本發(fā)明涉及一種深海采油設(shè)備接頭用鋼及其鍛件的制造方法，屬于高性能的金屬材料加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
南海982屬于深海能源裝備制造，代表著一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力及整體制造技術(shù)水平。深海裝備常年處于高鹽、高壓、低溫、高沖擊等極其惡劣海況工作環(huán)境，因而要求鍛件產(chǎn)品具有高強(qiáng)度、耐腐、耐壓、高韌性(特別是低溫韌性)和抗沖擊性強(qiáng)、抗疲勞強(qiáng)等綜合性能。我國(guó)深海采油裝備技術(shù)研究才開始起步，目前主要采油用裝備基本依賴進(jìn)口。本產(chǎn)品的開發(fā)可以替代進(jìn)口、邁向國(guó)際，帶動(dòng)行業(yè)發(fā)展，將有利于帶動(dòng)我國(guó)深海能源裝備技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也為我國(guó)海洋裝備走向世界邁出堅(jiān)實(shí)步伐。也可帶動(dòng)鋼鐵行業(yè)內(nèi)涵發(fā)展，促進(jìn)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。目前我國(guó)鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能過剩，但還有許多高品質(zhì)特鋼又不能生產(chǎn)而依靠進(jìn)口，行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)矛盾較大。
采油設(shè)備接頭用鍛件的材料，主要有4130、f22、8630和f60等材料，主要用于深海閥體接頭、活塞桿接頭、閥蓋接頭等，目前世界上三大采油設(shè)備生產(chǎn)商很少用中國(guó)的鍛件生產(chǎn)深海采油設(shè)備接頭。原因是我們的鍛件質(zhì)量達(dá)不倒他們的產(chǎn)品要求，主要存在的問題是機(jī)械性能不過關(guān)以及材料內(nèi)部有疏松、微裂紋、晶粒粗大等缺陷，無法保證接頭在深海采油設(shè)備中的使用壽命。因此，期望一種新的深海采油設(shè)備接頭用鋼及其鍛造方法，使深海采油設(shè)備接頭的性能能夠滿足深海采油環(huán)境的需求，從而解決上述問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種新的深海采油設(shè)備接頭用鋼及其鍛造方法，制造的深海采油設(shè)備接頭用鋼鍛件的抗腐蝕性和綜合力學(xué)性能大幅度提高，材料內(nèi)部無疏松、微裂紋、晶粒粗大等缺陷，能很好地適用于深海低溫工況環(huán)境。
本發(fā)明提供一種深深海采油設(shè)備接頭用鋼，其特征在于，所述鋼各成分及其質(zhì)量百分比含量為：
本發(fā)明還提供了一種深海采油設(shè)備接頭用鋼鍛件的制造方法，其特征在于，包括以下步驟：
(1)鍛前處理：以上述核深海采油設(shè)備接頭用鋼為坯料，在坯料表面涂覆一層玻璃狀涂層，然后進(jìn)爐加熱至1150℃保溫3小時(shí)，以備鍛造；
(2)鍛造：
①采用自由鍛進(jìn)行初次鍛造得到一次鍛造坯，鍛造始鍛溫度為1150℃，終鍛溫度為900℃，鍛造比大于4∶1；
②然后采用多向模鍛再次進(jìn)行鍛造，得到二次鍛造坯，鍛造始鍛溫度為1200℃，終鍛溫度為950℃，鍛造比大于4∶1；
(3)鍛后熱處理：對(duì)步驟(2)得到的二次鍛造坯進(jìn)行正火處理；
(4)性能熱處理：
①對(duì)步驟(3)得到的二次鍛造坯采用緩-急-緩-急四段式梯度升溫方式升到1100℃，然后采用水冷-空冷多次循環(huán)交替淬火；
