：
液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的、做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)(或擺動(dòng)運(yùn)動(dòng))的液壓執(zhí)行元件。 它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠。用它來(lái)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可免去減速裝置，并且沒(méi)有傳動(dòng)間隙，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，因此在各種機(jī)械的液壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。液壓缸也廣泛應(yīng)用于海洋油氣開采系統(tǒng)，如海上采油平臺(tái)液壓抽油機(jī)、海洋石油平臺(tái)水下夾樁器、液壓缸深海取芯鉆機(jī)、井下液壓增壓器、防噴器的液控系統(tǒng)、修井水龍頭拆卸器等。由于深海采油設(shè)備液壓缸的特殊工作環(huán)境，液壓缸的材質(zhì)規(guī)定為沉淀硬化型馬氏體不銹鋼15-5PH。15-5PH的合金元素Cr、Ni含量高，鍛造溫度范圍窄，鍛件組織中含有易產(chǎn)生鍛造裂紋的高溫相δ鐵素體等，增加了鍛件的鍛造成型難度。發(fā)明專利“深海采油設(shè)備液壓缸用鋼鍛件鍛坯制造工藝”針對(duì)上述問(wèn)題，采用15-5ΡΗ鋼的化學(xué)成分優(yōu)化與改變常規(guī)鍛造工藝的組合，成功地鍛造出壓實(shí)鍛透的液壓缸鍛件鍛坯。但是該專利因15-5ΡΗ的鍛造特性，防止終鍛溫度偏低出現(xiàn)鍛造裂紋，終鍛溫度仍引用常規(guī)鍛造工藝中980°C的較高終鍛溫度。終鍛溫度高，鍛坯的顯微組織會(huì)出現(xiàn)不同程度的粗晶、混晶。此外，針對(duì)大截面鍛件(540 X 378 X 152mm)在實(shí)際成型條件下，內(nèi)部變形分布極不均勻，在一定的應(yīng)變速率和溫度條件下，一部分滿足發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的變形區(qū)域可以在變形過(guò)程中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，其它區(qū)域則由于變形量小，不滿足發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶條件而不能發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。由此導(dǎo)致不同區(qū)域的晶粒尺寸大小不一，特別是在終鍛溫度較高的情況下，已再結(jié)晶區(qū)域的晶粒會(huì)發(fā)生異常長(zhǎng)大，形成鍛件中的粗晶和混晶組織，將嚴(yán)重影響鍛件性能熱處理后的力學(xué)性能。由于液壓缸服役的海洋油氣工況條件惡劣，缸內(nèi)壁需抗磨損，要求強(qiáng)度高韌性好， 尤其是低溫韌性，客戶要求_18°C夏比V型缺口沖擊功AKv ^ 20J。因此，以ASTM A564中牌號(hào)XM-12(等同15-5PH)/H1075狀態(tài)(1040°C固溶處理+580°C時(shí)效處理)的性能熱處理工藝制造海洋油氣開采系統(tǒng)中應(yīng)用的液壓缸，其顯微組織和綜合力學(xué)性能難以滿足要求， 也無(wú)法適用于惡劣的工況條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有鍛件鍛坯的顯微組織不足，提供一種深海采油設(shè)備液壓缸用鋼鍛件性能熱處理工藝，按此工藝能夠有效地改善液壓缸用鋼鍛件的顯微組織，提高鍛件的綜合力學(xué)性能，尤其是低溫沖擊韌性和屈服強(qiáng)度且工藝質(zhì)量穩(wěn)定。