一种17-4PH石油阀块及其制备方法和应用

一种17-4ph石油阀块及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明涉及一种17-4ph石油阀块及其制备方法和应用，属于不锈钢技术领域。


背景技术：

2.石油阀块所用的不锈钢是17-4ph沉淀硬化马氏体不锈钢，马氏体沉淀硬化不锈钢具有不稳定的奥氏体组织，固溶处理后产生马氏体相变，其机械性能是通过时效处理来调整的。
3.石油阀块的性能要求高，工件的尺寸较大，最小的横截面尺寸为：550mm
×
500mm，在制备石油阀块的生产过程中对于处理工件的方式很苛刻，大工件的变形量有限，变形难度大，动态再结晶程度较低，以及性能处理时工艺参数的设定难以掌握。针对以上该问题，本发明提供了一种17-4ph石油阀块及其制备方法和应用，以满足石油阀块最终的使用性能。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是，本发明提供一种晶粒度细化的、满足石油阀块的工作性能要求的17-4ph石油阀块。
5.同时，本发明提供一种17-4ph石油阀块的制备方法，通过该法改善17-4ph石油阀块制备过程中晶粒度的粗化，性能热处理时工艺参数可操作性强，满足石油阀块使用时强度和良好塑韧性的配合(rm≥1000mpa，-46℃kv2≥25j)以及较好的耐晶间腐蚀性。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
7.一种17-4ph石油阀块，包括以下成分，以质量百分比wt％计，c：0.035～0.05、si：≤0.5、mn：0.6～1.0、s：≤0.005、p：≤0.01、cr：14.0～17.0、ni：4.5～6.0、mo：0.15～0.5、cu：3.0～4.5、nb：0.35～0.5、al：0.01～0.02、n：120～200ppm，其中，al和n的质量比为1：(1.0～1.5)。
8.优选地，al和n的质量比为1：1.2。
9.一种17-4ph石油阀块的制备方法，包括以下步骤：
10.s1，对石油阀块工件进行锻造前保温，保温温度为1200～1220℃，待工件温度均匀后，出炉锻造，始锻温度为1180～1200℃，终锻温度≥1000℃，锻造比为1.9～2.1；
11.s2，对s1锻造后的工件进行回炉保温，保温温度为1180～1200℃，温度均匀后继续保温0.5～1h，出炉锻造，始锻温度为1160～1180℃，终锻温度≥1000℃，总锻造比为1.7～1.9；
12.s3，对s2锻造后的工件进行回炉保温，保温温度为1140～1160℃，温度均匀后继续保温0.5～1h，出炉锻造，始锻温度为1120～1140℃，终锻温度≥1000℃，总锻造比为1.5～1.7；
13.s4，对s3锻造后的工件进行回炉保温，保温温度为1120～1140℃，温度均匀后继续保温0.5～1h，出炉锻造，始锻温度为1100～1120℃，终锻温度≥1000℃，总锻造比为0.9～
1.1；
14.s5，将s4中锻造完成的工件快速放入920～950℃的热处理炉中进行保温，待工件烧透后，保温1h～4h；
15.s6，将s5保温结束后的工件进行随炉冷却，冷速为20℃/h～100℃/h，然后对工件进行机加工；
16.s7，将s6中机加工完的工件重新加热到1040～1060℃，每25mm不锈钢工件保温至少1h，进行固溶处理；保温结束后放入920～950℃的炉中再次进行保温，保温1h～2h后出炉水冷，冷速为80℃/s～200℃/s；
17.s8，将s7中水冷后的工件进行540～600℃保温，保温时长16～20h，保温完成后冷却，冷却方式为出炉空冷。
18.优选地，s1～s4中，锻造过程中每一次的压下量均≤80mm。
