CN102925821B

CN102925821B - 无磁高强高耐蚀钻铤用钢及其制造方法

Info

Publication number: CN102925821B
Application number: CN201210496130.XA
Authority: CN
Inventors: 陈金虎; 潘小娟; 赵振铎
Original assignee: Shanxi Taigang Stainless Steel Co Ltd
Current assignee: Shanxi Taigang Stainless Steel Co Ltd
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2032-11-28
Also published as: CN102925821A

Abstract

本发明提供了一种无磁高强高耐蚀钻铤用锻造钢及其制造方法。以重量百分比计，该锻造钢包括：C≤0.05%；Si≤1.00%；Mn？15.00-19.00%；P≤0.030%；S≤0.010%；Cr？17.00-19.00%；Ni？0.40-0.80%；Mo？0.40-0.80%；N0.40-0.60%；B？0.0005-0.0025%，其余为不可避免的杂质和Fe。本发明采用两次锻造，以及水淬快速冷却工艺，使得锻造组织为均匀细小的奥氏体组织。本发明锻造钢具有无磁性、超高强度和优异的耐晶间腐蚀和点腐蚀性能的特点，能够用于钻铤。

Description

无磁高强高耐蚀钻铤用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种钻铤用钢及其制造方法，具体的，涉及一种具有无磁性、超高强度和优异的耐晶间和点蚀性能的钢及其制造方法。

背景技术

在探寻新的油气资源的过程中，需要使用具有机械、物理及化学等方面有特殊性能的高品质钢材。目前已在深海海域发现了新油气田，而勘探这些新油气田所使用的钻探工具，不仅容易接触到各种形态的岩层，还可能与腐蚀性介质发生反应，所以钻具要足够的强度及耐腐蚀性。无磁钢通常作为钻头侧的高灵敏度测量仪的外壳材料，随钻测量（MWD）通过地球的磁场确定钻探工具的确切位置，然后控制钻探的方向。当今油气钻探向地层更深，岩层更复杂进军，为保证钻铤工具在操作中拥有更长的使用奉命，迫切需要提高钻铤各项性能，即强度更强化、稳定的无磁性、更优异的耐蚀性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供了一种无磁高强高耐蚀钻铤用钢锻造件及其制造方法，所得钢锻件具有稳定的奥氏体组织，具有无磁性、超高强度和优异的耐晶间腐蚀和点腐蚀性能的特点，能够用于钻铤。

本发明钢将碳含量控制在≤0.05wt%的超低范围，铬含量控制17.00-19.00wt%、锰含量控制15.00-19.00wt%，扩大了氮在钢中的溶解度，同时按高含量控制钢中的氮含量，使得提高了钢材的强度和耐腐蚀性能并具有稳定的奥氏体组织，并且保证了无磁特性。

本发明钢将硫含量控制在≤0.010%、磷含量控制≤0.030wt%，并且采用电渣二次精炼，减少了产品的偏析现象。本发明钢中加入了0.0005-0.0025wt%硼（B），解决了高锰高氮钢热加工易开裂（表面细裂纹很容易形成）问题，提高了高锰高氮钢的热加工塑性，并细化了晶粒，提高了材料强度。本发明钢采用两次锻造，并且两次锻造间水淬快速冷却工艺，使得锻造组织为均匀细小的奥氏体组织，并且提高了生产效率。

为了解决上述技术问题，本发明提供的第一技术方案是：一种锻造钢，以重量百分比计，该钢包括：C≤0.05%；Si≤1.00%；Mn 15.00-19.00%；P≤0.030%；S≤0.010%；Cr 17.00-19.00%；Ni 0.40-0.80%；Mo 0.40-0.80%；N0.40-0.60%；B 0.0005-0.0025%，其余为不可避免的杂质和Fe；该锻造钢的锻造组织为奥氏体组织。

