高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼及其製造方法
2023-05-16 13:32:01
高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼及其製造方法
【專利摘要】一種高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼及其製造方法，屬於不鏽鋼【技術領域】。該不鏽鋼成分重量百分數為：21.5≤Cr≤22.5，0.5≤Mo≤1.5，C≤0.040，0.65≤N≤0.75，0.40≤Nb≤0.50，1.95≤Ni≤2.05，16.0≤Mn≤17.0，Si≤0.20，P≤0.020，S≤0.010，餘量為Fe，並保證：Cr(wt.％)+3.3×Mo(wt.％)+16.0×N(wt.％)≥33.0。其製造方法包括：電爐熔煉，氬氧脫碳二次精煉，電渣重熔，快鍛機開坯，徑鍛機成型，水冷處理。優點在於，該種高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼具有良好的室溫強度、優異的耐點腐蝕以及耐晶間腐蝕的性能。
【專利說明】高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼及其製造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於不鏽鋼【技術領域】，特別是涉及一種高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽 鋼及其製造方法。
【背景技術】
[0002] 無磁鑽鋌是當今高精度、高深度石油及天然氣鑽採設備重要的部件，是鑽柱的主 要組成部分之一，具有向鑽頭提供鑽進的壓力以及提高鑽柱剛性的作用。目前常見的無磁 鑽鋌由磁導率很低的不鏽鋼製造，管體橫截面內外皆為圓形。由於勘探開發的需求，鑽井設 備的鑽探速度不斷加快，鑽井的深度也不斷增加，井下需要安裝隨鑽測量儀器設備對鑽探 的垂直方向進行實時修正。由於所有磁性測量儀器在測量井眼方向時感應的是井眼的大地 磁場，為防止高速鑽探過程中產生的磁場對儀器設備工作狀態的影響，測量儀器必須工作 在一個無磁的環境下，利用磁導率極低的不鏽鋼材料製成的無磁鑽鋌可以實現無磁的工作 環境，達到使磁性測量儀器正常工作的目的。
[0003] 除極低的磁導率要求外，無磁鑽鋌材料的主要性能指標是強度和耐蝕性能，以及 兼顧經濟性。從上世紀30年代至今，無磁鑽鋌用材料的發展經過了 300系不鏽鋼、蒙乃爾 合金、含氮奧氏體不鏽鋼等幾代材料。Cr-Mn-N系無磁不鏽鋼是目前世界上用於製造高性能 無磁鑽鋌產品的主流材料。多年來，隨著陸地和海洋油氣資源鑽採對材料性能要求的不斷 提高，該類型不鏽鋼的成分體系設計理念不斷進步，其耐腐蝕性能、力學性能顯著提高。
[0004] 無磁鑽鋌用氮合金化奧氏體不鏽鋼中主要的合金元素為Cr、Μη、N，另外某些體系 還含有少量的Mo和Ni,這幾種關鍵元素在合金體系中的作用如下：
[0005] I) Cr 的影響
[0006] Cr元素是提高Cr-Mn系奧氏體不鏽鋼耐蝕性能的元素之一。Cr含量的增加可以 提高該型不鏽鋼耐氧化性介質和酸性氯化物介質中的耐蝕能力，還可以提高不鏽鋼在還原 性介質、有機酸、尿素或者鹼性介質中的耐蝕能力。Cr含量的增加還可以提高該型不鏽鋼耐 晶間腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕和某些條件下應力腐蝕等局部腐蝕性能。
[0007] 2) Mn 的影響
[0008] Mn元素加入到該型不鏽鋼中主要目的是代替昂貴的Ni元素使鋼形成穩定的奧氏 體組織並提高N元素在鋼中的固溶度。Mn含量的過度增加會導致該型不鏽鋼低溫韌性的惡 化，在低溫下出現韌性-脆性的轉變。因此僅有Mn元素和N元素而無 Ni元素的Cr-Mn系 不鏽鋼無法獲得優良的低溫韌性。
[0009] 3) Ni 的影響
[0010] Ni元素的存在使該型不鏽鋼獲得穩定的奧氏體組織，使其具有較好的強度和塑 性，並使其具有優良的冷、熱加工性能以及焊接和無磁性能。Ni元素的加入還可以顯著改善 該型不鏽鋼的韌性，通過抑制冷加工過程中的馬氏體轉變來降低其冷加工硬化傾向。Ni元 素可以改善該型不鏽鋼的熱加工性能，顯著提高成材率。還可以通過Ni元素的增加來提高 該型不鏽鋼在大多數介質中耐穿晶型應力腐蝕性能。但Ni元素會導致其晶間腐蝕敏感性 增加，對耐點蝕和縫隙腐蝕性能無明顯影響。
[0011] 4)Mo 的影響
[0012] Mo元素提高不鏽鋼耐蝕性能的能力是Cr元素的三倍以上。Mo元素的加入顯著提 高該型不鏽鋼在還原性介質如硫酸、磷酸以及一些有機酸或尿素環境中的耐點蝕、縫隙腐 蝕性能，對強度的影響作用不顯著。相反，Mo元素的加入會導致某些脆性析出物如sigma相 或chi相的形成，嚴重惡化不鏽鋼的塑性和韌性。
[0013] 5) N的影響
[0014] N元素的加入主要目的是作為固溶強化元素提高該型不鏽鋼的強度，同時不顯著 損害其塑性和韌性；N元素的加入也可以提高不鏽鋼的抗高溫蠕變、疲勞和耐磨損性能，每 加入0. 1 %的N元素可提高約60-100MPa的強度。N元素的強化作用通過固溶方式來實現。 一般認為N兀素以間隙固溶體的形式使奧氏體面心立方晶格產生最大的晶格畸變量，對位 錯有極大的釘扎作用，因此對奧氏體晶粒和晶界都能起到強化作用。另一方面，N元素還可 以通過減小晶粒尺寸來提高不鏽鋼強度，其強度和晶粒尺寸的關係服從Hell-Petch公式。 同時N元素的加入可以提高其耐蝕性能尤其是耐晶間腐蝕、點腐蝕和縫隙腐蝕等局部腐蝕 性能。高N型Cr-Mn系不鏽鋼N含量在0. 40%以上，同時具有高強度和高耐蝕性能。
[0015] 在此不難看出，Cr、Μη、N、Mo和Ni等幾種主要合金元素對Cr-Mn-N系奧氏體不鏽 鋼的耐蝕性能和強度性能有直接的影響。因此在鋼中的成分設計上要重點考慮以上幾種元 素的作用。
