CN102251084B - 深海采油设备液压缸用钢锻件性能热处理工艺 - Google Patents

Abstract

一种深海采油设备液压缸用钢锻件性能热处理工艺，步骤①：以马氏体沉淀硬化型不锈钢为15-5PH液压缸钢锻件材料，马氏体沉淀硬化型不锈钢包括碳、硅、锰、铬、镍、铜、铌、磷及硫，其质量百分比为，碳0.04%～0.07%、硅0.001%～0.60%、锰0.80%～1.00%、铬14.00%～14.50%、镍5.00%～5.50%、铜2.50%～4.00%、铌0.15%～0.25%，磷≤0.035%、硫≤0.025%，并且，铬当量为14.08%～15.52%，镍当量为6.60%～8.10%，步骤②：将锻件加热至1060±5℃，保温180分钟，出炉油冷至32℃以下，步骤③：再将锻件加热至620±5℃，保温360分钟，出炉空冷至室温，步骤④：将步骤③处理的液压缸锻件加热至1040±5℃，保温140分钟，出炉油冷至32℃以下，步骤⑤：将锻件加热至580±5℃，保温360分钟，出炉空冷至室温。

Description

深海采油设备液压缸用钢锻件性能热处理工艺

技术领域：

本发明属于深海采油设备液压缸用钢锻件的生产技术领域，特别涉及一种马氏体沉淀硬化不锈钢15-5PH锻件的性能热处理工艺。

背景技术：

液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。它结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。液压缸也广泛应用于海洋油气开采系统，如海上采油平台液压抽油机、海洋石油平台水下夹桩器、液压缸深海取芯钻机、井下液压增压器、防喷器的液控系统、修井水龙头拆卸器等。

由于深海采油设备液压缸的特殊工作环境，液压缸的材质规定为沉淀硬化型马氏体不锈钢15-5PH。155PH的合金元素Cr、Ni含量高，锻造温度范围窄，锻件组织中含有易产生锻造裂纹的高温相δ铁素体等，增加了锻件的锻造成型难度。发明专利“深海采油设备液压缸用钢锻件锻坯制造工艺”针对上述问题，采用15-5PH钢的化学成分优化与改变常规锻造工艺的组合，成功地锻造出压实锻透的液压缸锻件锻坯。但是该专利因15-5PH的锻造特性，防止终锻温度偏低出现锻造裂纹，终锻温度仍引用常规锻造工艺中980℃的较高终锻温度。终锻温度高，锻坯的显微组织会出现不同程度的粗晶、混晶。此外，针对大截面锻件（540×378×152mm）在实际成型条件下，内部变形分布极不均匀，在一定的应变速率和温度条件下，一部分满足发生动态再结晶的变形区域可以在变形过程中发生动态再结晶，其它区域则由于变形量小，不满足发生动态再结晶条件而不能发生动态再结晶。由此导致不同区域的晶粒尺寸大小不一，特别是在终锻温度较高的情况下，已再结晶区域的晶粒会发生异常长大，形成锻件中的粗晶和混晶组织，将严重影响锻件性能热处理后的力学性能。

由于液压缸服役的海洋油气工况条件恶劣，缸内壁需抗磨损，要求强度高韧性好，尤其是低温韧性,客户要求-18℃夏比V型缺口冲击功AKv≧20J。因此，以ASTM A564中牌号XM-12(等同15-5PH)/H1075状态(1040℃固溶处理+580℃时效处理)的性能热处理工艺制造海洋油气开采系统中应用的液压缸，其显微组织和综合力学性能难以满足要求，也无法适用于恶劣的工况条件。

发明内容：

本发明的目的就在于克服现有锻件锻坯的显微组织不足，提供一种深海采油设备液压缸用钢锻件性能热处理工艺，按此工艺能够有效地改善液压缸用钢锻件的显微组织，提高锻件的综合力学性能，尤其是低温冲击韧性和屈服强度且工艺质量稳定。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种深海采油设备液压缸用钢锻件的性能热处理工艺，包括以下步骤：

步骤①：以马氏体沉淀硬化型不锈钢为15-5PH液压缸钢锻件材料，所述的马氏体沉淀硬化型不锈钢包括碳、硅、锰、铬、镍、铜、铌、磷及硫，其质量百分比为，碳0.04%～0.07%、硅0.001%～0.60%、锰0.80%～1.00%、铬14.00%～14.50%、镍5.00%～5.50%、铜2.50%～4.00%、铌0.15%～0.25%，磷≤0.035%、硫≤0.025%，并且，铬当量为14.08%～15.52%，镍当量为6.60%～8.10%，

