CN114055092B - 高镍合金结构钢制作风洞超高压管件的方法 - Google Patents

高镍合金结构钢制作风洞超高压管件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高镍合金结构钢制作风洞超高压管件的方法，用电弧炉冶炼+真空精炼→电渣重熔→加热后5000吨油压机锻造成型→锻后退火→粗加工→双正火、回火+淬火+双回火→半精加去应力回火→精加至成品尺寸→连接接触面激光表面淬火→检验，可以有效解决性能不合、粗晶及成品弯曲不合格问题。

Description

高镍合金结构钢制作风洞超高压管件的方法
技术领域
本发明属于钢铁材料产品制造工艺技术领域，具体涉及一种对35CrNi3MoV或36CrNi3MoV材料大直径空心管件进行加工的高镍合金结构钢制作风洞超高压管件的方法，可以有效解决性能不合、粗晶及成品弯曲不合格问题。
背景技术
近年来，我国在载人航天与太空探索中也取得了一系列的辉煌成就，这些累累硕果离不开在研制过程中利用风洞对航天飞行器的大量模拟。风洞实验设备是利用人工方式产生并控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状设备。大型风洞是大型航天航空产品开发的基础设备。而风洞超高压管件是风洞实验设备四大主体部件之一，是由多节最少6000mm长管件连接组成，是风洞设备的原动力，其承受瞬间高温高压。风洞超高压管件特点为：使用承压高镍钢35CrNi3MoV或36CrNi3MoV生产，而且要求其晶粒度不小于6级，但其材料含镍高，晶粒度不易满足需要；要求屈服不小于895MPa、抗拉不小于1000MPa，但是该指标较高不易满足实际需要；要求成品加工后无应力变形，这是目前无法不易满足要求的技术缺陷；要求连接面拆卸过程耐磨无黏连的技术要求也不易满足。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种采取合理的生产工艺生产出满足风洞超高压管件设计要求的高镍合金结构钢制作风洞超高压管件的方法。
本发明目的是这样实现的： 一种高镍合金结构钢制作风洞超高压管件的方法，采用电弧炉冶炼+真空精炼→电渣重熔→加热后5000吨油压机锻造成型→锻后退火→粗加工→双正火、回火+淬火+双回火→半精加去应力回火→精加至成品尺寸→连接接触面激光表面淬火→检验，具体步骤如下：
步骤1）、冶炼：使用优质废钢或钢屑、返回钢料头、生铁或含镍生铁中的任意一种或几种原料混合进行电弧炉冶炼，控制出钢温度1590～1650℃；再进行氩气保护抽真空精炼，控制吊包温度1590～1650℃；检测熔炼成分符合要求后进行氩气保护浇注电极坯或使用立式连铸机连铸电极坯，开浇温度：1510～1580℃，之后进行电渣重熔；
步骤2）、锻造：管件成品内孔大于Φ500mm锻坯采用空心锻造，内孔小于Φ500mm锻坯采用实心锻造；加热炉加热，控制炉温1200～1300℃，锻造时始锻温度1100～1200℃，锻造期间控制终锻温度不小于680℃，修锻温度不小于640℃，确保锻比不小于3；
步骤3）、热处理：工件加热到750-850℃后进行均保温5小时，出炉冷却至400℃以下后，再次入炉加热至600-700℃后进行均保温不低于24小时后缓慢冷却至400℃以下；再次重复上次加热程序；之后淬火，即入炉加热至850-900℃后进行均保温5小时，吊出水淬油冷；再次连续两次回火，入炉加热至550-650℃后进行均保温10小时后缓慢冷却至450℃以下后空冷；
步骤4）、半精加：使用十米数控车床车工件外圆，使用十米深孔镗工件内孔，外圆、内孔相对成品尺寸在直径上留8mm余量，长度方向上留20mm余量；
步骤5）、去应力回火：用箱式加热炉加热至450-550℃进行均保温不低于24小时后缓慢冷却至300℃以下；
步骤6）、精加工：使用十米数控车床车工件外圆，使用十米深孔镗内孔，将工件按图纸精加工结束；