前述的锻造钢，以重量百分比计，该钢包括：C≤0.03%；Si≤0.20-0.55%；Mn 18.0-19.0%；P≤0.025%；S≤0.003%；Cr 17-17.8%；Ni≤0.50-0.75%；Mo0.50-0.75%；N 0.50-0.60%；B 0.0010-0.0025%，其余为不可避免的杂质和Fe。

前述的锻造钢，其是由如下方法制备得到的：（1）加热：将钢锭在1100-1300℃保温10小时以上；（2）高温锻造：将加热后的钢锭在温度1000-1200℃范围内进行第一次锻造，终锻温度为940-980℃；（3）水淬：将高温锻造后的锻件用水进行冷却，水淬处理后锻件表面温度为500-700℃（优选600℃）；（4）中温锻造：将水淬处理后的锻件进行第二次锻造，终锻温度为610-650℃；（5）冷却：将中温锻造后的锻件冷却到室温。

前述的锻造钢，第一次锻造变形量为总锻造变形量的80-90%，第二次锻造变形量为总锻造变形量的20-10%。

前述的锻造钢，该锻造钢屈服强度大于等于800MPa，抗拉强度大于等于1000MPa，心部硬度大于等于280，表面硬度大于等于320，当磁场强度为800A/m时相对磁导率小于等于1.010，及铜-硫酸铜-16%硫酸晶间腐蚀敏感性测试的180°弯曲不开裂。

前述的锻造钢，所述水淬处理的时间为30秒到2分钟（优选1分钟）。

前述的锻造钢，第一次锻造锻压比为6.44：1，第二次锻造锻压比为1.19：1。

本发明提供的第二技术方案是：一种锻造钢的制备方法，该方法包括：

（1）加热：将钢锭在1100-1300℃保温10小时以上；

（2）高温锻造：将加热后的钢锭在温度1000-1200℃范围内进行第一次锻造，终锻温度为940-980℃；

（3）水淬：将高温锻造后的锻件用水进行冷却，使得水淬处理后锻件表面温度为500-700℃（优选600℃）；

（4）中温锻造：将水淬处理后的锻件进行第二次锻造，终锻温度为610-650℃；

（5）冷却：将中温锻造后的锻件冷却到室温。

前述的锻造钢的制备方法，所述钢锭包括：C≤0.05%；Si≤1.00%；Mn15.00-19.00%；P≤0.030%；S≤0.010%；Cr 17.00-19.00%；Ni 0.40-0.80%；Mo 0.40-0.80%；N 0.40-0.60%；B 0.0005-0.0025%，其余为不可避免的杂质和Fe。

前述的锻造钢的制备方法，高温锻造（2）步骤中，所述第一次锻造变形量为总锻造变形量的80-90%；中温锻造（4）步骤中，锻造变形量为总锻造变形量的20-10%。

前述的锻造钢的制备方法，水淬处理的时间为45秒到1分钟15秒（优选1分钟）。

前述的锻造钢的制备方法，所述锻造钢是锻圆，第一次锻造锻压比为6.44：1，第二次锻造锻压比为1.19：1。

前述的锻造钢的制备方法，所述钢锭是电渣钢锭。

所述电渣钢锭的制备方法为EBT+AOD+LF或转炉+VOD+LF冶炼，模铸成钢锭，然后再电渣成电渣钢锭。

采用本发明的技术方案，至少具有如下有益效果：

（1）本发明将钢中碳含量控制在≤0.05wt%的超低范围，铬含量控制在17.00-19.00wt%范围内、锰含量控制在15.00-19.00wt%范围内，扩大了氮在钢中的溶解度，提高了钢材的强度和耐腐蚀性能并具有稳定的奥氏体组织，保证了无磁特性。

（2）本发明将钢中硫含量控制在≤0.010%、磷含量控制≤0.030wt%，减少了产品的偏析现象。

（3）本发明钢中加入了0.0005-0.0025wt%的硼（B），解决了高锰高氮钢热加工易开裂问题，提高了高锰高氮钢的热加工塑性，并细化了晶粒≥5级，提高了材料强度。

