CN101311290A - 一种无磁性强韧化不锈钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无磁性强韧化不锈钢及其制造方法。所述无磁性强韧化不锈钢的化学成分以重量比计包括：C≤0.12％、Si≤1.50％、Mn：14.5～16.5％、S≤0.010％、P≤0.030、Cr：15.1～16.0％、Ni≤0.90％、Mo≤0.70％、Nb≤0.35％、N：0.25～0.50％，余量为Fe和不可避免杂质。将上述钢种通过电炉+精炼的冶炼工艺，并采用超低温大变形锻造工艺，制得本发明的无磁性强韧化不锈钢。该无磁性强韧化不锈钢原料成本低廉、生产工艺简单、具有稳定的无磁性及加工强硬化系数，并且其抗腐蚀性能较强，耐晶间腐蚀合格率达90％以上，能够满足石油无磁钻铤用钢的使用要求。

Description

一种无磁性强韧化不锈钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及冶炼工程技术领域，具体地说，是涉及不锈钢材料类，更具体地说，是涉及一种无磁性强韧化不锈钢及其制造方法。

背景技术

受全球能源危机的影响，国内外石油钻采开发都在往精细、节约、纵深方向发展，开采石油所用的钻井数量剧增，石油钻采用钢的需求也在增加。按照钢的磁性功能分类，石油钻采用钢一般可分为有磁钢(普通用途)和无磁钢(特殊用途，如传感器保护装置用材料)。

无磁钢必须是全奥氏体组织，且必须具有12％以上的Cr含量，石油钻采用无磁钢主要是200、300系列的钢种。在此前提下，200系列的Cr、Mn、Ni、N及300系列的Cr、Ni、N和Cr、Ni、Mo、N钢种等均可满足要求，但是200、300系列的钢种因含有贵重金属Ni、Mo而导致成本偏高，市场竞争能力不强，另外200、300系列的钢种按常规使用方法热处理后，强、硬度指标只能达到石油钻铤使用要求的50％，再因N、Mn含量的不足而导致加工强硬化系数低，即使利用加工硬化态使用以求提高强硬度指标，锻造后钢材强、硬度性能虽有提高但仍达不到使用要求。

300系传统无磁钢的化学成分及力学性能分别见表1和表2。

国外用于石油钻采的钢种分为两类：一类向高铬高氮方向发展，其目的是争取更高的强度、硬度指标、提高耐蚀能力；另一类则向铬-镍-钼-氮系发展，优点是耐蚀能力更强，使用寿命更长，缺点是增加成本，加工强硬化系数低。

国内生产石油钻铤采用的无磁钢主要是抚钢与中科院金属研究所及辽河油田钻采研究院合作开发的N1310无磁钢，它是参照欧洲技术进行的研制项目，已取得了国家发明专利(发明名称：高强度无磁钻铤用钢；专利号：93115802.8；授权公告号：CN1038353C)，国内目前只有中原特钢在批量生产类似的N1310无磁钢，其产能远远不能满足市场需求。该高强度无磁钻铤用钢，即N1310无磁钢，尽管力学性能达到了国际石油部颁布的标准，但仍存在下列不足：(1)钢的抗腐蚀能力较差，主要技术指标——耐晶间腐蚀合格率只有50％；(2)产品的成分、性能、外形都不够稳定，不能满足使用要求；(3)Ni、Mo贵重金属的含量较大，导致原材料成本偏高；(4)钢的生产工艺采用“电炉+精练+电渣重熔”的双联冶炼工艺，导致生产成本偏高。

此专利的N1310无磁钢的化学成分及力学性能分别见表1和表2。

表1300系传统无磁钢和N1310无磁钢的化学成分(wt％)

	C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Mo	Nb	N
											300系传统无磁钢	≤0.12	≤1.00	≤2.00	≤0.030	≤0.040	17.0～19.0	8.0～11.0	-	-	-
N1310无磁钢	≤0.15	0.80～3.00	17.0～20.0	≤0.030	≤0.035	12.0～15.0	1.0～2.0	0.80～1.20	0.20～0.50	0.25～0.50