【發明內容】
[0016] 本發明的目的在於提供一種高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼及其製造方法， 具有優良力學性能和耐蝕性能，如良好的室溫屈服強度、抗拉強度、硬度、衝擊韌性、優異的 耐點腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕等性能，以及極低的磁導率。
[0017] 本發明的高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼的各元素重量百分比為： 21. 5 ^ Cr ^ 22. 5,0. 5 ^ Mo ^ I. 5, C ^ 0. 040,0. 65 ^ N ^ 0. 75,0. 40 ^ Nb ^ 0. 50, 1. 95 彡 Ni 彡 2. 05,16. 0 彡 Mn 彡 17. 0, Si 彡 0· 20, P 彡 0· 020, S 彡 0· 010,餘量為 Fe。
[0018] 在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進：
[0019] 進一步，所述高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼的Cr元素、Mo元素和N元素含 量使其點蝕指數（Pitting Resistance Equivalent，PRE)值大於 33. 0,即：
[0020] PRE = Cr(wt. % )+3. 3XMo(wt. % )+16. 0XN(wt. % ) ^ 33. 0
[0021] 本發明的高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼的製造方法，包含以下工藝步驟：
[0022] (1)依據下列元素重量百分比熔煉鋼水：21. 5彡Cr彡22. 5,0· 5彡Mo彡L 5， C ^ 0. 040,0. 65 ^ N ^ 0. 75,0. 40 ^ Nb ^ 0. 50,1. 95 ^ Ni ^ 2. 05,16. 0 ^ Mn ^ 17. 0, Si彡0· 20, P彡0· 020, S彡0· 010,餘量為Fe,並保證：
[0023] Cr(wt. % )+3. 3XMo(wt. % )+16. 0XN(wt. % ) ^ 33. 0 ；
[0024] (2)採用電爐+氬氧脫碳+電渣重熔的方法製得電渣鋼坯；
[0025] (3)電渣鋼坯通過高溫熱處理爐加熱並保溫；
[0026] (4)電渣鋼坯出爐後立即經過快鍛機鍛造為開坯鋼坯；
[0027] (5)開坯鋼坯為圓柱體，端面直徑根據成品徑鍛鋼坯的尺寸和終鍛變形量實際計 算；
[0028] (6)開坯鋼坯通過高溫熱處理爐回爐保溫；
[0029] (7)開坯鋼坯經過回爐處理後出爐，立即經過徑鍛機鍛造為徑鍛鋼坯；
[0030] (8)徑鍛完成後將徑鍛鋼坯進行水冷處理。
[0031] 在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進：
[0032] 進一步，所述步驟（3)中所述高溫熱處理爐的加熱溫度為1230°C?1240°C，加熱 時間為3h?6h。
[0033] 進一步，步驟（4)中所述快鍛機鍛造的終鍛溫度為1050°C?1080°C，鍛造總時間 為 IOmin ?20min。
[0034] 進一步，步驟（5)中所述徑鍛鋼坯為圓柱體，端面直徑為200mm?300mm，終鍛變形 量為10%?22%。
[0035] 進一步，步驟（6)中所述回爐保溫的加熱溫度為1230°C?1240°C，加熱時間為 I. 5h ?2h。
[0036] 進一步，步驟（7)中所述徑鍛機鍛造的終鍛溫度為950°C?1000°C，徑鍛時間為 5min ?15min〇
[0037] 本發明的有益效果是：通過高氮合金化、控制變形溫度、變形速率等工藝參數建立 合理的熱加工工藝窗口，躲避開了大量脆性析出物容易產生的敏感溫度區間；同時通過C 含量的嚴格控制、Cr含量和Mo含量的調整，使所述高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼在 降低生產成本的前提下，兼具良好的室溫強度、優異的耐點腐蝕以及耐晶間腐蝕的性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0038] 圖1為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-1變形態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0039] 圖2為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-1敏化態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0040] 圖3為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-2變形態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0041] 圖4為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-2敏化態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0042] 圖5為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-3變形態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0043] 圖6為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-3敏化態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0044] 