（4）本发明钢的制造方法采用两次锻造，并且两次锻造间水淬快速冷却工艺，使得锻造组织为均匀细小的奥氏体组织，并且提高了生产效率。

（5）本发明所得锻造钢屈服强度大于等于800MPa，抗拉强度大于等于1000MPa，心部硬度大于等于280，表面硬度大于等于320，当磁场强度为800A/m时相对磁导率小于等于1.010，及铜-硫酸铜-16%硫酸晶间腐蚀敏感性测试的180°弯曲不开裂。

附图说明

图1是本发明的无磁高强高耐蚀钻铤用钢的金相组织图。

图2是本发明的无磁高强高耐蚀钻铤用钢断面表面至心部硬度分布图。

具体实施方式

为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明。

本发明提供了一种无磁高强高耐蚀钻铤用钢及其制造方法，所得钢锻件具有稳定的奥氏体组织，具有无磁性、超高强度和优异的耐晶间腐蚀和点腐蚀性能的特点，能够用于钻铤。

一种锻造钢，以重量百分比计，该钢包括：C≤0.05%；Si≤1.00%；Mn15.00-19.00%；P≤0.030%；S≤0.010%；Cr 17.00-19.00%；Ni 0.40-0.80%；Mo 0.40-0.80%；N 0.40-0.60%；B 0.0005-0.0025%，其余为不可避免的杂质和Fe；该锻造钢的锻造组织为奥氏体组织。

优选的，以重量百分比计，该钢包括：C≤0.03%；Si≤0.20-0.55%；Mn18.0-19.0%；P≤0.025%；S≤0.003%；Cr 17-17.8%；Ni≤0.50-0.75%；Mo0.50-0.75%；N 0.50-0.60%；B 0.0010-0.0025%，其余为不可避免的杂质和Fe。

本发明锻造钢可以是锻圆,也可以是多边形锻件，如锻件断面为四边形、六边形。

一种锻造钢的制备方法，该方法包括：

（1）加热：将钢锭在（优选常规箱式加热炉中）1100-1300℃保温10小时以上；

（2）高温锻造：将加热后的钢锭在温度1000-1200℃范围内进行第一次锻造，锻造变形量为总锻造变形量的80-90%，终锻温度为940-980℃；

（3）水淬：将高温锻造后的锻件用水进行冷却，水淬处理的时间为30秒到2分钟（优选1分钟），使得水淬处理后锻件表面温度为500-700℃（优选600℃）；

（4）中温锻造：将水淬处理后的锻件进行第二次锻造，锻造变形量为总锻造变形量的20-10％，终锻温度为610-650℃；

（5）冷却：将中温锻造后的锻件冷却到室温。

本发明高温锻造和中温锻造过程中使用的锻造机是常规锻造过程中使用的设备。

本发明所用钢锭优选电渣锭，按重量百分比计，电渣锭的成分为：C≤0.05%；Si≤1.00%；Mn 15.00-19.00%；P≤0.030%；S≤0.010%；Cr17.00-19.00%；Ni 0.40-0.80%；Mo 0.40-0.80%；N 0.40-0.60%；B0.0005-0.0025%，其余为不可避免的杂质和Fe。

本发明电渣锭的冶炼方法是常规的现有方法，例如可以是将铁水或废钢依次经过电弧炉（EBT）冶炼，AOD（氩氧脱碳法）精炼，LF炉精炼，然后电渣二次精炼；或者将铁水依次经过K-OBM-S转炉冶炼，VOD（真空吹氧脱碳法）精炼，LF炉精炼，然后电渣二次精炼。冶炼过程中使用的电弧炉、AOD钢包、LF炉、电渣炉均为本领域常规设备。

下面具体说明一种具体实施方式的转炉（K-OBM-S）+VOD+LF两步法工艺过程：

1）预处理：在温度大于等于1230℃条件下，采用石灰对铁水预处理，使得P≤0.003wt%，S≤0.025wt%。

2）K-OBM-S冶炼

将预处理后的铁水加入K-OBM-S转炉中冶炼，其中

（1）转炉底吹全程供N₂，优选的流量可以是30m³/min，并且还原结束后加入镍板、钼铁。通常镍板、钼铁的加入量与钢水量有关，在一个优选实施方式中镍板、钼铁按各80公斤/吨钢加入。

