一種480MPa級鋁合金油管用鋁合金及其管材制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及石油管制造技術領域，具體涉及一種480MPa級鋁合金油管用鋁合金及其管材制造方法。
【背景技術】
[0002]隨著石油工業(yè)的發(fā)展，對耐蝕合金油管用管材的性能及成本要求不斷提高。鋁合金油管具有比強度高、塑韌性好、耐腐蝕性能及耐疲勞性能優(yōu)良等特點，其研宄受到廣泛重視。
[0003]目前普遍使用的耐蝕合金油管如鎳基合金油管、鐵鎳基合金油管、雙相不銹鋼油管、馬氏體不銹鋼油管等多采用N1、Mo、Cr等貴金屬元素高合金化設計，成本較高，比強度低，工藝復雜，加工難度大，加工性能要求較高，成材率低，供貨周期長，完井管柱耐硫化氫應力腐蝕性能低。
[0004]采用鋁合金管材生產(chǎn)的鋁合金油管，可簡化生產(chǎn)工藝、降低加工難度、顯著提高管材成材率、大幅度降低生產(chǎn)成本和供貨周期。此外，采用鋁合金油管可顯著減輕完井管柱重量、大幅度降低不同深度完井管柱的應力集中、提高管柱服役壽命及安全性。

【發(fā)明內容】

[0005]針對現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明提供一種工藝簡單，成本低廉，比強度高，耐硫化氫應力腐蝕性能好的480MPa級鋁合金油管用鋁合金及其管材制造方法。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術方案來實現(xiàn):
[0007]本發(fā)明一種480MPa級鋁合金油管用鋁合金，以重量百分比計，包括Zn:5.10?6.90%, Mg:1.10 ?1.80%, Cu:0.05 ?0.20%, Mn:0.10 ?0.30%, Cr:0.10 ?0.30%,T1:0.01?0.02%,Zr:0.15?0.2%，其余為Al和不可避免雜質；其中不可避免的雜質中，Si含量不大于銷合金總重量的0.15%, Fe含量不大于銷合金總重量的0.15%。
[0008]本發(fā)明一種制造480MPa級鋁合金油管用鋁合金管材的方法，包括如下工藝步驟:
[0009]I)以重量百分比計，將 Zn:5.10 ?6.90 %，Mg:1.10 ?1.80 %，Cu:0.05 ?0.20%, Mn:0.10 ?0.30%, Cr:0.10 ?0.30%,Ti:0.01 ?0.02%,Zr:0.15 ?0.2%，余量為Al，進行冶煉和爐外精煉后鑄造制得管坯；
[0010]2)將管坯加熱進行三級均勻化處理；
[0011]3)將三級均勻化后的管坯在高溫下經(jīng)進行擠壓；
[0012]4)將擠壓后的管坯進行雙級固溶處理并淬火冷卻；
[0013]5)將淬火冷卻后的管坯進行管材的預拉伸變形；
[0014]6)將預拉伸變形后的管材進行雙級人工時效處理，得到480MPa級鋁合金油管用鋁合金管材。
[0015]優(yōu)選的，按重量百分比計，根據(jù)不可避免的雜質中，Si不大于0.15%和Fe不大于0.15%的要求，對Al按純度進行選擇備料。
[0016]優(yōu)選的，步驟2)所述三級均勻化處理時，先將管坯加熱到360?375°C并保溫8h進行第一級均勻化；然后加熱至405?415°C并保溫8h進行第二級均勻化；最后加熱至445?460°C并保溫1h進行第三級均勻化。
[0017]優(yōu)選的，步驟3)所述進行擠壓時，管坯的高溫為415?430°C，擠壓比大于18，擠壓速度為3?5mm/s。
[0018]優(yōu)選的，步驟4)所述雙級固溶處理時，先加熱到430?440°C并保溫2h進行第一級固溶處理；然后再加熱至460?470°C并保溫Ih進行第二級固溶處理。