②對(duì)淬火后的二次鍛造坯采用回火-空冷-再回火-再空冷的二次回火處理，即得到所述深海采油設(shè)備接頭用鋼鍛件。
進(jìn)一步地，上述步驟(1)中所述玻璃狀涂層主要成分及其質(zhì)量百分比含量為：
進(jìn)一步地，上述步驟(2)中，步驟①的具體鍛造步驟為：采用自由鍛方式多次將坯料沿軸向鐓粗，沿直徑方向鐓拔。
進(jìn)一步地，上述步驟(2)中，步驟②的具體鍛造步驟為：將一次鍛造坯加熱至1200℃放入下半鍛造凹模中，然后采用壓力機(jī)將上半凹模壓下，直至上、下半凹模合攏；隨后側(cè)凸模隨凸?；瑝K向中心移動(dòng)對(duì)坯料向中心鐓擠成型，直至與上、下凹模接觸后才停止并保持4～14分鐘；最后上凹模以及側(cè)面凸模隨主滑塊回程，并由頂出機(jī)構(gòu)將鍛件頂出。
進(jìn)一步地，上述步驟(2)中，步驟②的多向模鍛的模具采用循環(huán)水冷卻，冷卻速率為12.5～50℃/min。
進(jìn)一步地，上述步驟(3)中，所述正火處理具體包括以下步驟：將步驟(2)得到的接頭鍛坯加熱至1000±20℃并保溫至少5～8小時(shí)后，出爐空冷至室溫。
進(jìn)一步地，上述步驟(4)中，步驟①緩-急-緩-急四段式梯度升溫方式的具體步驟為：以不高于50℃/h的溫度慢速升溫到550℃，并保溫4.5h；隨后以不低于150℃/h的速度快速升溫到850℃后，并保溫4h；然后以不高于50℃/h的速度慢速升溫到1000℃，并保溫4.5h；最后再以不低于200℃/h的速度快速升溫到1100℃，并保溫2h。
進(jìn)一步地，上述步驟(4)中，步驟①空冷-水冷三次循環(huán)交替間歇淬火工藝中入水冷卻時(shí)間t按照經(jīng)驗(yàn)公式t＝k×d來估算，式中，鋼鐵材料系數(shù)k為3～5s/mm，d為鍛件的直徑，單位為mm；空氣冷卻時(shí)間為入水冷卻時(shí)間的5.0～10.0倍，開始時(shí)淬火的水溫低于25℃，結(jié)束時(shí)淬火的水溫低于55℃。
進(jìn)一步地，上述步驟(4)中，上述步驟(4)中，步驟①利用所述交替淬火工藝進(jìn)行淬火熱處理的過程中，水冷時(shí)對(duì)水進(jìn)行攪拌處理，其中，水的攪拌流速不小于0.4m/s。
本發(fā)明的深海采油設(shè)備接頭用鋼及其鍛件的制造方法選用特殊鋼鐵材料，并將鍛造工藝和熱處理工藝組合起來，即自由鍛結(jié)合多向模鍛的復(fù)合鍛造工藝結(jié)合采用水冷-空冷多次循環(huán)間歇淬火的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，不僅有效地防止了形狀復(fù)雜的大鍛件淬火開裂，而且制造的深海采油設(shè)備接頭用鋼鍛件的抗腐蝕性和綜合力學(xué)性能尤其是低溫韌性大幅度提高，能很好地適用于深海低溫工況環(huán)境。
附圖說明
圖1為本發(fā)明制造方法獲得深海采油設(shè)備接頭用鋼鍛件的sem圖。晶界處為鍛造過程中形成的鐵鋯中間相，大部分鐵鋯中間相連續(xù)分布于晶界處，少量點(diǎn)狀鐵鋯中間相彌散分布于晶界周圍。
具體實(shí)施方式
根據(jù)本發(fā)明的深海采油設(shè)備接頭用鋼，所述鋼各成分及其質(zhì)量百分比含量為：
