一种深海采油树关键部件用钢锻件的制造方法技术

本发明专利技术公开了一种深海采油树关键部件用钢锻件的制造方法，包括以下步骤：以F22合金钢和Fe-Ga中间合金为原料，在中频电炉冶炼成优质钢水，然后在液压机上进行液态模锻，并在1200℃左右脱模，采用自由锻加束缚锻的复合锻造方式对坯料进行锻造，得到二次锻坯；然后对二次锻坯采用水冷-空冷两次循环交替方式进行淬火热处理；最后，对淬火后的二次锻造坯采用回火-水冷-再回火-再水冷的二次回火处理，即得到所述深海采油树关键部位用钢锻件。本发明专利技术的锻造工艺与热处理工艺的组合有效地防止了形状复杂的大锻件淬火开裂，而且制造的深海采油树关键部件用钢锻件的综合力学性能尤其是低温韧性大幅度提高，能很好地适用于深海低温工况环境。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种深海采油树关键部件用钢锻件的制造方法，属于金属锻造与热处理领域。
技术介绍
海洋油气资源的开发能力由海洋油气开发装备的先进性所决定，研制拥有我国自主知识产权的海洋油气勘探开发装备，是推动技术发展，保障我国能源安全的有效途径。我国石油钻采装备制造企业在几十年的陆地装备研制过程中积累了丰富的经验，为海洋石油水上装备设计制造奠定了基础，己实现部分设备的国产化。但是，目前我国的部分海洋石油钻采装备的国产化使用程度仅适用于300米以上的浅海海域，对于2000米以上的深海海域，我国在深海油田钻采装备的技术方面与西方发达国家相比还存在较大的差距，尤其是油气资源储存量巨大的南海海域的钻采装备的关键设备仍然需要进口。深海采油树设备是一种在具有强腐蚀性的海底环境下运行的采油(气)设备，其接触的工作介质也具有高温、高压及高腐蚀的特性。恶劣的工况及环境条件对材料的冶金、机械加工、热处理、焊接、防腐及密封等性能提出很高的要求，因此其材料的设计必须参照相关标准规范严格执行。目前，深海采油树用钢主要为低合金高强钢材料F22(ASTMA182)。F22材质中均含有相当量的铬、钼、钒，这些元素不仅能显著改善钢材的淬透性，同时还能在高温热处理时防止奥氏体晶粒长大，使得水下采油树厚壁零部件(如树本体)的调质性能大为改善，进而确保材料不仅具有优良的切削加工性能，还保证材料从外表面到中心部兼具优良的低温韧性及高低温疲劳强度，以抵抗低温海水与高温生产介质产生的温度落差热疲劳。但是采用常规锻造手段处理F22会出现难以锻透的现象，一些铸态冶金缺陷，如偏析、疏松、缩孔等将不同程度地残留在锻件中，使锻件在热处理过程中将产生更大的应力集中，往往导致锻件在热处理过程中或在热处理结束后的放置过程中发生开裂，或者因内应力的存在而降低零件在服役时的有效寿命。此外，性能上也难以满足深海采油树用钢所需要的低温韧性及高低温疲劳强度。因此，期望一种深海采油树关键部件用钢及其锻造方法来解决上述问题。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术的目的在于，提供一种能耗低、钢材利用率高、生产成本低、劳动条件好的深海采油树关键部件用钢锻件的制造方法，锻造出来的材料能达到深海采油所需要的耐腐、耐压、抗冲击要求指标。本专利技术的技术方案为：一种深海采油树关键部件用钢锻件的制造方法，其特征在于，采用特种钢材为原料，在中频电炉中冶炼成优质钢水，然后在液压机上进行液态模锻，并在1200℃进行脱模，脱模后立即采用自由锻+束缚锻终锻成型，具体步骤如下：(1)配料：采用F22合金钢和Fe-Ga中间合金为原料，按重量10:1进行配料；(2)冶炼：采用中频电炉将原料冶炼成优质钢水；(3)液态模锻：将冶炼好的钢水倒入充满氮气的气压浇铸保温炉内进行保温；再将保温炉内钢水浇铸到液态模锻机模具中进行液态模锻，浇铸前要将模具进行预热至300～400℃，当坯件温度在1200℃时立即脱模；(4)终锻成型：将脱模后的高温坯件立即采用自由锻镦粗-拔长-二次镦粗-二次拔长；然后再采用自由锻在径向束缚条件下镦粗-拔长-二次镦粗-二次拔长；(5)性能热处理：利用束缚锻造后的锻坯温度进行水冷-空冷交替循环两次淬火，然后再回火-水冷，得到深海采油树关键部件用钢锻件。进一步地，上述步骤(2)中，钢水冶炼完毕后，进行吹氩净化。进一步地，上述步骤(3)中，所述液态模锻机模具采用内层为高温合金的复合模具，浇铸过程中用循环水冷却模具，通过调节冷却水流量、压力使模具温度控制在500℃以内。进一步地，上述步骤(4)中，采用自由锻进行初次锻造得到一次锻造坯，锻造始锻温度为1200℃，终锻温度为800℃，锻造比大于3.5:1。进一步地，上述步骤(4)中，采用自由束缚锻再次进行锻造，得到二次锻造坯，锻造始锻温度为1150℃，终锻温度为950℃，锻造比大于3:1。进一步地，上述步骤(5)中，水冷-空冷交替循环两次淬火，入水冷却时间t按照经验公式t＝K×D来估算，式中，钢铁材料系数K为1～4s/mm，D为锻件的直径，单位mm；空气冷却时间为入水冷却时间的5.0～20.0倍，开始时淬火的水温低于20℃，结束时淬火的水温低于50℃。进一步地，上述步骤(5)中，水冷-空冷交替循环两次淬火，水冷时对水进行搅拌处理，其中，水的搅拌流速不小于0.5m/s。进一步地，上述步骤(5)中，对淬火后的二次锻造坯采用在650℃、保温3h回火-水冷至室温-再650℃、保温3h回火-再水冷至室温的二次回火处理。本专利技术所达到的有益效果：1.熔炼钢铁选F22合金钢和Fe-Ga中间合金为原料，其在凝固过程中Ga较早凝固出来，成为钢材凝固过程形核点，增加形核率，降低晶粒尺寸；同时在完全凝固后，Ga聚集在晶界处，阻碍了晶粒的进一步生长，降低了晶粒尺寸，进一步提高材料的综合力学性能。此外，在后期的束缚自由锻过程中，将晶界处的Ga-Fe金属间化合物揉碎并均匀分布于材料内部，即提高了合金的耐蚀性，又大幅提高材料的综合力学性能，尤其是低温韧性。2.锻造工艺采用液态模锻结合束缚锻的复合锻造工艺，在液态模锻时，施加压力，是的液态金属凝固时不仅可以成型而且组织状态明显优于普通铸造组织，将铸态金属中疏松、空隙和裂纹等原始缺陷最大程度地降低，提高了金属的致密度和连续性。此外，在后继的自由锻+束缚锻中将液态模锻中较粗大组织以及在晶界处的Ga-Fe金属间化合物揉碎、糅合，使锻件内外组织趋向均匀，有效地减轻了锻件的偏析程度，同时利用大塑性变形作用使材料晶粒细化，进一步提高合金的综合力学性能和抗腐蚀能力。采用复合锻的目的是利用坯料变形方向变化多，钢锭心部金属向外流动，有效地破碎了钢锭中心的铸态树枝晶组织、锻合钢锭内部的疏松、孔穴、裂纹等缺陷，提高了金属的致密度和连续性；同时促进了铸态组织的揉合，使锻件内外组织趋向均匀，减轻了锻件组织的偏析程，从组织上确保锻件在随后的调质热处理的淬火过程中，避免锻组织缺陷引发的淬火应力集中裂纹或由此而引起的淬火开裂，增强形状复杂锻件抵抗热处理热应力和组织应力的冲击能力。3.水冷-空冷两次循环交替间歇淬火的调质热处理工艺，可以保证在高温阶段水冷却达到快速降温以提高材料的力学性能，随后空冷减缓冷却速度，这样来回交替冷却，既保持了材料的力学性能，同时也能够最大限度地降低锻件热处理产生的热应力和组织应力，减少在过渡截面处引起的应力集中，防止了锻件的淬火开裂和内裂，同时也获得均匀细小淬火组织。4.本专利技术材料利用率高，耗能低(除回火外中间不需要本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种深海采油树关键部件用钢锻件的制造方法，其特征在于，采用特种钢材为原料，在中频电炉中冶炼成优质钢水，然后在液压机上进行液态模锻，并在1200℃进行脱模，脱模后立即采用自由锻+束缚锻终锻成型，具体步骤如下：（1）配料：采用F22合金钢和Fe‑Ga中间合金为原料，按重量10:1进行配料；（2）冶炼：采用中频电炉将原料冶炼成优质钢水；（3）液态模锻：将冶炼好的钢水倒入充满氮气的气压浇铸保温炉内进行保温；再将保温炉内钢水浇铸到液态模锻机模具中进行液态模锻，浇铸前要将模具进行预热至300~400℃，当坯件温度在1200℃时立即脱模；（4）终锻成型：将脱模后的高温坯件立即采用自由锻镦粗‑拔长‑二次镦粗‑二次拔长；然后再采用自由锻在径向束缚条件下镦粗‑拔长‑二次镦粗‑二次拔长；（5）性能热处理：利用束缚锻造后的锻坯温度进行水冷‑空冷交替循环两次淬火，然后再回火‑水冷，得到深海采油树关键部件用钢锻件。