[0019]優(yōu)選的，步驟5)所述預拉伸變形的預拉伸變形量為4.0?6.0%。
[0020]優(yōu)選的，步驟6)所述雙級人工時效處理時，先加熱到90?100°C并保溫24h進行第一級人工時效；然后加熱至120?125°C并保溫24h進行第二級人工時效。
[0021]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益的技術效果:
[0022]本發(fā)明所述的鋁合金，以高含量Zn和低含量Mg的搭配大大提高了其強度性能；適量的MruCr和Cu提高了其強度和重復加載抗力，并保證了其良好的塑韌性；微量Ti和Zr作為補充和完善，保證了其結構的穩(wěn)定和性能的可靠；通過控制不可避免的Fe和Si的含量，極大的避免了缺口作用的發(fā)生；其整體比強度高，耐腐蝕性好，成本低廉，加工性好，成材率尚O
[0023]本發(fā)明所述的制造方法，通過三級均勻化處理、預拉伸變形和雙級人工時效相結合的處理工藝，獲得晶內超細η’相和晶界斷續(xù)η相為主的組織；能夠消除不同鑄錠偏析，有效防止鑄錠開裂；能夠增加位錯密度，提高晶內強化析出相形核率，提高強度；而且還能夠改善晶界η相分布情況，提高耐腐蝕性能。從而保證鋁合金油管用管材具有優(yōu)良的力學性能和耐腐蝕性能。
[0024]進一步的，所述的鋁合金以及管材中，通過合理的成分和變形熱處理工藝進行最終產(chǎn)品的組織和質量控制，各成分的作用及處理后的效果如下。
[0025]鋅和鎂是鋁合金油管用鋁合金中主要強化元素。在充分固溶情況下，Zn和Mg在合金中形成主要強化相n’(MgZn2)。η’相在合金中的溶解度隨溫度的降低而急劇下降，η ’相在共晶溫度下的溶解度達28%，在室溫下下降到4?5%，具有很強的時效強化效果。在固溶極限范圍內，提高Zn、Mg含量可以大大提高強度，但會導致合金的斷裂韌性和抗硫化氫應力腐蝕性能降低。對于本發(fā)明的480MPa級鋁合金油管用鋁合金采用5.10?6.90%的Zn含量和1.10?1.80%的Mg含量設計。
[0026]銅是鋁合金油管用鋁合金中重要合金元素。Cu可與Al和Mg形成強化相S相(Al2CuMg)對鋁合金產(chǎn)生附加的強化效果，提高鋁合金管材的強度和重復加載抗力。Cu能提高沉淀相的彌散度，改善晶間結構，如晶界沉淀相、晶界無沉淀析出帶。但Cu的加入有產(chǎn)生晶間腐蝕和點腐蝕的傾向。對于本發(fā)明的480MPa級鋁合金油管用鋁合金Cu含量設計在
0.05 ?0.20%范圍。
[0027]錳是鋁合金油管用鋁合金中經(jīng)濟的強化元素。Mn可細化晶粒、阻礙基體晶粒長大和再結晶，在不降低鋁合金塑性和韌性的情況下，提高鋁合金管材強度。但過量的Mn會降低Zn、Mg等溶質元素在基體中的溶解度從而降低強韌性。因此，本發(fā)明選取的Mn含量:
0.10 ?0.30%。
[0028]鉻是補償鋁合金油管用鋁合金中因強度升高而引起塑韌性損失的強化元素。Cr元素在提高管材的塑韌性的同時降低應力腐蝕開裂敏感性，但過量的Cr將降低鋁合金管材的淬透性。因此，本發(fā)明選取的Cr含量:0.10?0.30%。
[0029]鈦和鋯是鋁合金油管用鋁合金中細化晶粒、抑制再結晶的元素。T1、Zr和Al結合分別形成Al3T1、Al3Zr金屬間化合物，這種金屬間化合物有兩種結構和形態(tài):從熔體中直接析出的Al3T1、Al3Zr為四方結構，可顯著細化合金的鑄態(tài)晶粒；另一種是鑄錠均勻化過程中析出的球形粒子，與基體共格，具有強烈抑制熱加工過程中再結晶的作用。微量的Ti和適量的Zr即可實現(xiàn)上述作用，因此本發(fā)明選取的Ti含量:0.01?0.02%、Zr含量:0.15?0.