19.优选地，s1～s8中，每一次的加热过程中均需要进行预热，且加热速度≤80℃/h。
20.优选地，s5中，工件中析出nbn、nb(c,n)和aln。
21.优选地，s7中，工件中再次析出nbn和nb(c,n)。
22.一种17-4ph石油阀块在石油低温开采中的应用。
23.本发明的有益效果在于：
24.1.晶间腐蚀是由于m
23
c6化合物在一定的温度下(450-820℃)于晶界析出，造成晶粒边界cr，mo元素的贫瘠，而导致材料晶界的耐蚀性降低。通过本发明可有效抑制m
23
c6化合物的析出，并且通过nbn、nb(c,n)、aln化合物来钉扎晶界，从而在固溶阶段阻碍晶粒长大，达到细化晶粒的作用。
25.2.本发明对石油阀块用17-4ph不锈钢的工件进行多次锻造，随后进行析出相的调整处理，再进行固溶和时效处理，以满足石油阀块的工作性能要求。
26.3.本发明将s4中锻造完成的石油阀块快速放入920～950℃的热处理炉中进行保温，在此温度下nbn、nb(c,n)、aln会析出，nbn、nb(c,n)、aln的析出会钉扎晶界，在后续的固溶处理过程中会起到阻碍晶粒长大的作用，达到细化晶粒的效果；最后，在该工艺结束后的硬度也便于对石油阀块的机加工。
27.4.本发明s7中固溶处理的目的是使石油阀块组织更加均匀细化；保温结束后放入920～950℃的炉中再次进行保温，保温1h～2h后出炉水冷，此时使得nbn、nb(c,n)再次充分析出，为后续时效阶段抑制m
23
c6化合物做准备，进一步提高石油阀块的耐晶间腐蚀性。
28.5.本发明的工艺可以提高不锈钢工件的mf和ms点，因为在920～950℃温度下有nb(c,n)的析出，奥氏体中溶入的合金元素含量降低，奥氏体的稳定性降低，故材料的mf和ms点升高，在油冷时会获得更多的马氏体；其次又降低了材料的as点，因为nb(c,n)的析出，奥氏体的形成元素相对含量升高，扩大了奥氏体相区，故as下降；此外nb(c,n)的析出导致原奥氏体晶界和马氏体板条间的局部ni元素的相对含量升高，在时效阶段，这些局部ni元素的相对含量升高的位置更容易形成奥氏体(即逆转变奥氏体)，此时通过改变时效处理的温度，可以获得不同含量的逆转变奥氏体，为调节材料的塑韧性提供更大的空间。
29.6.本发明中每一次的加热过程中都要进行预热，且加热速度≤80℃/h，防止石油阀块加热速度过快而造成内应力过大开裂。
30.7.本发明中每一次的锻造的终锻温度≥1000℃，防止cu元素在晶界析出造成高温
脆性。
31.8.本发明使得石油阀块工件在制造过程中无开裂现象，并且工件的最终力学性能完全满足石油阀块使用的技术要求，且耐晶间腐蚀性较好(耐晶间腐蚀性采用双环动电位再活化法(dl-epr)，ir/ia≤0.5)。
附图说明
32.图1为未经过本发明处理的晶粒度图片；
33.图2为经过本发明处理后的晶粒度图片。
具体实施方式
34.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
35.实施例1
36.一种17-4ph石油阀块，包括以下成分，以质量百分比wt％计，c：0.04、si：0.3、mn：0.8、s：0.002、p：0.01、cr：15.6、ni：4.5、mo：0.2、cu：3.5、nb：0.35、al：0.01、n：120ppm；其中，al和n的质量比为1：1.2。
37.如图2所示，一种17-4ph石油阀块的制备方法，包括：多次锻造—析出相调整处理—机加工—固溶处理—时效处理；具体步骤为：
38.s1，对石油阀块工件进行锻造前保温，保温温度为1200℃，待工件温度均匀后，出炉锻造，始锻温度为1180℃，终锻温度为1000℃，锻造比为1.9；