（2）K-OBM-S出钢成分为：以重量百分比计，C：0.20-0.30%，Si0.05-0.15%，Mn 1.80-2.00%，P≤0.015%，S≤0.015%，Cr 20.5-21.5%，Ni0.50-0.60%，Mo 0.50-0.60%，

（3）钢水出炉后温度为1640-1660℃。

3）VOD工序

将K-OBM-S转炉冶炼后的钢水加入到VOD中精炼，其中

（1）到站条件：钢水加入到VOD中的温度≥1620℃。

（2）VOD沸腾期和还原期在真空度≤1.0mbar下连续保持时间大于5min；沸腾期和还原期时间≥15min。VOD保持在真空条件下补氮，氮气的供给量为600m³。

（3）还原时使用特硅，然后加入石灰30kg/t，萤石8kg/t，铝1.2-1.5kg/t，以及金属锰3t。本发明中特硅是指杂质少(低C、P、S)的原料，加入后基本不改变钢的成分，具体的是C≤0.03wt%，P、S≤0.01wt%的二氧化硅。

（4）出站成分控制为：[C]≤0.01wt%，[S]≤0.002wt%，[N]≥0.1000wt%，[Si]=0.25%-0.30%。

4）LF精炼

将VOD精炼后的钢水加入到LF中精炼，其中

（1）进站调渣

将钢水升温到1550℃，升温时分批加入电解金属锰。金属锰的加入量要视钢水量和钢水中Mn、N含量而定，在一个优选的实施方式中一次加入量500公斤，约共加入10吨Mn，每加完2批停电，搅拌5min后测温、取样，分析元素情况。采用FeMnN进行补N，底吹搅拌15-20min，然后测温、取样测试；加入FeB，在一个优选实施方式中按照2.5kg/吨钢加入，然后进行弱搅拌，弱搅拌时间≥10min，之后静置5min。LF全程基本采用氮气搅拌。

（2）出站成分

按重量百分比计，钢水成分控制为：C≤0.05%；Si≤1.00%；Mn15.00-19.00%；P≤0.030%；S≤0.010%；Cr 17.00-19.00%；Ni 0.40-0.80%；Mo 0.40-0.80%；N 0.40-0.60%；B 0.0005-0.0025%。

（3）钢水出站温度：1485-1495℃。

下面具体说明一种具体实施方式的电弧炉（EBT）冶炼+AOD（氩氧脱碳法）精炼+LF两步法工艺过程：

1）电炉冶炼

将铁水加入到电弧炉中在3000℃以上进行冶炼。控制电炉中配料为：C2.5wt%，Cr 20.0wt%，Mn2.0-6.5wt%。出钢后要扒净炉渣，电炉中渣厚≤50mm。

2）AOD冶炼

向炉内加入氧化钙，加入量为每吨钢水加10Kg氧化钙，然后向AOD内送Ar/N₂，其比例为1-3：3-1。接着，将电炉冶炼后的铁水加入到AOD炉中冶炼，冶炼温度大于等于1500℃。另外，

（1）AOD全程吹氮，用氮化锰合金微调N、Mn成分，使得钢水中氮含量≥0.45%。

（2）出钢时随钢流加入FeB，加入量为每炉10kg。

（3）AOD出钢渣厚控制在150-250mm。

（4）AOD出钢后渣面加Al粉20-30Kg。

3）LF精炼

将AOD冶炼后的钢水加入到LF中精炼，其中

LF炉使用氮化锰铁进行增氮调整，根据温度情况进行给电升温到1550℃；温度调整合适后喂Ca-Si线200米/炉。软吹时采用氩气搅拌，软吹时间≥10min。软吹后温度为1485-1495℃。