[0030]鐵和硅是鋁合金油管用鋁合金中的有害雜質，在合金中是不可避免的，主要來自原材料、熔煉和鑄造中使用的工具和設備。Fe和Si在合金中主要以硬而脆的FeAl3和游離的Si形式存在，包括以粗大的不溶或難溶的Mg2S1、Al6Fe, AlFeS1、Al7Cu2Fe等脆性相和共晶化合物的形式存在。含F(xiàn)e、Si的相在室溫下很難溶解，起到缺口作用，容易成為裂紋源而使材料發(fā)生斷裂。因此，本發(fā)明中控制Fe含量< 0.15%，Si含量< 0.15%。
【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明實例I的雙級人工時效后鋁合金管材的透射電鏡組織圖。
[0032]圖2為本發(fā)明實例2的雙級人工時效后鋁合金管材的透射電鏡組織圖。
[0033]圖3為本發(fā)明實例3的雙級人工時效后鋁合金管材的透射電鏡組織圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0035]實施例1
[0036]本發(fā)明一種480MPa級鋁合金油管用鋁合金，其化學成分以重量百分比計包括:6.90%的 Zn，1.75%的 Mg，0.18%的 Cu，0.28%的 Μη，0.20%的 Cr，0.02%的 Ti，0.18 的％Zr，其余成分為Al和不可避免雜質，其中不可避免的雜質中包括占鋁合金總重量0.13%的Fe,0.15%的 Si。
[0037]上述480MPa級鋁合金油管用鋁合金管材的制造方法為，將上述原料進行冶煉和爐外精煉后鑄造制得管坯，管坯在加熱爐內分別加熱至375°0、415°0、460°0進行三級均勻化處理，對應保溫時間為811、811、1011;管坯擠壓溫度為430°0，擠壓比大于18，擠壓速度為3mm/s ;雙級固溶處理溫度分別為440°C、470°C，對應保溫時間為2h、lh ;淬火冷卻至20°C ；預拉伸變形量為5% ;雙級人工時效溫度分別為90°C、120°C，對應保溫時間為24h、24h。
[0038]經(jīng)上述方法處理的鋁合金管材的力學性能為屈服強度428MPa、抗拉強度495MPa、延伸率12.0%。其性能指標完全滿足ISO標準對鋁合金油管用鋁合金管材中第一組材料的要求。該實例金相組織為晶內超細η’相和晶界斷續(xù)η相，參照圖1。
[0039]實施例2
[0040]本發(fā)明一種480MPa級鋁合金油管用鋁合金，其化學成分以重量百分比計包括:5.10% 的 Zn，l.15% 的 Mg，0.19% 的 Cu，0.30% 的 Μη，0.20% 的 Cr，0.02% 的 Ti，0.15% 的Zr，其余成分為Al和不可避免雜質，其中不可避免的雜質中包括占鋁合金總重量0.15%的Fe 和 0.15%的 Si。
[0041]上述480MPa級鋁合金油管用鋁合金管材的制造方法為，將上述原料進行冶煉和爐外精煉后鑄造制得管坯，管坯在加熱爐內分別加熱至360°C,405°C,445V進行三級均勻化處理，對應保溫時間為811、811、1011;管坯擠壓溫度為420°0，擠壓比大于18，擠壓速度為4mm/s ;雙級固溶處理溫度分別為430°C、470°C，對應保溫時間為2h、lh ;淬火冷卻至20°C ；預拉伸變形量為6% ;雙級人工時效溫度分別為100°C、120°C，對應保溫時間為24h、24h。
[0042]經(jīng)上述方法處理的鋁合金管材的力學性能為屈服強度405MPa、抗拉強度480MPa、延伸率12.5%。其性能指標完全滿足ISO標準對鋁合金油管用鋁合金管材中第一組材料的要求。該實例金相組織為晶內超細η’相和晶界斷續(xù)η相，參照圖2。
[0043]實施例3
[0044]本發(fā)