表2300系传统无磁钢和N1310无磁钢的力学性能

	外径尺寸规格	Rp0.2(MPa)	Rm(MPa)	A(％)	AKv(J)	HB
							300系传统无磁钢	≤300mm	≥205	≥520	≥40	≥150	≥180
N1310无磁钢	≤300mm	≥689	≥823	≥25	≥68	≥285

石油无磁钻铤用于石油钻探过程中方位的调整，是石油开采必用的部件。生产石油无磁钻铤主要是石油机械制造企业，该类企业由于只有机械加工能力，没有炼钢和热加工成形的能力，因此必然得大量购入坯料。目前，石油钻铤用无磁钢大部分采用进口，小部分国内生产，而国内的坯料供应商存在冶炼能力不足、产量有限、坯料质量不稳定、销售价格过高等问题。

为了解决上述问题，本发明者通过研究开发出了一种无磁性强韧化不锈钢，该无磁性强韧化不锈钢原料成本低廉、生产工艺简单、具有稳定的无磁性及加工强硬化系数，并且其抗腐蚀性能较强，耐晶间腐蚀合格率达90％以上，能够满足石油无磁钻铤用钢的使用要求。

本发明的一个目的在于提供一种无磁性强韧化不锈钢。

本发明的另一个目的在于提供所述无磁性强韧化不锈钢的制造方法。

发明内容

本发明的第一个方面提供一种无磁性强韧化不锈钢，其化学化学成分以重量比计包括：C≤0.12％、Si≤1.50％、Mn：14.5～16.5％、S≤0.010％、P≤0.030％、Cr：15.1～16.0％、Ni≤0.90％、Mo≤0.70％、Nb≤0.35％、N：0.25～0.50％，余量为Fe和不可避免杂质。

本发明无磁性强韧化不锈钢的化学成分作用如下：

碳是强烈形成、稳定和扩大奥氏体区的元素，但是碳含量太高会降低不锈钢的塑性，而且对不锈钢的耐蚀性不利，所以应控制碳含量≤0.12％，以减少对钢的耐腐蚀性能的不良影响。氮在不锈钢中也是非常强烈形成、稳定和扩大奥氏体区的元素，并可提高钢的加工硬化系数以满足高强度高韧性的要求。一定的碳含量和氮含量可保证钢的强度，同时与镍、锰共同作用确保钢的组织为单一奥氏体，从而保证其无磁性。

控制15～16％的铬含量与钼、铌、硅、镍配合以确保该钢具有不锈性和耐腐蚀性并参与固熔强化。

硅、铬、锰、氮等元素的配合对钢的加工硬化起着重要作用。

提高铬含量，降低碳含量和锰含量，使钢的耐腐蚀性能显著提高。

降低硫、磷含量可有效提高钢的韧性。

降低贵重金属镍、钼、铌及锰含量，主要是在保证钢的理化性能的同时，降低原材料成本。

按上述合理的化学成分设计能保证本发明的不锈钢具有100％的奥氏体组织，在不高于零下100℃足够低的相变点，确保钢具有稳定的无磁性及其加工强硬化系数、足够大的耐各种腐蚀(主要是耐晶间腐蚀)的能力、优良的强韧性配合、低的原材料成本要求，保证钢材基本物理、化学性能满足使用要求。

本发明的第二个方面提供所述无磁性强韧化不锈钢的制造方法，该方法包括冶炼、锻造开坯、表面精整、径锻成材，其中冶炼采用电炉直接成锭；钢坯经80％变形量的预锻之后，停锻待温度降至800℃，在不高于800℃的条件下，进行20％变形量的径锻成材。