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種深海采油設(shè)備液壓缸用鋼鍛件的性能熱處理工藝，包括以下步驟 步驟①以馬氏體沉淀硬化型不銹鋼為15-5PH液壓缸鋼鍛件材料，所述的馬氏體沉淀硬化型不銹鋼包括碳、硅、錳、鉻、鎳、銅、鈮、磷及硫，其質(zhì)量百分比為，碳0. 04% 0. 07%、硅 0. 001% 0. 60%、猛 0. 80% 1. 00%、鉻 14. 00% 14. 50%、鎳 5. 00% 5. 50%、銅 2. 50% 4. 00%、鈮 0. 15% 0. 25%,磷彡 0. 035%、硫彡 0. 025%,并且，鉻當(dāng)量為 14. 08% 15. 52%,鎳當(dāng)量為6. 60% 8. 10%,
步驟②將經(jīng)機(jī)械粗加工的15-5PH液壓缸鍛件置入井式電阻加熱爐中加熱至 1060士5°C，并在此溫度范圍保溫180分鐘，出爐油冷至32°C以下，
步驟③將步驟②經(jīng)固溶處理的液壓缸鍛件置入井式電阻回火爐中加熱至620士5°C， 并在此溫度范圍保溫360分鐘，出爐空冷至室溫，
步驟④步驟③經(jīng)時(shí)效處理的液壓缸鍛件置入井式電阻加熱爐中加熱至1040士5°C， 并在此溫度范圍保溫140分鐘，出爐油冷至32°C以下，
步驟⑤將步驟④經(jīng)固溶處理的液壓缸鍛件置入井式電阻回火爐中加熱至580士5°C， 并在此溫度范圍保溫360分鐘，出爐空冷至室溫。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及積極效果是
本發(fā)明采用兩次固溶+時(shí)效的性能熱處理工藝，第一次固溶+時(shí)效熱處理作為第二次固溶+時(shí)效熱處理的預(yù)備熱處理，減少了液壓缸鍛件的鍛態(tài)混晶和粗晶組織，改善了第二次固溶+時(shí)效熱處理之前的組織狀態(tài)，有利于第二次固溶+時(shí)效熱處理獲得均勻細(xì)小顯微組織，提升鍛件綜合力學(xué)性能。本發(fā)明第一次固溶熱處理奧氏體化加熱溫度提高至1060°C，增加了鋼中合金元素?cái)U(kuò)散的熱力學(xué)條件，使鋼中合金元素分布趨于均勻，降低了因微觀成分偏析對(duì)顯微組織的不良影響，高溫奧氏體經(jīng)油冷轉(zhuǎn)變?yōu)榻M織較均勻的馬氏體+少量殘余奧氏體；
本發(fā)明第一次時(shí)效處理溫度提高至620°C，獲得了最大逆轉(zhuǎn)變奧氏體量，逆轉(zhuǎn)變奧氏體的體積百分比約為11.洲左右。由于逆變奧氏體形成優(yōu)先在馬氏體板條束間和原奧氏體晶界處形核長(zhǎng)大，形成薄的片層狀逆變奧氏體。其次是由于時(shí)效溫度較高，縮短了碳化物析出的孕育期，有利于NbC、M23C6碳化物大量彌散析出和時(shí)效硬化相ε - Cu粒子的沉淀析出。 因此，時(shí)效處理后的組織除為回火馬氏體和彌散分布在馬氏體基體中的片層狀逆變奧氏體外，還富含NbC、M23C6等碳化物和ε- Cu沉淀相。彌散分布的片層狀逆變奧氏體，在第二次固溶處理奧氏體化加熱過(guò)程中作為奧氏體的形核質(zhì)點(diǎn)，顯著地增加了奧氏體的形核質(zhì)點(diǎn)數(shù)量。奧氏體形核數(shù)量增加意味著奧氏體晶粒尺寸減小，從而細(xì)化了第二次固溶處理的奧氏體晶粒。