步骤②：将经机械粗加工的15-5PH液压缸锻件置入井式电阻加热炉中加热至1060±5℃，并在此温度范围保温180分钟，出炉油冷至32℃以下，

步骤③：将步骤②经固溶处理的液压缸锻件置入井式电阻回火炉中加热至620±5℃，并在此温度范围保温360分钟，出炉空冷至室温，

步骤④：步骤③经时效处理的液压缸锻件置入井式电阻加热炉中加热至1040±5℃，并在此温度范围保温140分钟，出炉油冷至32℃以下，

步骤⑤：将步骤④经固溶处理的液压缸锻件置入井式电阻回火炉中加热至580±5℃，并在此温度范围保温360分钟，出炉空冷至室温。

本发明的优点及积极效果是：

本发明采用两次固溶+时效的性能热处理工艺，第一次固溶+时效热处理作为第二次固溶+时效热处理的预备热处理，减少了液压缸锻件的锻态混晶和粗晶组织，改善了第二次固溶+时效热处理之前的组织状态，有利于第二次固溶+时效热处理获得均匀细小显微组织，提升锻件综合力学性能。

本发明第一次固溶热处理奥氏体化加热温度提高至1060℃，增加了钢中合金元素扩散的热力学条件，使钢中合金元素分布趋于均匀，降低了因微观成分偏析对显微组织的不良影响，高温奥氏体经油冷转变为组织较均匀的马氏体+少量残余奥氏体；

本发明第一次时效处理温度提高至620℃，获得了最大逆转变奥氏体量，逆转变奥氏体的体积百分比约为11.2%左右。由于逆变奥氏体形成优先在马氏体板条束间和原奥氏体晶界处形核长大，形成薄的片层状逆变奥氏体。其次是由于时效温度较高，缩短了碳化物析出的孕育期，有利于NbC、M23C6碳化物大量弥散析出和时效硬化相ε-Cu粒子的沉淀析出。因此，时效处理后的组织除为回火马氏体和弥散分布在马氏体基体中的片层状逆变奥氏体外，还富含NbC、M23C6等碳化物和ε-Cu沉淀相。弥散分布的片层状逆变奥氏体，在第二次固溶处理奥氏体化加热过程中作为奥氏体的形核质点，显著地增加了奥氏体的形核质点数量。奥氏体形核数量增加意味着奥氏体晶粒尺寸减小，从而细化了第二次固溶处理的奥氏体晶粒。与此同时，未溶NbC、M23C6等碳化物和ε-Cu沉淀相能有效阻止高温奥氏体晶界迁移，防止固溶处理奥氏体化加热与等温过程的晶粒长大。

本发明第二次固溶+时效热处理为最终性能热处理，固溶处理奥氏体化加热温度、时效处理等温温度依照A564∕A564M中牌号XM-12/H1075状态要求，分别为1040℃和580℃。固溶处理奥氏体化保温时间缩短为120分钟，进一步防止高温奥氏体晶粒粗化，确保固溶处理处理后获得均匀细小的马氏体+少量残余奥氏体组织。

概括之，本发明是通过双固溶+时效的性能热处理工艺，有效地改善液压缸用钢锻件的显微组织，提高锻件的综合力学性能，尤其是低温冲击韧性和屈服强度且工艺质量稳定。另外，本发明专利的热处理工艺稳定，具有较好的可重复性。

附图说明

图1为本发明实施例的热处理曲线图；

图2为本发明试验研究的不同时效温度对应的逆转变奥氏体体积含量曲线图；

图3为液压缸锻件的锻态金相组织图（100×）；

图4为液压缸锻件的锻态金相组织图（500×）；

图5为比较例的金相组织图（100×）；

图6为比较例的金相组织图（500×）；

图7为实施例1的金相组织图（100×）；

图8为实施例1的金相组织图（500×）。

具体实施方式：

采用两种不同的固溶时效热处理工艺方法如下：

比较例（工艺号A）：普通固溶时效热处理工艺；

实施例1（工艺号B）：本发明所述的固溶时效热处理工艺；

实施例2（工艺号C）：本发明所述的固溶时效热处理工艺。

比较例（工艺号A）具体步骤如下：

步骤A①：将经机械粗加工的15-5PH液压缸锻件置入井式电阻加热炉中加热至1040±5℃，并在此温度范围保温180分钟(保温时间按锻件有效厚度每2.54cm（每英寸）30分钟计算)，出炉油冷至32℃以下，

步骤A②：将步骤①经固溶处理的液压缸锻件置入井式电阻回火炉中加热至580±5℃，并在此温度范围保温360分钟(保温时间按锻件有效厚度每2.54cm（每英寸）60分钟计算)，出炉空冷至室温，