经过上述两种工艺冶炼后，所得钢水按照常规方法浇成锭型。采用GB/T223检测成品，检测结果为该钢包括：C≤0.05%；Si≤1.00%；Mn 15.00-19.00%；P≤0.030%；S≤0.010%；Cr 17.00-19.00%；Ni 0.40-0.80%；Mo 0.40-0.80%；N 0.40-0.60%；B 0.0005-0.0025%，其余为不可避免的杂质和Fe。

下面具体说明电渣二次精炼的工艺过程：1）电渣前处理：将锭的帽口进行切平、表面修磨清理；帽口以切平可安全焊接为准则。

2）电渣工艺参数如下

下面通过具体的实施例来阐述本发明的方法的实施，本领域技术人员应当理解的是，这不应被理解为对本发明权利要求范围的限制。

实施例

本实施例采用的测试方法如表1所示。

表1

实施例1锻圆

本实施的钻铤行业用锻圆直径为180毫米，长9600毫米，化学成分（重量百分数）为：C 0.026%；Si 0.48%；Mn 18.27%；P 0.022%；S 0.0016%；Cr17.68%；Ni 0.52%；Mo 0.62%；N 0.557%；B 0.0015%；其余为不可避免的杂质和Fe的组分。

本实施例锻圆的制备方法如下：

A制备电渣锭，按照具体实施方式中记载的（K-OBM-S）+VOD+LF制备电渣锭，测得该电渣锭的成分为(重量百分比)：C 0.026%；Si 0.48%；Mn18.27%；P 0.022%；S 0.0016%；Cr 17.68%；Ni 0.52%；Mo 0.62%；N 0.557%；B 0.0015%；其余为不可避免的杂质和Fe的组分。电渣锭尺寸为Φ500mm。

B 加热

将电渣锭在箱式加热炉中于1250±10℃保温10小时。

C 高温锻造

将加热处理后的电渣锭采用1800吨径锻机锻造成Φ197mm的锻圆，锻压比为6.44:1，终锻温度为960±20℃。

D 水淬

将高温锻造得到的锻件在水池中快速冷却大约60秒，使得锻件表面温度为600℃。

E 中温锻造

将水淬处理后的锻件采用1800吨径锻机锻造成Φ180mm的锻圆，锻压比为1.19:1，终锻温度为630±20℃。

F冷却

将中温锻造后的锻件放置冷床自然冷却到室温。

图1所示是实施例1所得锻件的金相组织图。图1（a）是本实施例所得锻件边部金相组织图，图1（b）是本实施例所得锻件半径1/2处金相组织图，图1（c）是本实施例所得锻件心部金相组织图。本实施例所得锻件边部晶粒为7级，本实施例所得锻件边部半径1/2处晶粒为6级，本实施例所得锻件锻圆心部晶粒为5-6级，说明本实施例锻件奥氏体分布均匀，晶粒得到细化。

图2所示是实施例1所得锻件断面从表面到心部的硬度分布图，由该图可以看出，本实施例锻件表面硬度达到340HB以上，心部硬度达到280HB以上，由表面到心部的硬度变化缓慢，满足钻铤行业要求。

实施例2-7

实施例2-7采用与实施例1基本相同的工艺方法，不同之处如表2所示。

表2

对实施例1-7得到的锻件进行测试，所得测试结果如表3所示。

表3

根据表3可以看出，实施例1-7所得锻件的屈服强度在885-966MPa之间，抗拉强度在995-1080MPa之间，断后伸长率在30.5-35%之间，断面收缩率在70-73%之间，硬度在305-322之间，相对磁导率在1.003-1.005之间，满足钻铤用钢的要求。

Claims

1.一种无磁锻造钢，其特征在于，以重量百分比计，该钢包括：C≤0.05％；Si≤1.00％；Mn 15.00-19.00％；P≤0.030％；S≤0.010％；Cr 17.00-19.00％；Ni 0.40-0.80％；Mo 0.40-0.80％；N 0.40-0.60％；B 0.0005-0.0025％，其余为不可避免的杂质和Fe；该锻造钢的锻造组织为奥氏体组织；