在本發(fā)明的方案中，深海采油設(shè)備接頭用鋼的各成分中，含有鉻、鎳和鉬元素，這在后期鍛造過程中能夠有效防止了形狀復(fù)雜的大鍛件的開裂，以及強(qiáng)化其低溫綜合力學(xué)性能尤其是低溫韌性，其中鉻含量較高，能夠有效形成鈍化膜，大幅增強(qiáng)鋼鐵材料的防腐蝕性能；鋼鐵成分中還特意添加了鋯元素，一方面鋯元素在晶界位置阻礙了晶粒的長(zhǎng)大，起到了細(xì)化晶粒作用，提高了合金的綜合力學(xué)性能，另一方面，在鍛造過程，由于鍛造所造成的高溫高壓條件使晶界處析出的鋯與鐵發(fā)生反應(yīng)，在晶界處形成大量的鐵鋯中間相，并且部分鐵鋯中間相被鍛造過程有效的揉碎均勻分布于鋼鐵材料內(nèi)部。鐵鋯中間相具有優(yōu)異的力學(xué)性能以及良好的耐腐蝕性，其在晶界及其周圍大量存在可以使鋼鐵材料的耐腐蝕性能和綜合力學(xué)性能得到了大幅提升。在確定鋼的主要成分和質(zhì)量比時(shí)，并不是僅僅在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)單添加鋯就能實(shí)現(xiàn)這樣的結(jié)果，而是需要在添加鋯之后，調(diào)整鋯元素與其他相應(yīng)元素的成分，使其在鍛造過程中能夠形成特定的晶體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，這都是需要付出大量的創(chuàng)造性勞動(dòng)才得以實(shí)現(xiàn)的。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實(shí)施例1：
(1)根據(jù)深海采油設(shè)備接頭的尺寸，選擇合適的鋼鐵坯料。所述鋼鐵材料包括以下質(zhì)量百分比(wt.％)的各組分：
根據(jù)所需要結(jié)構(gòu)件尺寸，選擇坯料，在坯料表面涂覆一層玻璃狀涂層，玻璃狀涂層主要成分為(wt.％)：45％sio2+5％al2o3+9.5％fe+0.5％a1+10％黏土+30％水玻璃。然后進(jìn)爐加熱至1150℃保溫3小時(shí)，以備鍛造。
在鋼鐵材料表面涂覆一層玻璃狀涂層，能在后繼熱鍛過程中有效的防止鋼鐵材料表面生成氧化皮，以及鍛造過程中材料表面碳元素的損失，使得鋼鐵材料的成分穩(wěn)定，性能得到保障。涂層中fe和al的質(zhì)量配為3∶1，其在高溫鍛造過程中會(huì)形成fe3al化合物，并隨著涂層覆蓋于材料表面，起到隔熱保溫作用，為鋯與鐵發(fā)生反應(yīng)提供有效的溫度保障。
(2)對(duì)步驟(1)得到的坯料采用自由鍛進(jìn)行初次鍛造得到一次鍛造坯；鍛造初始溫度為，鍛造始鍛溫度為1150℃，終鍛溫度為900℃，鍛造比大于4∶1。
(3)對(duì)步驟(2)得到的一次坯料采用多向模鍛進(jìn)行二次鍛造獲得二次鍛造坯；鍛造始鍛溫度為1200℃，終鍛溫度為950℃，鍛造比大于4∶1。鍛造過程中將一次鍛造坯加熱至1200℃放入下半鍛造凹模中，然后采用壓力機(jī)將上半凹模壓下，直上、下半凹模合攏；隨后側(cè)凸模隨凸模滑塊向中心移動(dòng)對(duì)坯料向中心鐓擠成型，直至與上、下凹模接觸后才停止并保持4分鐘；最后上凹模以及側(cè)面凸模隨主滑塊回程，并由頂出機(jī)構(gòu)將鍛件頂出。多向模鍛的模具采用循環(huán)水冷卻，冷卻速率為50℃/min
(4)對(duì)步驟(3)得到的二次鍛造坯進(jìn)行正火處理：加熱至980℃并保溫8小時(shí)后，出爐空冷至室溫。
(5)對(duì)步驟(4)得到的鍛造坯以50℃/h的溫度慢速升溫到550℃，并保溫4.5h；隨后以200℃/h的速度快速升溫到850℃后，并保溫4h；然后以50℃/h的速度慢速升溫到1000℃，并保溫4.5h；最后再以200℃/h的速度快速升溫到1100℃，并保溫2h。隨后采用四次空冷-水冷循環(huán)間歇淬火工藝進(jìn)行淬火熱處理；具體工藝為：水冷卻1分鐘30秒-空氣冷卻8分鐘0秒-水冷卻1分鐘30秒一空氣冷卻8分鐘0秒-水冷卻1分鐘30秒-空氣冷卻8分鐘0秒-水冷卻1分鐘30秒-空氣冷卻至室溫。
(6)對(duì)步驟(5)淬火后的二次鍛造坯采用回火-水冷-再回火-再水冷的二次回火處理，具體處理工藝為：一次回火溫度為650℃，保溫3h后，進(jìn)行水冷至常溫，再進(jìn)行二次回火，二次回火溫度為600℃，保溫3h后，進(jìn)行水冷至常溫，即得到所述深海采油設(shè)備接頭用鋼鍛件。