39.s2，对s1锻造后的工件进行回炉保温，保温温度为1180℃，温度均匀后继续保温0.5h，出炉锻造，始锻温度为1160℃，终锻温度为1010℃，总锻造比为1.7；
40.s3，对s2锻造后的工件进行回炉保温，保温温度为1140℃，温度均匀后继续保温0.5h，出炉锻造，始锻温度为1120℃，终锻温度为1020℃，总锻造比为1.5；
41.s4，对s3锻造后的工件进行回炉保温，保温温度为1120℃，温度均匀后继续保温0.5h，出炉锻造，始锻温度为1100℃，终锻温度为1000℃，总锻造比为0.9；
42.s5，将s4中锻造完成的工件快速放入920℃的热处理炉中进行保温，待工件烧透后，保温2h；在此温度下，nbn、nb(c,n)、aln会析出，nbn、nb(c,n)、aln的析出会钉扎晶界，在后续的固溶处理过程中会起到阻碍晶粒长大的作用，达到细化晶粒的效果；最后，在该工艺结束后的硬度也便于对阀块的机加工；本实施例经晶粒细化后的效果图见图2，尤其是与图1(未经过本发明处理的晶粒度图片)对比后可见，本实施例的制备方法可明显达到细化晶粒的效果；
43.s6，将s5保温结束后的工件进行随炉冷却，冷速为20℃/h，然后对工件进行机加工；
44.s7，将s6中机加工完的工件重新加热到1050℃，每25mm不锈钢工件保温16h，进行固溶处理；保温结束后放入920℃的炉中再次进行保温，保温1h后出炉水冷，冷速为80℃/s；此时，使得nbn、nb(c,n)再次充分析出，为后续时效阶段抑制m
23
c6化合物做准备，提高石油阀块的耐晶间腐蚀性；
45.s8，将s7中水冷后的工件进行580℃保温，保温时长20h，保温完成后冷却，冷却方
式为出炉空冷。
46.检测其强度和-46℃的低温冲击性能。强度为1040mpa，-46℃kv2的低温冲击功为40j；ir/ia＝0.45。
47.实施例2
48.一种17-4ph石油阀块，包括以下成分，以质量百分比wt％计，c：0.04、si：0.3、mn：0.8、s：0.002、p：0.01、cr：15.6、ni：4.5、mo：0.2、cu：3.5、nb：0.35、al：0.01、n：120ppm；其中，al和n的质量比为1：1.2。
49.一种17-4ph石油阀块的制备方法，包括以下步骤：
50.s1，对石油阀块工件进行锻造前保温，保温温度为1220℃，待工件温度均匀后，出炉锻造，始锻温度为1200℃，终锻温度为1000℃，锻造比为2.1；
51.s2，对s1锻造后的工件进行回炉保温，保温温度为1200℃，温度均匀后继续保温1h，出炉锻造，始锻温度为1180℃，终锻温度为1050℃，总锻造比为1.9；
52.s3，对s2锻造后的工件进行回炉保温，保温温度为1160℃，温度均匀后继续保温1h，出炉锻造，始锻温度为1140℃，终锻温度为1020℃，总锻造比为1.7；
53.s4，对s3锻造后的工件进行回炉保温，保温温度为1140℃，温度均匀后继续保温1h，出炉锻造，始锻温度为1120℃，终锻温度为1000℃，总锻造比为1.1；
54.s5，将s4中锻造完成的工件快速放入950℃的热处理炉中进行保温，待工件烧透后，保温1h；
55.s6，将s5保温结束后的工件进行随炉冷却，冷速为100℃/h，然后对工件进行机加工；
56.s7，将s6中机加工完的工件重新加热到1050℃，每25mm不锈钢工件保温至少1h，进行固溶处理；保温结束后放入920～950℃的炉中再次进行保温，保温16h后出炉水冷，冷速为200℃/s；
57.s8，将s7中水冷后的工件进行580℃保温，保温时长20h，保温完成后冷却，冷却方式为出炉空冷。
58.检测其强度和-46℃的低温冲击性能。强度为1056mpa，-46℃kv2的低温冲击功为39j；ir/ia＝0.41。
59.实施例3