圖7為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-4變形態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0045] 圖8為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-4敏化態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0046] 圖9為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-5變形態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0047] 圖10為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-5敏化態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0048] 圖11為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-6變形態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0049] 圖12為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-7變形態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0050] 圖13為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-8變形態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0051] 圖14為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-9變形態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0052] 圖15為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-6敏化態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0053] 圖16為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-7敏化態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0054] 圖17為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-8敏化態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0055] 圖18為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-9敏化態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0056] 圖19為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-10變形態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0057] 圖20為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-10敏化態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0058] 圖21為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-11變形態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0059] 圖22為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-11敏化態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0060] 圖23為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-12變形態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0061] 圖24為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-13變形態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0062] 圖25為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-14變形態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0063] 圖26為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-12敏化態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0064] 圖27為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-13敏化態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0065] 圖28為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-14敏化態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0066] 圖29為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-15變形態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0067] 圖30為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-15敏化態樣品經過 ASTM-A262的A法晶間腐蝕測試後的微觀組織金相照片。
[0068] 圖31為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-1變形態樣品的微觀組織 金相照片。
[0069] 圖32為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-16變形態樣品的微觀組 織金相照片。
[0070] 圖33為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-18變形態樣品的微觀組 織金相照片。
[0071] 圖34為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-19變形態樣品的微觀組 織金相照片。
[0072] 圖35為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-20變形態樣品的微觀組 織金相照片。
[0073] 圖36為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-21變形態樣品的微觀組 織金相照片。
[0074] 圖37為本發明高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼爐-17變形態樣品的微觀組 織金相照片。
【具體實施方式】
[0075] 以下結合附圖對本發明的原理和特徵進行描述，所舉實例只用於解釋本發明，並 非用於限定本發明的範圍。
[0076] 共製備了 29種不同成分（表1)的高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼樣品，其 中包括比對試驗所需的對比材料。
[0077] 表1超低C、N含量的中Cr鐵素體不鏽鋼樣品化學成分
【權利要求】
1. 一種高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼，其特徵在於，各元素重量百分比為： 21. 5 ^ Cr ^ 22. 5,0. 5 ^ Mo ^ 1. 5, C ^ 0. 040,0. 65 ^ N ^ 0. 75,0. 40 ^ Nb ^ 0. 50, 1. 95 彡 Ni 彡 2. 05,16. 0 彡 Μη 彡 17. 0, Si 彡 0· 20, P 彡 0· 020, S 彡 0· 010,餘量為 Fe。
2. 根據權利要求1所述的一種高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼，其特徵在於，所 述Cr元素、Mo元素和N元素含量需滿足公式PRE = Cr(wt. % )+3. 3XMo(wt. % )+16. 0ΧΝ (wt. % )彡33. 0的要求，PRE為不鏽鋼的點蝕指數。
3. -種權利要求1所述的高性能無磁鑽鋌用高氮奧氏體不鏽鋼的製造方法，其特徵在 於，工藝步驟為： ⑴依據下列元素重量百分比熔煉鋼水：21· 5彡Cr彡22. 5,0· 5彡Mo彡1. 5， C 彡 0· 040,0· 65 彡 N 彡 0· 75,0· 40 彡 Nb 彡 0· 50,1. 95 彡 Ni 彡 2. 05,16. 0 彡 Μη 彡 17. 0， Si 彡 0· 20, Ρ 彡 0· 020, S 彡 0· 010,餘量為 Fe，並保證：Cr (wt. % ) +3. 3 XMo (wt. % ) +16. 0 X N(wt. % ) ^ 33. 0 ； (2) 採用電爐+氬氧脫碳+電渣重熔的方法製得電渣鋼坯； (3) 電渣鋼坯通過高溫熱處理爐加熱並保溫； (4) 電渣鋼坯出爐後經過快鍛機鍛造為開坯鋼坯； (5) 開坯鋼坯為圓柱體，端面直徑根據成品徑鍛鋼坯的尺寸和終鍛變形量實際計算； (6) 開坯鋼坯通過高溫熱處理爐回爐保溫； (7) 開坯鋼坯經過回爐處理後出爐，經過徑鍛機鍛造為徑鍛鋼坯； (8) 徑鍛完成後將徑鍛鋼坯進行水冷處理。
4. 根據權利要求3所述的製造方法，其特徵在於，步驟⑶中所述高溫熱處理爐的加熱 溫度為1230°C?1240°C，加熱時間為3h?6h。
5. 根據權利要求3所述的製造方法，其特徵在於，步驟（4)中所述快鍛機鍛造的終鍛溫 度為1050°C?1080°C，鍛造總時間為lOmin?20min。
6. 根據權利要求3所述的製造方法，其特徵在於，步驟（5)中所述徑鍛鋼坯為圓柱體， 端面直徑為200mm?300mm，終鍛變形量為10 %?22 %。
7. 根據權利要求3所述的製造方法，其特徵在於，步驟（6)中所述回爐保溫的加熱溫度 為1230°C?1240°C，加熱時間為1. 5h?2h。
8. 根據權利要求3所述的製造方法，其特徵在於，步驟（7)中所述徑鍛機鍛造的終鍛溫 度為950°C?1000°C，徑鍛時間為5min?15min。
【文檔編號】C21D8/00GK104264071SQ201410542417
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月14日 優先權日:2014年10月14日
【發明者】屈華鵬, 郎宇平, 陳海濤 申請人:鋼鐵研究總院