其中，制备该无磁锻造钢所使用的钢锭为电渣锭，其是经过电渣二次精炼而得到的；

其中，所述锻造钢是由如下方法制备得到的：

(1)加热：将钢锭在1100-1300℃保温10小时以上；

(2)高温锻造：将加热后的钢锭在温度1000-1200℃范围内进行第一次锻造，终锻温度为940-980℃；

(3)水淬：将高温锻造后的锻件用水进行冷却，水淬处理后锻件表面温度为500-700℃；

(4)中温锻造：将水淬处理后的锻件进行第二次锻造，终锻温度为610-650℃；以及

(5)冷却：将中温锻造后的锻件冷却到室温。

2.根据权利要求1所述的锻造钢，其特征在于，以重量百分比计，该钢包括：C≤0.03％；Si0.20-0.55％；Mn 18.0-19.0％；P≤0.025％；S≤0.003％；Cr 17-17.8％；Ni 0.50-0.75％；Mo 0.50-0.75％；N 0.50-0.60％；B 0.0010-0.0025％，其余为不可避免的杂质和Fe。

3.根据权利要求1所述的锻造钢，其特征在于，步骤(3)中，水淬处理后锻件表面温度为600℃。

4.根据权利要求1所述的锻造钢，其特征在于，第一次锻造变形量为总锻造变形量的80-90％，第二次锻造变形量为总锻造变形量的10-20％。

5.根据权利要求1-4任一项所述的锻造钢，其特征在于，所述水淬处理的时间为30秒到2分钟。

6.根据权利要求5所述的锻造钢，其特征在于，所述水淬处理的时间为1分钟。

7.根据权利要求1-4或6任一项所述的锻造钢，其特征在于，该锻造钢屈服强度大于等于800MPa，抗拉强度大于等于1000MPa，心部硬度大于等于280HB，表面硬度大于等于320HB，当磁场强度为800A/m时相对磁导率小于等于1.010，晶粒≥5级，及铜-硫酸铜-16％硫酸晶间腐蚀敏感性测试的180°弯曲不开裂。

8.根据权利要求5所述的锻造钢，其特征在于，该锻造钢屈服强度大于等于800MPa，抗拉强度大于等于1000MPa，心部硬度大于等于280HB，表面硬度大于等于320HB，当磁场强度为800A/m时相对磁导率小于等于1.010，晶粒≥5级，及铜-硫酸铜-16％硫酸晶间腐蚀敏感性测试的180°弯曲不开裂。

9.一种如权利要求1所述的无磁锻造钢的制备方法，该方法包括：

(1)加热：将钢锭在1100-1300℃保温10小时以上；

(3)水淬：将高温锻造后的锻件用水进行冷却，使得水淬处理后锻件表面温度为500-700℃；

(5)冷却：将中温锻造后的锻件冷却到室温。

10.根据权利要求9所述的无磁锻造钢的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，水淬处理后锻件表面温度为600℃。

11.根据权利要求9或10所述的锻造钢的制备方法，其特征在于，所述钢锭包括：C≤0.05％；Si≤1.00％；Mn 15.00-19.00％；P≤0.030％；S≤0.010％；Cr 17.00-19.00％；Ni 0.40-0.80％；Mo 0.40-0.80％；N 0.40-0.60％；B0.0005-0.0025％，其余为不可避免的杂质和Fe。

12.根据权利要求9或10所述的锻造钢的制备方法，其特征在于，高温锻造(2)步骤中，所述第一次锻造变形量为总锻造变形量的80-90％；中温锻造(4)步骤中，锻造变形量为总锻造变形量的10-20％。

13.根据权利要求9或10所述的锻造钢的制备方法，其特征在于，水淬处理的时间为30秒到2分钟。

14.根据权利要求13所述的锻造钢的制备方法，其特征在于，水淬处理的时间为1分钟。