CN103602795B - 一种高强高硬耐海洋腐蚀无磁钢的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强高硬耐海洋腐蚀无磁钢的热处理方法，属于合金材料领域，依次包括以下步骤：（1）熔炼后的耐蚀防磁钢在温度不大于500℃时进入热处理炉内；（2）升温到600～650℃，升温速率为80～100℃/h，恒温2～3小时；（3）升温到1050～1080℃，升温速率为80～100℃/h，恒温5～6小时；固溶处理.经焊接组合及机加工后进行稳定化热处理，其过程如下：（1）升温到600～630℃，升温速率为100～120℃/h，恒温2～3小时；（2）升温到820～850℃，升温速率为100～120℃/h，恒温6～8小时随炉冷至室温，结束。本发明是一种既无磁，也防海洋腐蚀且具备较高强度和硬度的新无磁钢的热处理方法。
Description
技术领域
本发明属于合金材料制备领域，尤其涉及海洋石油勘探用材料，特别是海洋石油勘探测井车滚筒用耐海洋腐蚀防磁钢的制备。
背景技术
目前，国内外石油工业测井车、测井拖撬等设备滚筒均用ZG3Mn19Cr4无磁钢制造，无磁钢的冶炼及加工技术在国内已经十分成熟。但是，该材料在使用过程中强度和耐磨性不能满足使用要求，特别是在海洋环境下工作，其耐腐蚀的能力显著不足，不仅影响了滚筒的外观质量，同时极大的影响了滚筒的使用寿命，导致测井车滚筒更换频率的增加。
发明内容
本发明的目的在于：提出一种既无磁，也防海洋腐蚀且具备较高强度和硬度的新无磁钢的热处理方法。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种高强高硬耐海洋腐蚀无磁钢的热处理方法，依次包括以下步骤：
（1）熔炼后的耐蚀防磁钢在温度不大于500℃时进入热处理炉内；
（2）升温到600～650℃，升温速率为80～100℃/h，恒温2～3小时；
（3）升温到1050～1080℃，升温速率为80～100℃/h，恒温5～6小时；固溶处理；
经焊接组合及机加工后进行稳定化热处理，其过程如下：
（1）升温到600～630℃，升温速率为100～120℃/h，恒温2～3小时；
（2）升温到820～850℃，升温速率为100～120℃/h，恒温6～8小时随炉冷至室温，结束。
作为选择，依次包括以下步骤：
（1）熔炼后的耐蚀防磁钢在温度不大于500℃时进入热处理炉内；
（2）升温到600～650℃，升温速率为80～100℃/h，恒温2小时；
（3）升温到1050～1080℃，升温速率为80～100℃/h，恒温5小时；固溶处理；
经焊接组合及机加工后进行稳定化热处理，其过程如下：
（1）升温到600～630℃，升温速率为100～120℃/h，恒温2小时；
（2）升温到820～850℃，升温速率为100～120℃/h，恒温6小时随炉冷至室温，结束。
作为选择，依次包括以下步骤：
（1）熔炼后的耐蚀防磁钢在温度不大于500℃时进入热处理炉内；
（2）升温到600～650℃，升温速率为80～100℃/h，恒温3小时；
（3）升温到1050～1080℃，升温速率为80～100℃/h，恒温6小时；固溶处理；
经焊接组合及机加工后进行稳定化热处理，其过程如下：
（1）升温到600～630℃，升温速率为100～120℃/h，恒温3小时；
（2）升温到820～850℃，升温速率为100～120℃/h，恒温8小时随炉冷至室温，结束。
作为选择，依次包括以下步骤：
（1）熔炼后的耐蚀防磁钢在温度不大于500℃时进入热处理炉内；
（2）升温到600～650℃，升温速率为80～100℃/h，恒温2.5小时；