鍛造工藝采用自由鍛結(jié)合多向模鍛的復(fù)合鍛造工藝，在首次自由鍛的過程中將鋼鐵材料鐓實(shí)鐓透，降低鋼鐵材料在鑄造過程中形成的偏析、疏松和鎖孔，破碎材料內(nèi)部粗大枝狀晶，提高合金的力學(xué)性能和抗腐蝕能力；隨后再用多向模鍛鍛造過程中，進(jìn)一步，進(jìn)一步提高合金的綜合力學(xué)性能和抗腐蝕能力。采用復(fù)合鍛的目的是利用坯料變形方向變化多，鋼錠心部金屬向外流動(dòng)，有效地破碎了鋼錠中心的鑄態(tài)樹枝晶組織及粗大的中間相，促進(jìn)了組織的揉合，使組織趨向均勻，避免鍛造組織缺陷引發(fā)的淬火應(yīng)力集中裂紋或由此而引起的淬火開裂，增強(qiáng)形狀復(fù)雜鍛件抵抗熱處理熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的沖擊能力。
4.采用水冷-空冷多次循環(huán)間歇淬火的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，所采用的高溫階段水冷卻達(dá)到快速降溫以提高材料的力學(xué)性能，隨后的空冷減緩冷卻速度，既保持了材料的力學(xué)性能，同時(shí)也能夠最大限度地降低鍛件熱處理產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，避免了在深海采油設(shè)備接頭截面尺寸不同的圓與圓和圓與方的過渡截面處引起的應(yīng)力集中，防止了鍛件的淬火開裂和內(nèi)裂，同時(shí)也獲得均勻細(xì)小淬火組織。
實(shí)施例2：
(1)根據(jù)深海采油設(shè)備接頭的尺寸，選擇合適的鋼鐵坯料。所述鋼鐵材料包括以下質(zhì)量百分比(wt.％)的各組分：
根據(jù)所需要結(jié)構(gòu)件尺寸，選擇坯料，在坯料表面涂覆一層玻璃狀涂層，玻璃狀涂層主要成分為(wt.％)：45％sio2+5％al2o3+9.5％fe+0.5％al+10％黏土+30％水玻璃。然后進(jìn)爐加熱至1150℃保溫3小時(shí)，以備鍛造。
(2)對(duì)步驟(1)得到的坯料采用自由鍛進(jìn)行初次鍛造得到一次鍛造坯；鍛造初始溫度為，鍛造始鍛溫度為1150℃，終鍛溫度為900℃，鍛造比大于4∶1。
(3)對(duì)步驟(2)得到的一次坯料采用多向模鍛進(jìn)行二次鍛造獲得二次鍛造坯；鍛造始鍛溫度為1200℃，終鍛溫度為950℃，鍛造比大于4∶1。鍛造過程中將一次鍛造坯加熱至1200℃放入下半鍛造凹模中，然后采用壓力機(jī)將上半凹模壓下，直上、下半凹模合攏；隨后側(cè)凸模隨凸模滑塊向中心移動(dòng)對(duì)坯料向中心鐓擠成型，直至與上、下凹模接觸后才停止并保持10分鐘；最后上凹模以及側(cè)面凸模隨主滑塊回程，并由頂出機(jī)構(gòu)將鍛件頂出。多向模鍛的模具采用循環(huán)水冷卻，冷卻速率為32℃/min
(4)對(duì)步驟(3)得到的二次鍛造坯進(jìn)行正火處理：加熱至980℃并保溫8小時(shí)后，出爐空冷至室溫。
(5)對(duì)步驟(4)得到的鍛造坯以40℃/h的溫度慢速升溫到550℃，并保溫4.5h；隨后以250℃/h的速度快速升溫到850℃后，并保溫4h；然后以40℃/h的速度慢速升溫到1000℃，并保溫4.5h；最后再以250℃/h的速度快速升溫到1100℃，并保溫2h。隨后采用四次空冷-水冷循環(huán)間歇淬火工藝進(jìn)行淬火熱處理；具體工藝為：水冷卻1分鐘0秒-空氣冷卻7分鐘0秒-水冷卻1分鐘0秒-空氣冷卻10分鐘0秒-水冷卻1分鐘0秒-空氣冷卻10分鐘0秒-水冷卻1分鐘0秒-空氣冷卻至室溫。