在一个优选实施方式中：冶炼为电炉-LFV精炼或电炉-AOD精炼-LFV精炼。

在另一个优选实施方式中：锻造开坯采用快锻或径锻开坯。

在另一个优选实施方式中：在径锻成材过的过程中，先将钢坯加热至1120±20℃，升温速度为80℃/小时，保温时间为2～3小时。

下面，对本发明无磁性强韧化不锈钢的制造工艺作详细叙述。

(1)冶炼工艺

采用“电炉+精炼”的冶炼工艺代替原有的“电炉+精炼+电渣重熔”冶炼工艺，实现了电炉直接成锭，简化了工序，缩短了工期，从而降低成本，提高生产效率。

电炉冶炼过程主要是去除磷、硫等有害杂质元素，当磷含量低于0.010％、硫含量低于0.005％时，出钢转精炼炉精炼。

精炼过程首先是经AOD精炼，吹氧去碳至0.04％左右、脱氧还原，扒渣进一步去除磷和硫，再转LFV精炼，真空脱气，再次降低硫的含量至0.002％左右，调整成分；

当电炉冶炼过程中碳已达到0.04％左右，且磷含量低于0.010％、硫含量低于0.005％时，出钢可以直接转LFV精炼，调整成分，扒渣-造新渣-降低硫含量至0.002％左右出钢。

在“电炉+AOD精炼+LFV精炼”或“电炉+LFV精炼”的冶炼过程中严格控制冶炼工艺，加强脱气去除夹杂物操作，确保钢的主元素化学成分均匀达标、杂质元素含量符合要求，同时也解决了现有技术中生产工艺的复杂所导致的成本高、效率低的问题。

(2)热加工锻造成形工艺

采取超低温大变形锻造工艺，解决钢的强度、硬度难以达标的问题，也就是采用快-径联合或径-径联合锻造成形，严格控制变形率(最后两道次变形量不小于20％)和变形温度(低于800℃)以解决产品力学性能不稳定问题。

为防止探伤及表面缺陷，钢锭采用快锻或径锻高温加热开坯，保证钢坯顺利变形、内在冶金质量均匀而致密。将表面精整后的钢坯通过径锻机一火成材，由于石油无磁钻铤具有严格的尺寸精度(9.4m长度定尺、同心度，直径公差等)和非常高的强韧性配合，因此钢必须在低温下具有足够大的变形以提高强硬度并且在此状态下直接使用，此工艺区别于其他钢种常规采用的热处理强化。径锻机锻造的特点为可以维持在一定的温度范围内加工变形，变形量及变形温度均匀一致，尺寸精度及表面质量非常好，因此径锻机是钢生产中非常有效的锻造机械。本发明的不锈钢经低温加热径锻变形80％后，停锻待温度降至800℃，在不高于800℃的条件下，经径锻机锻造变形20％成材，从而保证了钢材内在组织结构的精细和均匀，大幅度提高了钢材的强度，同时，在该状态下使用仍然有较好的韧性配合。

本发明的有益效果为：

(1)本发明无磁性强韧化不锈钢的化学成分设计合理，综合力学性能优良，并且钢中的镍、钼、铌等贵重金属含量较少，不仅降低了原材料成本，而且提高了本发明钢种的市场竞争力；

(2)以“电炉+精炼”取代原有的“电炉+精炼+电渣重熔”的冶炼工艺，简化了工序，缩短了工期，从而降低制造成本，提高生产效率；

(3)径锻机锻造成材，保证钢材内在组织结构的精细和均匀，加工硬化保证力学性能合格；

(4)本发明的无磁性强韧化不锈钢具有稳定的无磁性及加工硬化系数，其抗腐蚀能力较强，主要技术指标耐晶间腐蚀合格率达90％以上，能够满足石油无磁钻铤用钢的使用要求。

附图说明

图1是径锻机锻造成材工艺的示意曲线图。图中，a段为预锻，b段为径锻，c段为空冷。

具体实施方式

以下用实施例结合附图对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。

实施例1-7：

按表3所示的化学成分冶炼不锈钢，冶炼采用电炉-AOD精炼-LFV精炼或电炉-LFV精炼冶炼。电炉直接成锭后，采用快锻或径锻对钢锭高温加热开坯，钢坯经表面精整后通过径锻机一火成材。如图1所示，在径锻成材的过程中，先将钢坯加热至1120±20℃，升温速度为80℃/小时，保温时间为2～3小时，再通过80％变形量的预锻(图1中的a段)之后，停锻待温度降至800℃，约0.2小时左右，然后在不高于800℃的条件下，进行20％变形量的径锻成材(图1中的b段)，约0.1小时左右。锻后的钢材在空气中自然冷却(图1中的c段)。