【技术特征摘要】
1.一种深海采油树关键部件用钢锻件的制造方法，其特征在于，采用特种钢材为原料，
在中频电炉中冶炼成优质钢水，然后在液压机上进行液态模锻，并在1200℃进行脱模，脱模
后立即采用自由锻+束缚锻终锻成型，具体步骤如下：
（1）配料：采用F22合金钢和Fe-Ga中间合金为原料，按重量10:1进行配料；
（2）冶炼：采用中频电炉将原料冶炼成优质钢水；
（3）液态模锻：将冶炼好的钢水倒入充满氮气的气压浇铸保温炉内进行保温；再将保温
炉内钢水浇铸到液态模锻机模具中进行液态模锻，浇铸前要将模具进行预热至300~400℃，
当坯件温度在1200℃时立即脱模；
（4）终锻成型：将脱模后的高温坯件立即采用自由锻镦粗-拔长-二次镦粗-二次拔长；
然后再采用自由锻在径向束缚条件下镦粗-拔长-二次镦粗-二次拔长；
（5）性能热处理：利用束缚锻造后的锻坯温度进行水冷-空冷交替循环两次淬火，然后
再回火-水冷，得到深海采油树关键部件用钢锻件。
2.如权利要求1所述的一种深海采油树关键部件用钢锻件的制造方法，其特征在于：上
述步骤（2）中，钢水冶炼完毕后，进行吹氩净化。
3.如权利要求1所述的一种深海采油树关键部件用钢锻件的制造方法，其特征在于：上
述步骤（3）中，所述液态模锻机模具采用内层为高温合金的复合模具，浇铸过程中用循环水
冷却模具，通过调节冷却水流量、压力使模具温度控制在500℃以...

【专利技术属性】
技术研发人员：巨佳，王章忠，张保森，巴志新，毛向阳，毛麒童，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32