步骤A③：在液压缸锻件延长体部分取试样进行力学性能试验和金相显微组织分析，力学性能试验数据见表1中的比较例，金相显微组织见图5和图6，

实施例1（工艺号B）具体步骤如下：

步骤B①：将经机械粗加工的15-5PH液压缸锻件置入井式电阻加热炉中加热至1060±5℃，并在此温度范围保温180分钟(保温时间按锻件有效厚度每2.54cm（每英寸）30分钟计算)，出炉油冷至32℃以下，

步骤B②：在经步骤B①固溶处理的液压缸锻件的延长体部分取试样分别进行500℃、550℃、600℃、650℃、700℃时效处理，时效处理保温时间按锻件有效厚度每2.54cm（每英寸）60分钟计算，

步骤B③：将步骤B②时效处理的试样分别经X射线衍射累积强度进行逆转变奥氏体定量分析，分析结果见图2，

步骤B④：步骤B①固溶处理的液压缸锻件置入井式电阻回火炉中加热至620±5℃，并在此温度范围保温360分钟(保温时间按锻件有效厚度每2.54cm（每英寸）60分钟计算)，出炉空冷至室温，

步骤B⑤：将步骤B④经时效处理的液压缸锻件置入井式电阻加热炉中加热至1040±5℃，并在此温度范围保温140分钟(保温时间按锻件有效厚度每2.54cm（每英寸）30分钟计算，计算值减去40分钟)，出炉油冷至32℃以下，

步骤B⑥：将步骤B⑤经固溶处理的液压缸锻件置入井式电阻回火炉中加热至580±5℃，并在此温度范围保温360分钟(保温时间按锻件有效厚度每2.54cm（每英寸）60分钟计算)，出炉空冷至室温，

步骤B⑦：在经步骤B⑤时效处理液压缸锻件延长体部分取试样进行力学性能试验和金相显微组织分析，力学性能试验数据见表1中的实施例1，金相显微组织见图7和图8，

实施例2（工艺号C）具体步骤如下：

步骤C①：将经机械粗加工的15-5PH液压缸锻件置入井式电阻加热炉中加热至1050±5℃，并在此温度范围保温180分钟(保温时间按锻件有效厚度每2.54cm（每英寸）30分钟计算)，出炉油冷至32℃以下，

步骤C②：步骤B①固溶处理的液压缸锻件置入井式电阻回火炉中加热至610℃，并在此温度范围保温360分钟(保温时间按锻件有效厚度每2.54cm（每英寸）60分钟计算)，出炉空冷至室温，

步骤C③：将步骤C②经时效处理的液压缸锻件液压缸锻件置入井式电阻加热炉中加热至1040±5℃，并在此温度范围保温120分钟(保温时间按锻件有效厚度每2.54cm（每英寸）30分钟，计算值减去60分钟)，出炉油冷至32℃以下，

步骤C④：将步骤C③固溶处理的液压缸锻件置入井式电阻回火炉中加热至580℃，并在此温度范围保温360分钟(保温时间按锻件有效厚度每2.54cm（每英寸）60分钟计算)，出炉空冷至室温，

步骤C⑤：在经步骤C④时效处理液压缸锻件延长体部分取试样进行力学性能试验，力学性能试验数据见表1中的实施例2

所述步骤B①，其目的是：

步骤B①是双固溶+时效处理工艺的第一次固溶热处理，锻件在固溶奥氏体化加热过程中由马氏体转变在奥氏体，即发生相变再结晶。利用相变再结晶初步改善了锻态粗晶和混晶组织，有利于第二次性能热处理获得均匀细小的细晶组织。固溶奥氏体化加热温度提高至1060℃，增加了钢中合金元素扩散的热力学条件，使钢中合金元素分布趋于均匀，降低了因微观成分偏析对显微组织的不良影响，奥氏体转变经油冷为组织较均匀的马氏体+少量残余奥氏体。

所述步骤B②，其目的是：

通过对不同时效温度对应的逆转变奥氏体含量测定，确定了步骤B③时效处理获取最大含量逆转变奥氏体的最佳时效温度范围为615～625℃。

所述步骤B④，其目的是：

根据图2，时效处理温度提高至620℃，获得了最大逆转变奥氏体的含量，逆转变奥氏体的体积百分比为11.2%左右。由于逆变奥氏体形成优先在马氏体板条束间隙和原奥氏体晶界处形核长大，形成小薄片层状逆变奥氏体。其次是由于时效温度较高，缩短了碳化物析出的孕育期，有利于NbC、M23C6碳化物大量弥散析出和时效硬化相ε-Cu粒子的弥散沉淀析出。因此，时效处理后的组织除为回火马氏体和弥散分布在马氏体基体中的片层状逆变奥氏体外，还富含NbC、M23C6等碳化物和ε-Cu沉淀相。弥散分布的片层状逆变奥氏体在第二次性能固溶处理奥氏体化加热过程中作为奥氏体的形核质点，显著地增加了奥氏体的形核质点数量。奥氏体形核数量增加意味着奥氏体晶粒尺寸减小，从而进一步细化了第二次固溶处理的奥氏体晶粒。与此同时，未熔NbC、M23C6等碳化物和ε-Cu沉淀相能有效阻止高温奥氏体晶界迁移，防止第二次性能固溶处理奥氏体化加热与等温过程的晶粒长大。