步骤7）、连接表面激光表面淬火：工件精加工结束后，使用不小于10KW功率的激光表面淬火设备，使用2000W-3000W功率，10-30mm长光斑，0.002-0.008速率对连接部位表面进行照射，提升表面硬度，确保表面硬度不小于48HRC。
在步骤1）中，进行电弧炉冶炼时不允许配入杂乱废钢、油钢屑；在电渣重熔时，清理好电极坯表面，使用20吨电渣炉电渣重熔，热态引燃，平均熔化率控制范围930～1210kg/h；电渣锭冷却后进行超探检测，查看内部无裂纹缺陷。
在步骤2）中，锻造时，使用5000吨油压机镦粗，始锻温度1100～1200℃，在上下平砧上拔长，上平板下平台拔长四道次，再宽砧拔长，压下量不小于25%，注意错砧、搭砧，倒八方；再次镦粗，针对空心锻造时进行冲孔扩孔、拔长、修锻至锻造图纸要求尺寸，期间控制终锻温度不小于680℃，修锻温度不小于640℃。
在进行步骤3）之前还对工件进行粗加工：使用十米重型车床粗加工工件的外圆，使用十米深孔镗床套镗工件的内孔，外圆、内孔相对成品尺寸直径上留20mm余量，长度方向上留20mm余量。
本发明具有如下有益效果：依据本发明可生产出符合设计要求的高镍合金结构钢制作风洞超高压管件，解决了使用承压高镍钢35CrNi3MoV或36CrNi3MoV生产管件，晶粒度不易满足问题；解决了管件要求较高屈服、抗拉不易满足问题；解决了成品加工后易产生应力变形问题；解决连接面拆卸过程不耐磨、黏连问题。通过本方法进行加工，不仅使产品质量得到保证，而且生产效率高、生产工艺经济、科学。
附图说明
图1 为本发明的高镍合金结构钢风洞超高压管件一个典型代表产品简图，内孔直线度要求为全长不大于0.1mm，连接面为7°斜面，长度6000mm。
图2为典型代表产品锻造尺寸图。
图3 为典型代表产品粗加尺寸图。
图4 为典型代表产品半精加尺寸图。
具体实施方式
本发明提供了一种高镍合金结构钢制作风洞超高压管件的方法，其生具体生产流程为：电弧炉冶炼+真空精炼→电渣重熔→加热后5000吨油压机双次镦粗、拔长、锻造成型→锻后退火→校直→表面检验、下料、理化检测（低倍、超声波探伤）→粗加工→理化检测（超声波探伤、磁粉探伤）→双正火、回火+淬火+双回火→理化检测（晶粒度、力学性能、超声波探伤）→半精加+去应力回火→精加至成品尺寸→连接接触面激光表面淬火→磁粉检测、尺寸检验。
其主工序控制要求如下：
步骤1）、冶炼：使用优质废钢或钢屑、返回钢料头、生铁（或含镍生铁）等任意一种或几种组成，不允许配入杂乱废钢、油钢屑，进行电弧炉冶炼，控制出钢温度1590～1650℃；再进行氩气保护抽真空精炼，控制吊包温度1590～1650℃，检测熔炼成分符合要求后进行氩气保护浇注电极坯或使用立式连铸机连铸电极坯，开浇温度：1510～1580℃。清理好电极坯表面，使用20吨电渣炉电渣重熔，热态引燃，平均熔化率控制范围930～1210kg/h。电渣锭冷却后进行超探检测，查看内部无裂纹等严重缺陷。这样确保获得高纯净、致密钢锭，为后续生产打下基础。
步骤2）、锻造：管件成品内孔大于Φ500mm锻坯采用空心锻造，内孔小于Φ500mm锻坯采用实心锻造；加热炉加热，控制炉温1200～1300℃，取出，使用5000吨油压机镦粗，始锻温度1100～1200℃，在上下平砧上拔长，上平板下平台拔长四道次，再宽砧拔长，压下量不小于25%，注意错砧、搭砧，倒八方；再次镦粗、冲孔扩孔Ø420～Ø460mm（空心锻造执行此工序），拔长、修锻至锻造图纸要求尺寸，期间控制终锻温度不小于680℃，修锻温度不小于640℃，注意控温。这样确保锻比不小于3，获得细晶粒锻坯，同时为性能热处理打下基础。
步骤3）、粗加工：使用十米重型车床粗加外圆，使用十米深孔镗床套镗内孔，粗加尺寸控制要求，外圆、内孔相对成品尺寸直径上留20mm余量，长度方向上留20mm余量。