與此同時(shí)，未溶NbC、M23C6等碳化物和ε - Cu沉淀相能有效阻止高溫奧氏體晶界遷移，防止固溶處理奧氏體化加熱與等溫過(guò)程的晶粒長(zhǎng)大。本發(fā)明第二次固溶+時(shí)效熱處理為最終性能熱處理，固溶處理奧氏體化加熱溫度、時(shí)效處理等溫溫度依照Α564 / Α564Μ中牌號(hào)ΧΜ-12/Η1075狀態(tài)要求，分別為1040°C和 580°C。固溶處理奧氏體化保溫時(shí)間縮短為120分鐘，進(jìn)一步防止高溫奧氏體晶粒粗化，確保固溶處理處理后獲得均勻細(xì)小的馬氏體+少量殘余奧氏體組織。概括之，本發(fā)明是通過(guò)雙固溶+時(shí)效的性能熱處理工藝，有效地改善液壓缸用鋼鍛件的顯微組織，提高鍛件的綜合力學(xué)性能，尤其是低溫沖擊韌性和屈服強(qiáng)度且工藝質(zhì)量穩(wěn)定。另外，本發(fā)明專利的熱處理工藝穩(wěn)定，具有較好的可重復(fù)性。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的熱處理曲線圖2為本發(fā)明試驗(yàn)研究的不同時(shí)效溫度對(duì)應(yīng)的逆轉(zhuǎn)變奧氏體體積含量曲線圖；圖3為液壓缸鍛件的鍛態(tài)金相組織圖(100X )； 圖4為液壓缸鍛件的鍛態(tài)金相組織圖(500X )； 圖5為比較例的金相組織圖(100X)； 圖6為比較例的金相組織圖(500 X )； 圖7為實(shí)施例1的金相組織圖(100X )； 圖8為實(shí)施例1的金相組織圖(500X )。
具體實(shí)施例方式
采用兩種不同的固溶時(shí)效熱處理工藝方法如下 比較例(工藝號(hào)A)普通固溶時(shí)效熱處理工藝； 實(shí)施例1 (工藝號(hào)B)本發(fā)明所述的固溶時(shí)效熱處理工藝； 實(shí)施例2 (工藝號(hào)C):本發(fā)明所述的固溶時(shí)效熱處理工藝。比較例(工藝號(hào)A)具體步驟如下
步驟A①將經(jīng)機(jī)械粗加工的15-5PH液壓缸鍛件置入井式電阻加熱爐中加熱至 1040士5°C，并在此溫度范圍保溫180分鐘(保溫時(shí)間按鍛件有效厚度每英寸30分鐘計(jì)算)，出爐油冷至32°C以下，
步驟A②將步驟①經(jīng)固溶處理的液壓缸鍛件置入井式電阻回火爐中加熱至 580士5°C，并在此溫度范圍保溫360分鐘(保溫時(shí)間按鍛件有效厚度每一英寸60分鐘計(jì)算)，出爐空冷至室溫，
步驟A③在液壓缸鍛件延長(zhǎng)體部分取試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)和金相顯微組織分析， 力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1中的比較例，金相顯微組織見(jiàn)圖5和圖6， 實(shí)施例1 (工藝號(hào)B)具體步驟如下
步驟B①將經(jīng)機(jī)械粗加工的15-5PH液壓缸鍛件置入井式電阻加熱爐中加熱至 1060士5°C，并在此溫度范圍保溫180分鐘(保溫時(shí)間按鍛件有效厚度每英寸30分鐘計(jì)算)，出爐油冷至32°C以下，
步驟B②在經(jīng)步驟B①固溶處理的液壓缸鍛件的延長(zhǎng)體部分取試樣分別進(jìn)行500°C、 550°C、600°C、65(TC、70(rC時(shí)效處理，時(shí)效處理保溫時(shí)間按鍛件有效厚度每英寸60分鐘計(jì)算，
步驟B③將步驟B②時(shí)效處理的試樣分別經(jīng)X射線衍射累積強(qiáng)度進(jìn)行逆轉(zhuǎn)變奧氏體定量分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖2，