表3本发明实施例1-7的无磁性强韧化不锈钢的化学成分(wt％)

	C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Mo	Nb	N
											实施例1	0.065	0.93	15.50	0.002	0.020	15.21	0.86	0.63	0.30	0.35
实施例2	0.060	0.88	15.45	0.003	0.016	15.44	0.87	0.65	0.32	0.36
											实施例3	0.073	0.90	15.56	0.002	0.018	15.48	0.83	0.63	0.31	0.35

实施例4	0.062	0.92	15.55	0.002	0.017	15.43	0.83	0.62	0.30	0.37
											实施例5	0.075	0.96	15.51	0.003	0.020	15.50	0.85	0.62	0.31	0.35
实施例6	0.080	0.98	15.48	0.003	0.019	15.35	0.87	0.64	0.32	0.36
											实施例7	0.078	0.93	15.60	0.003	0.019	15.45	0.83	0.65	0.29	0.35

试验例1：

对本发明实施例1-7的无磁性强韧化不锈钢进行力学性能测试，其结果见表4。

表4本发明实施例1-7的无磁性强韧化不锈钢的力学性能

试验例2：

按国家标准GB/T4334.5《不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法》对本发明的无磁性强韧化不锈钢的耐晶间腐蚀性能进行测试，测试结果显示本发明不锈钢的耐晶间腐蚀合格率达90％以上。

试验例3：

对本发明实施例1-7的无磁性强韧化不锈钢的宏观、微观质量进行检验，检验结果见表5。

表5本发明实施例1-7的无磁性强韧化不锈钢的

宏观、微观质量检验统计

结合表3、表4和表5可以看出，采用上述化学成分设计及制造工艺得到的无磁性强韧化不锈钢，其力学性能已达到或超过了国际相同产品的标准。本发明不锈钢的纯洁度、均质化程度也远远超过使用要求，为延长钢材使用寿命提供了保障。该不锈钢的重要物理性能磁导率合格，具有稳定的无磁性，且比使用要求优一个数量级，其抗腐蚀性能力较强，主要技术指标耐晶间腐蚀合格率达90％以上，能够满足石油无磁钻铤用钢的使用要求。

Claims (5)

1、一种无磁性强韧化不锈钢，其特征在于，所述无磁性强韧化不锈钢的化学成分以重量比计包括：C≤0.12％、Si≤1.50％、Mn：14.5～16.5％、S≤0.010％、P≤0.030％、Cr：15.1～16.0％、Ni≤0.90％、Mo≤0.70％、Nb≤0.35％、N：0.25～0.50％，余量为Fe和不可避免杂质。

2、权利要求1所述的无磁性强韧化不锈钢的制造方法，该方法包括冶炼、锻造开坯、表面精整、径锻成材，其特征在于，冶炼采用电炉直接成锭；钢坯经80％变形量的预锻之后，停锻待温度降至800℃，在不高于800℃的条件下，进行20％变形量的径锻成材。

3、根据权利要求2所述的无磁性强韧化不锈钢的制造方法，其中所述冶炼为电炉-LFV精炼或电炉-AOD精炼-LFV精炼。

4、根据权利要求2所述的无磁性强韧化不锈钢的制造方法，其中所述锻造开坯采用快锻或径锻开坯。

5、根据权利要求2所述的无磁性强韧化不锈钢的制造方法，其中在所述径锻成材过程中，先将钢坯加热至1120±20℃，升温速度为80℃/小时，保温时间为2～3小时。