步骤4）、热处理：工件加热到750-850℃后进行均保温5小时，出炉冷却至400℃以下后，再次入炉加热至600-700℃后进行均保温不低于24小时后缓慢冷却至400℃以下。再次重复上次加热程序；之后淬火，即入炉加热至850-900℃后进行均保温5小时，吊出水淬油冷；再次连续两次回火，入炉加热至550-650℃后进行均保温10小时后缓慢冷却至450℃以下后空冷。这样可以获得细晶粒组织，满足晶粒度不小于6级的需求，同时获得良好的力学性能。
步骤5）、半精加：使用十米数控车床车工件外圆，使用十米深孔镗内孔，半精加尺寸控制要求，外圆、内孔相对成品尺寸，直径上留8mm余量，长度方向上留20mm余量。
步骤6）、去应力回火：用箱式加热炉加热至450-550℃进行均保温不低于24小时后缓慢冷却至300℃以下。此工序目的是释放工件内部加工应力，确保后续精加工后不变形。
步骤7）、精加工：使用十米数控车床车工件外圆、使用十米深孔镗内孔，将工件按图纸精加工结束。
步骤8）、连接表面激光表面淬火：将工件按图纸精加工结束后，使用不小于10KW功率的激光表面淬火设备，使用2000W-3000W功率，10-30mm长光斑，0.002-0.008速率对连接部位表面进行照射，提升表面硬度，确保表面硬度不小于48HRC。随着硬度的提升，确保连接面耐磨，不黏连，同时不降低韧性。
其中，锻造、粗加、半精加尺寸留量控制：半精加尺寸，要求外圆、内孔相对成品尺寸，直径上留8mm余量，长度方向上留20mm余量；粗加尺寸，要求外圆、内孔相对成品尺寸，直径上留20mm余量，长度方向上留20mm余量；锻造尺寸，要求外圆、内孔相对粗加尺寸，直径上留30mm余量，长度方向上留30mm余量。
实施例1：生产一批高镍合金结构钢风洞超高压管件：以制造φ520mm内径规格的管件为例，如图1所示，要求内孔直线度要求为全长不大于0.1mm，连接面为7°斜面，工件长度6000mm，使用材料为35CrNi3MoV，主要要求为晶粒度不小于6级，屈服不小于960MPa，抗拉1070-1230MPa。
通过全面考虑，该管件实际生产制造流程为：电弧炉冶炼+真空精炼→电渣重熔→加热后5000吨油压机双次镦粗、拔长、锻造成型→锻后退火→校直→表面检验、下料、理化检测（低倍、超声波探伤）→粗加工→理化检测（超声波探伤、磁粉探伤）→双正火、回火+淬火+双回火→理化检测（晶粒度、力学性能、超声波探伤）→半精加+去应力回火→精加至成品尺寸→连接接触面激光表面淬火→磁粉检测、尺寸检验。其生产中主工序实际实施情况：
步骤1）、冶炼：使用优质返回钢料头+生铁，进行电弧炉冶炼，控制出钢温度1600±10℃；再进行氩气保护抽真空精炼，控制吊包温度1600±10℃，检测熔炼成分符合要求后进行氩气保护浇注电极坯，开浇温度：1560±10℃。清理好电极坯表面，使用20吨电渣炉电渣重熔，热态引燃，平均熔化率控制范围990～1010kg/h。电渣锭冷却后进行超探检测，内部无裂纹。
步骤2）、锻造：管件成品内孔大于Φ500mm，锻坯采用空心锻造，锻造尺寸控制按图2所示。锻造加热时控制炉温1250～1280℃，使用5000吨油压机镦粗，始锻温度1150～1200℃，在上下平砧上拔长，上平板下平台拔长四道次，再宽砧拔长，压下量不小于25%，注意错砧、搭砧，倒八方；再次镦粗、冲孔扩孔Ø420～Ø460mm，拔长、修锻至图2尺寸，控制终锻温度不小于680℃，修锻温度不小于640℃。
步骤3）、粗加：使用十米重型车床粗加外圆，使用十米深孔镗床套镗内孔，按图3控制尺寸。
步骤4）、热处理：工件加热到840±10℃后进行均保温5小时，出炉冷却至350℃后，再次入炉加热至650±10℃后进行均保温30小时后缓慢冷却至350℃。再次重复上次加热程序；之后淬火，即入炉加热至880±10℃后进行均保温5小时，吊出水淬油冷。再次连续两次回火，入炉加热至600±10℃后进行均保温10小时后缓慢冷却至350℃后空冷；切取试片检测，晶粒度7级，屈服,970MPa、抗拉1090MPa，力学性能良好。
步骤5）、半精加：使用十米数控车床车工件外圆、使用十米深孔镗内孔，按图3控制尺寸。