步驟B④步驟B①固溶處理的液壓缸鍛件置入井式電阻回火爐中加熱至620士5°C， 并在此溫度范圍保溫360分鐘(保溫時(shí)間按鍛件有效厚度每英寸60分鐘計(jì)算)，出爐空冷
至室溫，
步驟B⑤將步驟B④經(jīng)時(shí)效處理的液壓缸鍛件置入井式電阻加熱爐中加熱至 1040士5°C，并在此溫度范圍保溫140分鐘(保溫時(shí)間按鍛件有效厚度每英寸30分鐘計(jì)算， 計(jì)算值減去40分鐘)，出爐油冷至32°C以下，
步驟B⑥將步驟B⑤經(jīng)固溶處理的液壓缸鍛件置入井式電阻回火爐中加熱至 580士5°C，并在此溫度范圍保溫360分鐘(保溫時(shí)間按鍛件有效厚度每英寸60分鐘計(jì)算)， 出爐空冷至室溫，
步驟B⑦在經(jīng)步驟B⑤時(shí)效處理液壓缸鍛件延長(zhǎng)體部分取試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)和金相顯微組織分析，力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1中的實(shí)施例1，金相顯微組織見(jiàn)圖7和圖8， 實(shí)施例2 (工藝號(hào)C)具體步驟如下
步驟C①將經(jīng)機(jī)械粗加工的15-5PH液壓缸鍛件置入井式電阻加熱爐中加熱至 1050士5°C，并在此溫度范圍保溫180分鐘(保溫時(shí)間按鍛件有效厚度每英寸30分鐘計(jì)算)，出爐油冷至32°C以下，
步驟C②步驟B①固溶處理的液壓缸鍛件置入井式電阻回火爐中加熱至610°C，并在此溫度范圍保溫360分鐘(保溫時(shí)間按鍛件有效厚度每英寸60分鐘計(jì)算)，出爐空冷至室
步驟C③將步驟C②經(jīng)時(shí)效處理的液壓缸鍛件液壓缸鍛件置入井式電阻加熱爐中加熱至1040士5°C，并在此溫度范圍保溫120分鐘(保溫時(shí)間按鍛件有效厚度每英寸30分鐘， 計(jì)算值減去60分鐘)，出爐油冷至32°C以下，
步驟C④將步驟C③固溶處理的液壓缸鍛件置入井式電阻回火爐中加熱至580°C，并在此溫度范圍保溫360分鐘(保溫時(shí)間按鍛件有效厚度每英寸60分鐘計(jì)算)，出爐空冷至室溫，
步驟C⑤在經(jīng)步驟C④時(shí)效處理液壓缸鍛件延長(zhǎng)體部分取試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1中的實(shí)施例2 所述步驟B①，其目的是
步驟B①是雙固溶+時(shí)效處理工藝的第一次固溶熱處理，鍛件在固溶奧氏體化加熱過(guò)程中由馬氏體轉(zhuǎn)變?cè)趭W氏體，即發(fā)生相變?cè)俳Y(jié)晶。利用相變?cè)俳Y(jié)晶初步改善了鍛態(tài)粗晶和混晶組織，有利于第二次性能熱處理獲得均勻細(xì)小的細(xì)晶組織。固溶奧氏體化加熱溫度提高至1060°C，增加了鋼中合金元素?cái)U(kuò)散的熱力學(xué)條件，使鋼中合金元素分布趨于均勻，降微觀成分偏析對(duì)顯微組織的不良影響，奧氏體轉(zhuǎn)變經(jīng)油冷為組織較均勻的馬氏體+少量殘余奧氏體。所述步驟B②，其目的是
通過(guò)對(duì)不同時(shí)效溫度對(duì)應(yīng)的逆轉(zhuǎn)變奧氏體含量測(cè)定，確定了步驟B③時(shí)效處理獲取最大含量逆轉(zhuǎn)變奧氏體的最佳時(shí)效溫度范圍為615 625°C。所述步驟B④，其目的是