60.一种17-4ph石油阀块，包括以下成分，以质量百分比wt％计，c：0.04、si：0.3、mn：0.8、s：0.002、p：0.01、cr：15.6、ni：4.5、mo：0.2、cu：3.5、al：0.01、nb：0.40、n：150ppm；其中，al和n的质量比为1：1.5。
61.一种17-4ph石油阀块的制备方法，包括以下步骤：
62.s1，对石油阀块工件进行锻造前保温，保温温度为1210℃，待工件温度均匀后，出炉锻造，始锻温度为1180℃，终锻温度为1060℃，锻造比为2.0；
63.s2，对s1锻造后的工件进行回炉保温，保温温度为1180℃，温度均匀后继续保温0.5h，出炉锻造，始锻温度为1160℃，终锻温度为1060℃，总锻造比为1.8；
64.s3，对s2锻造后的工件进行回炉保温，保温温度为1160℃，温度均匀后继续保温0.5h，出炉锻造，始锻温度为1140℃，终锻温度为1060℃，总锻造比为1.6；
65.s4，对s3锻造后的工件进行回炉保温，保温温度为1140℃，温度均匀后继续保温
0.5h，出炉锻造，始锻温度为1120℃，终锻温度为1060℃，总锻造比为1.0；
66.s5，将s4中锻造完成的工件快速放入920℃的热处理炉中进行保温，待工件烧透后，保温4h；
67.s6，将s5保温结束后的工件进行随炉冷却，冷速为20℃/h～100℃/h，然后对工件进行机加工；
68.s7，将s6中机加工完的工件重新加热到1050℃，每25mm不锈钢工件保温16h，进行固溶处理；保温结束后放入920℃的炉中再次进行保温，保温1h后出炉水冷，冷速为100℃/s；
69.s8，将s7中水冷后的工件进行580℃保温，保温时长20h，保温完成后冷却，冷却方式为出炉空冷。
70.检测其强度和-46℃的低温冲击性能。强度为1027mpa，-46℃kv2的低温冲击功为41j；ir/ia＝0.37。
71.实施例4
72.一种17-4ph石油阀块，包括以下成分，以质量百分比wt％计，c：0.04、si：0.3、mn：0.8、s：0.002、p：0.01、cr：15.6、ni：4.5、mo：0.2、cu：3.5、al：0.015、nb：0.35、n：150ppm；其中，al和n的质量比为1：1.0。
73.一种17-4ph石油阀块的制备方法，石油阀块经过多次锻造后，立即进行920℃的保温，保温时长1h，保温结束后随炉冷却，对阀块进行机加工，随后将工件加热到1050℃，保温16h，再放入920℃的炉中进行保温1h出炉水冷，再进行580℃的时效处理，保温20h，出炉空冷。
74.检测其强度和-46℃的低温冲击性能。强度为1010mpa，-46℃kv2的低温冲击功为42j；ir/ia＝0.42。
75.实施例5
76.一种17-4ph石油阀块，包括以下成分，以质量百分比wt％计，c：0.04、si：0.3、mn：0.8、s：0.002、p：0.01、cr：15.6、ni：4.5、mo：0.2、cu：3.5、al：0.018、nb：0.35、n：180ppm；其中，al和n的质量比为1：1.0。
77.一种17-4ph石油阀块的制备方法，石油阀块经过多次锻造后，立即进行950℃的保温，保温时长4h，保温结束后随炉冷却，对阀块进行机加工，随后将工件加热到1050℃，保温16h，再放入920℃的炉中进行保温1h出炉水冷，再进行580℃的时效处理，保温20h，出炉空冷。
78.检测其强度和-46℃的低温冲击性能。强度为1065mpa，-46℃kv2的低温冲击功为44；ir/ia＝0.36。
79.实施例6
80.一种17-4ph石油阀块，包括以下成分，以质量百分比wt％计，c：0.04、si：0.3、mn：0.8、s：0.002、p：0.01、cr：15.6、ni：4.5、mo：0.2、cu：3.5、al：0.012、nb：0.35、n：180ppm；其中，al和n的质量比为1：1.5。