步骤6）、去应力回火：入箱式加热炉加热至500±10℃进行均保温30小时后缓慢冷却至250℃，空冷；。释放工件内部加工应力。
步骤7）、精加工：使用十米数控车床车工件外圆、使用十米深孔镗内孔，将工件按图纸精加工结束，精加工后无变形。
步骤8）、连接表面激光表面淬火：使用30KW功率的激光表面淬火设备，使用2800W功率，30mm长光斑，0.006速率对连接部位表面进行照射，提升表面硬度，确保表面硬度不小于48HRC。
使用本方法生产产品，交付到客户处使用，未发生质量问题。

Claims (4)

1.一种高镍合金结构钢制作风洞超高压管件的方法，其特征在于：采用电弧炉冶炼+真空精炼→电渣重熔→加热后5000吨油压机锻造成型→锻后退火→粗加工→双正火、回火+淬火+双回火→半精加去应力回火→精加至成品尺寸→连接接触面激光表面淬火→检验，具体步骤如下：
步骤1）、冶炼：使用优质废钢或钢屑、返回钢料头、生铁或含镍生铁中的任意一种或几种原料混合进行电弧炉冶炼，控制出钢温度1590～1650℃；再进行氩气保护抽真空精炼，控制吊包温度1590～1650℃；检测熔炼成分符合要求后进行氩气保护浇注电极坯或使用立式连铸机连铸电极坯，开浇温度：1510～1580℃，之后进行电渣重熔；
步骤2）、锻造：管件成品内孔大于Φ500mm锻坯采用空心锻造，内孔小于Φ500mm锻坯采用实心锻造；加热炉加热，控制炉温1200～1300℃，锻造时始锻温度1100～1200℃，锻造期间控制终锻温度不小于680℃，修锻温度不小于640℃，确保锻比不小于3；
步骤3）、热处理：工件加热到750-850℃后进行均保温5小时，出炉冷却至400℃以下后，再次入炉加热至600-700℃后进行均保温不低于24小时后缓慢冷却至400℃以下；再次重复上次加热程序；之后淬火，即入炉加热至850-900℃后进行均保温5小时，吊出水淬油冷；再次连续两次回火，入炉加热至550-650℃后进行均保温10小时后缓慢冷却至450℃以下后空冷；
步骤4）、半精加：使用十米数控车床车工件外圆，使用十米深孔镗床镗工件内孔，外圆、内孔相对成品尺寸在直径上留8mm余量，长度方向上留20mm余量；
步骤5）、去应力回火：用箱式加热炉加热至450-550℃进行均保温不低于24小时后缓慢冷却至300℃以下；
步骤6）、精加工：使用十米数控车床车工件外圆，使用十米深孔镗床镗内孔，将工件按图纸精加工结束；
步骤7）、连接表面激光表面淬火：工件精加工结束后，使用不小于10KW功率的激光表面淬火设备，使用2000W-3000W功率，10-30mm长光斑，对连接部位表面进行照射，提升表面硬度，确保表面硬度不小于48HRC。
2.根据权利要求1所述的一种高镍合金结构钢制作风洞超高压管件的方法，其特征在于：在步骤1）中，进行电弧炉冶炼时不允许配入杂乱废钢、油钢屑；在电渣重熔时，清理好电极坯表面，使用20吨电渣炉电渣重熔，热态引燃，平均熔化率控制范围930～1210kg/h；电渣锭冷却后进行超探检测，查看内部无裂纹缺陷。
3.根据权利要求1所述的一种高镍合金结构钢制作风洞超高压管件的方法，其特征在于：在步骤2）中，锻造时，使用5000吨油压机镦粗，始锻温度1100～1200℃，在上下平砧上拔长，上平板下平台拔长四道次，再宽砧拔长，压下量不小于25%，注意错砧、搭砧，倒八方；再次镦粗，针对空心锻造时进行冲孔扩孔Ø420～Ø460mm，拔长、修锻至锻造图纸要求尺寸，期间控制终锻温度不小于680℃，修锻温度不小于640℃。
4.根据权利要求1所述的一种高镍合金结构钢制作风洞超高压管件的方法，其特征在于：在进行步骤3）之前还对工件进行粗加工：使用十米重型车床粗加工工件的外圆，使用十米深孔镗床套镗工件的内孔，外圆、内孔相对成品尺寸直径上留20mm余量，长度方向上留20mm余量。
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