表1 15-5PH综合力学性能试验数据

结果综合分析

15-5PH属于马氏体沉淀硬化型不锈钢，为防止终锻温度偏低出现锻造裂纹，终锻温度高达980℃。终锻温度高，锻坯的显微组织会出现不同程度的粗晶、混晶致使显微组织粗大不均匀，为马氏体+贝氏体+少量残余奥氏体，见图3、图4。

本发明的比较例采用常规性能热处理工艺，即ASTM A564中牌号XM-12/H1075状态性能时效热处理工艺，1040℃固溶处理+580℃时效处理，力学性能达不到ASTM A564的要求，如屈服强度仅接近标准要求值的下限，尤其是低温冲击韧性相差较多，见表1的比较例。通常，材料的性能好坏取决于组织，由图5、图6可知，常规性能热处理工艺未能完全消除锻态组织缺陷，性能热处理后的显微组织存在明显的锻态组织缺陷遗传，如显微组织为粗大不均匀的马氏体+少量残余奥氏体，晶粒粗大、混晶等。因此，晶粒混晶和组织粗大不均匀必然会增加材料的组织应力，降低综合力学性能。

本发明采用双固溶时效处理工艺，第一次固溶+时效热处理作为第二次固溶+时效热处理的预备热处理，减少了液压缸锻件的锻态粗晶和混晶组织，改善了第二次固溶+时效热处理之前的组织状态，最终获得了均匀细小的马氏体+少量残余奥氏体显微组织，见图7、图8。由细晶强化韧原理及霍尔-佩奇公式：σs=σ+Kyd^-1/2可知，晶粒细小，不仅能提高材料的屈服强度，而且还能提高材料的韧性，使材料获得高的强韧性。因此，本发明热处理工艺使锻件获得了良好的综合力学性能和最佳的强韧性配合，屈服强度和低温冲击韧性均明显高于ASTM A564的要求，见表1中实施例1。

本发明实施例2工艺是在实施例1的基础上，将第一次固溶、时效温度分别下调10℃，第二次固溶保温时间缩短至120分钟，锻件的力学性能（见表1中实施例2）与实施例1的力学性能数据吻合较好，表明本发明工艺稳定可靠。以此热处理工艺处理的深海采油设备液压缸用钢锻件，确实能很好适用于如深海这样的低温工况环境。同时，也可为技术开发同类马氏体沉淀硬化不锈锻件的热处理工艺借鉴应用。

以上所述，仅为本发明具体实施例，但不能以此限定本发明实施的范围，即凡依照本发明申请专利范围及说明书内容所作的等同、变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (1)

1.一种深海采油设备液压缸用钢锻件性能热处理工艺，其特征在于，

步骤①：以马氏体沉淀硬化型不锈钢为15-5PH液压缸钢锻件材料，所述的马氏体沉淀硬化型不锈钢由碳、硅、锰、铬、镍、铜、铌、磷、硫及铁组成，其质量百分比为，碳0.04%～0.07%、硅0.001%～0.60%、锰0.80%～1.00%、铬14.00%～14.50%、镍5.00%～5.50%、铜2.50%～4.00%、铌0.15%～0.25%，磷≤0.035%、硫≤0.025%，并且，铬当量为14.08%～15.52%，镍当量为6.60%～8.10%，余量为Fe，

步骤②：将经机械粗加工的15-5PH液压缸锻件置入井式电阻加热炉中加热至1060±5℃，并在此温度范围保温180分钟，出炉油冷至32℃以下，

步骤③：将步骤②经固溶处理的液压缸锻件置入井式电阻回火炉中加热至620±5℃，并在此温度范围保温360分钟，出炉空冷至室温，

步骤④：步骤③经时效处理的液压缸锻件置入井式电阻加热炉中加热至1040±5℃，并在此温度范围保温140分钟，出炉油冷至32℃以下，

步骤⑤：将步骤④经固溶处理的液压缸锻件置入井式电阻回火炉中加热至580±5℃，并在此温度范围保温360分钟，出炉空冷至室温。

Images