(6)對(duì)步驟(5)淬火后的二次鍛造坯采用回火-水冷-再回火-再水冷的二次回火處理，具體處理工藝為：一次回火溫度為650℃，保溫3h后，進(jìn)行水冷至常溫，再進(jìn)行二次回火，二次回火溫度為600℃，保溫3h后，進(jìn)行水冷至常溫，即得到所述深海采油設(shè)備接頭用鋼鍛件。
實(shí)施例3：
(1)根據(jù)深海采油設(shè)備接頭的尺寸，選擇合適的鋼鐵坯料。所述鋼鐵材料包括以下質(zhì)量百分比(wt.％)的各組分：
根據(jù)所需要結(jié)構(gòu)件尺寸，選擇坯料，在坯料表面涂覆一層玻璃狀涂層，玻璃狀涂層主要成分為(wt.％)：45％sio2+5％al2o3+9.5％fe+0.5％al+10％黏土+30％水玻璃。然后進(jìn)爐加熱至1150℃保溫3小時(shí)，以備鍛造。
(2)對(duì)步驟(1)得到的坯料采用自由鍛進(jìn)行初次鍛造得到一次鍛造坯；鍛造初始溫度為，鍛造始鍛溫度為1150℃，終鍛溫度為900℃，鍛造比大于4∶1。
(3)對(duì)步驟(2)得到的一次坯料采用多向模鍛進(jìn)行二次鍛造獲得二次鍛造坯；鍛造始鍛溫度為1200℃，終鍛溫度為950℃，鍛造比大于4∶1。鍛造過程中將一次鍛造坯加熱至1200℃放入下半鍛造凹模中，然后采用壓力機(jī)將上半凹模壓下，直上、下半凹模合攏；隨后側(cè)凸模隨凸?；瑝K向中心移動(dòng)對(duì)坯料向中心鐓擠成型，直至與上、下凹模接觸后才停止并保持14分鐘；最后上凹模以及側(cè)面凸模隨主滑塊回程，并由頂出機(jī)構(gòu)將鍛件頂出。多向模鍛的模具采用循環(huán)水冷卻，冷卻速率為12.5℃/min
(4)對(duì)步驟(3)得到的二次鍛造坯進(jìn)行正火處理：加熱至980℃并保溫8小時(shí)后，出爐空冷至室溫。
(5)對(duì)步驟(4)得到的鍛造坯以45℃/h的溫度慢速升溫到550℃，并保溫4.5h；隨后以280℃/h的速度快速升溫到850℃后，并保溫4h；然后以45℃/h的速度慢速升溫到1000℃，并保溫4.5h；最后再以280℃/h的速度快速升溫到1100℃，并保溫2h。隨后采用四次空冷-水冷循環(huán)間歇淬火工藝進(jìn)行淬火熱處理；具體工藝為：水冷卻2分鐘0秒-空氣冷卻14分鐘0秒一水冷卻2分鐘0秒-空氣冷卻14分鐘0秒-水冷卻2分鐘0秒-空氣冷卻14分鐘0秒-水冷卻2分鐘0秒-空氣冷卻至室溫。
(6)對(duì)步驟(5)淬火后的二次鍛造坯采用回火-水冷-再回火-再水冷的二次回火處理，具體處理工藝為：一次回火溫度為650℃，保溫3h后，進(jìn)行水冷至常溫，再進(jìn)行二次回火，二次回火溫度為600℃，保溫3h后，進(jìn)行水冷至常溫，即得到所述深海采油設(shè)備接頭用鋼鍛件。
經(jīng)過上述制造方法獲得深海采油設(shè)備接頭用鋼鍛件綜合力學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)比：
表1深海采油設(shè)備接頭用鋼鍛件綜合力學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)比
由表1可知，上述3個(gè)實(shí)施例產(chǎn)品與國(guó)際技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行對(duì)比，本發(fā)明獲得的產(chǎn)品力學(xué)參數(shù)均遠(yuǎn)高于國(guó)際技術(shù)規(guī)范要求。與行業(yè)常規(guī)材料相比，實(shí)施例產(chǎn)品力學(xué)性能指標(biāo)均高于常規(guī)材料，尤其是其塑性和沖擊性能得到了大幅提升。采用本專利制造的深海采油設(shè)備接頭用鋼鍛件的綜合力學(xué)性能尤其是低溫韌性大幅度提高，能很好地適用于深海低溫工況環(huán)境。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。