81.一种17-4ph石油阀块的制备方法，石油阀块经过多次锻造后，立即进行920℃的保温，保温时长2h，保温结束后随炉冷却，对阀块进行机加工，随后将工件加热到1050℃，保温16h，再放入920℃的炉中进行保温2h出炉水冷，再进行580℃的时效处理，保温20h，出炉空
冷。
82.检测其强度和-46℃的低温冲击性能。强度为1046mpa，-46℃kv2的低温冲击功为41j；ir/ia＝0.40。
83.实施例7
84.一种17-4ph石油阀块，包括以下成分，以质量百分比wt％计，c：0.04、si：0.3、mn：0.8、s：0.002、p：0.01、cr：15.6、ni：4.5、mo：0.2、cu：3.5、al：0.02、nb：0.45、n：200ppm；其中，al和n的质量比为1：1.0。
85.一种17-4ph石油阀块的制备方法，石油阀块经过多次锻造后，立即进行920℃的保温，保温时长2h，保温结束后随炉冷却，对阀块进行机加工，随后将工件加热到1050℃，保温16h，再放入950℃的炉中进行保温2h出炉水冷，再进行580℃的时效处理，保温20h，出炉空冷。
86.检测其强度和-46℃的低温冲击性能。强度为1052mpa，-46℃kv2的低温冲击功为43j；ir/ia＝0.44。
87.实施例8
88.一种17-4ph石油阀块，包括以下成分，以质量百分比wt％计，c：0.035、si：0.5、mn：0.6、s：0.005、p：0.01、cr：14.0、ni：6.0、mo：0.15、cu：3.0、nb：0.35、al：0.01、n：120ppm，其中，al和n的质量比为1：1.2。
89.一种17-4ph石油阀块的制备方法，石油阀块经过多次锻造后，立即进行930℃的保温，保温时长1h，保温结束后随炉冷却，对阀块进行机加工，随后将工件加热到1040℃，保温1h，再放入940℃的炉中进行保温2h出炉水冷，再进行540℃的时效处理，保温16h，出炉空冷。
90.检测其强度和-46℃的低温冲击性能。强度为1045mpa，-46℃kv2的低温冲击功为42j；ir/ia＝0.41。
91.实施例9
92.一种17-4ph石油阀块，包括以下成分，以质量百分比wt％计，c：0.05、si：0.4、mn：1.0、s：0.004、p：0.005、cr：17.0、ni：5.0、mo：0.5、cu：4.5、nb：0.45、al：0.02、n：200ppm，其中，al和n的质量比为1：1.0。
93.一种17-4ph石油阀块的制备方法，石油阀块经过多次锻造后，立即进行940℃的保温，保温时长10h，保温结束后随炉冷却，对阀块进行机加工，随后将工件加热到1060℃，保温1h，再放入940℃的炉中进行保温2h出炉水冷，再进行600℃的时效处理，保温18h，出炉空冷。
94.本实施例中，锻造过程中每一次的压下量均≤80mm。并且每一次的加热过程中均需要进行预热，且加热速度≤80℃/h。防止石油阀块加热速度过快而造成内应力过大开裂。
95.检测其强度和-46℃的低温冲击性能。强度为1043mpa，-46℃kv2的低温冲击功为44j；ir/ia＝0.45。
96.实施例10
97.本实施例公开了一种17-4ph石油阀块在石油低温开采中的应用。其中，低温为-46℃～-20℃。本实施例的石油阀块适合在寒冷地区进行石油开采。
98.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术
人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。