根據(jù)圖2，時(shí)效處理溫度提高至620°C，獲得了最大逆轉(zhuǎn)變奧氏體的含量，逆轉(zhuǎn)變奧氏體的體積百分比為11. 左右。由于逆變奧氏體形成優(yōu)先在馬氏體板條束間隙和原奧氏體晶界處形核長(zhǎng)大，形成小薄片層狀逆變奧氏體。其次是由于時(shí)效溫度較高，縮短了碳化物析出的孕育期，有利于NbC、M23C6碳化物大量彌散析出和時(shí)效硬化相ε - Cu粒子的彌散沉淀析出。因此，時(shí)效處理后的組織除為回火馬氏體和彌散分布在馬氏體基體中的片層狀逆變奧氏體外，還富含NbC、M23C6等碳化物和ε - Cu沉淀相。彌散分布的片層狀逆變奧氏體在第二次性能固溶處理奧氏體化加熱過(guò)程中作為奧氏體的形核質(zhì)點(diǎn)，顯著地增加了奧氏體的形核質(zhì)點(diǎn)數(shù)量。奧氏體形核數(shù)量增加意味著奧氏體晶粒尺寸減小，從而進(jìn)一步細(xì)化了第二次固溶處理的奧氏體晶粒。與此同時(shí)，未熔NbC、M23C6等碳化物和ε - Cu沉淀相能有效阻止高溫奧氏體晶界遷移，防止第二次性能固溶處理奧氏體化加熱與等溫過(guò)程的晶粒長(zhǎng)大。表1 15-5ΡΗ綜合力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1. 一種深海采油設(shè)備液壓缸用鋼鍛件性能熱處理工藝，其特征在于， 步驟①以馬氏體沉淀硬化型不銹鋼為15-5PH液壓缸鋼鍛件材料，所述的馬氏體沉淀硬化型不銹鋼包括碳、硅、錳、鉻、鎳、銅、鈮、磷及硫，其質(zhì)量百分比為，碳0. 04% 0. 07%、硅 0. 001% 0. 60%、猛 0. 80% 1. 00%、鉻 14. 00% 14. 50%、鎳 5. 00% 5. 50%、銅 2. 50% 4. 00%、鈮 0. 15% 0. 25%,磷彡 0. 035%、硫彡 0. 025%,并且，鉻當(dāng)量為 14. 08% 15. 52%,鎳當(dāng)量為6. 60% 8. 10%,步驟②將經(jīng)機(jī)械粗加工的15-5PH液壓缸鍛件置入井式電阻加熱爐中加熱至 1060士5°C，并在此溫度范圍保溫180分鐘，出爐油冷至32°C以下，步驟③將步驟②經(jīng)固溶處理的液壓缸鍛件置入井式電阻回火爐中加熱至620士5°C， 并在此溫度范圍保溫360分鐘，出爐空冷至室溫，步驟④步驟③經(jīng)時(shí)效處理的液壓缸鍛件置入井式電阻加熱爐中加熱至1040士5°C， 并在此溫度范圍保溫140分鐘，出爐油冷至32°C以下，步驟⑤將步驟④經(jīng)固溶處理的液壓缸鍛件置入井式電阻回火爐中加熱至580士5°C， 并在此溫度范圍保溫360分鐘，出爐空冷至室溫。
全文摘要
一種深海采油設(shè)備液壓缸用鋼鍛件性能熱處理工藝，步驟①以馬氏體沉淀硬化型不銹鋼為15-5PH液壓缸鋼鍛件材料，馬氏體沉淀硬化型不銹鋼包括碳、硅、錳、鉻、鎳、銅、鈮、磷及硫，其質(zhì)量百分比為，碳0.04%～0.07%、硅0.001%～0.60%、錳0.80%～1.00%、鉻14.00%～14.50%、鎳5.00%～5.50%、銅2.50%～4.00%、鈮0.15%～0.25%，磷≤0.035%、硫≤0.025%，并且，鉻當(dāng)量為14.08%～15.52%，鎳當(dāng)量為6.60%～8.10%，步驟②將鍛件加熱至1060±5℃，保溫180分鐘，出爐油冷至32℃以下，步驟③再將鍛件加熱至620±5℃，保溫360分鐘，出爐空冷至室溫，步驟④將步驟③處理的液壓缸鍛件加熱至1040±5℃，保溫140分鐘，出爐油冷至32℃以下，步驟⑤將鍛件加熱至580±5℃，保溫360分鐘，出爐空冷至室溫。
文檔編號(hào)C21D1/78GK102251084SQ201110185290
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月4日
發(fā)明者張利, 徐元生 申請(qǐng)人:南京迪威爾重型鍛造股份有限公司