（3）升温到1050～1080℃，升温速率为80～100℃/h，恒温5.5小时；固溶处理；
经焊接组合及机加工后进行稳定化热处理，其过程如下：
（1）升温到600～630℃，升温速率为100～120℃/h，恒温2.5小时；
（2）升温到820～850℃，升温速率为100～120℃/h，恒温7小时随炉冷至室温，结束。
采用前述热处理方法的高强高硬耐海洋腐蚀无磁钢，各组分及其重量百分比为：
C 0.25%～0.35%，
Si 0.7%～1.00%，
Mn 0.50%～1.50%，
Cr 17.00%～19.00%，
Ni 11.00%～13.00%，
Mo 2.00%～2.50%，
V 0.45%～0.55%，
Ti 0.13%～0.18%，
Nb 0.10%～0.15%，
RE 0.13%～0.18%，
Fe 61.59%～67.74%。
所述Fe包括微量杂质，如P、S等，含量通常控制在0.04%以下。
作为选择，各组分及其重量百分比为：
C：0.30%，Si：0.80%，Mn：0.85%，Cr：18.00%，Ni：12.00%，Mo：2.00%，V：0.50%，Nb：0.15%，Ti：0.15%，RE：0.15%，Fe：65.1%。
作为选择，各组分及其重量百分比为：
C：0.28%，Si：0.83%，Mn：1.20%，Cr：18.8%，Ni：11.5%，Mo：2.25%，V：0.53%，Nb：0.13%，Ti：0.14%，RE：0.16%，Fe：64.18%。
作为选择，各组分及其重量百分比为：
C：0.34%，Si：0.90%，Mn：1.45%，Cr：17.4%，Ni：12.8%，Mo：2.45%，V：0.48%，Nb：0.12%，Ti：0.17%，RE：0.18%，Fe:63.71。
前述高强高硬耐海洋腐蚀无磁钢的铸造方法，依次包括以下步骤：
将原料铁加入熔炼炉中升温熔化，熔炼炉选择中频感应炉，熔化温度在1450℃-1550℃，充分融化后向熔炼炉中依次加入原料镍、锰铁、铬铁、钼铁、钒铁和铌铁，控制各组分元素含量配比达到所需，熔清后，炉温达到1550－1580℃时，脱氧、脱氢、脱氮，将脱氧剂压到炉内深处，再加入钛铁，金属液面此时用覆盖剂盖严，隔断外界空气，稀土硅铁合金加入钢包内。
作为选择，所述加入的原料镍、锰铁、铬铁、钼铁、钒铁和铌铁，料块直径50－80mm。
作为选择，所述加入的钛铁直径3-5mm。
作为选择，所述加入的稀土硅铁合金直径2-5mm。
作为选择，所述脱氧剂采用铝丝、Si-Ca合金或SiC。
本申请发明人针对现有无磁钢的使用考察和了解以及对失效滚筒的分析研究，得出了防磁钢滚筒首先应保证有较高的强韧性和耐磨性，以及无磁性，然后再解决耐蚀性。本发明耐蚀防磁不锈钢成份中，不但加入了防磁及耐腐蚀的主要合金铬、镍、钼，还为了提高强度和耐磨性特意加入钒、钛、铌及微量的稀土和较高的碳含量。针对滚筒在使用中的特殊情况，采用了1050-1080度固溶处理和回火稳定化处理。保证了导磁率小于1.05高斯，强度和硬度完全符合滚筒使用要求。
上述化学成份中，Fe是铁的化学符号；C是碳的化学符号，是耐蚀防磁钢中的主要成份；Si是硅的化学符号；Mn是锰的化学符号；Cr 是铬的化学符号，是耐蚀防磁钢中的主要成份；Ni是镍的化学符号，是耐蚀防磁钢中的主要成份；Mo是钼的化学符号，是耐蚀防磁钢中的主要成份；V是钒的化学符号；Ti钛的化学符号；Nb是铌的化学符号；RE是混合稀土的化学符号。
一.成份的设计：
1）铬(Cr): 是本发明材料中获得耐腐蚀性的主要元素，它在氧化介质中能使钢很快生成一层氧化膜，防止金属基体继续破坏，当铬含量大于13%时与镍、钼元素结合使钢耐腐蚀性能发生一个突跃式的突变。
2）镍(Ni): 是本发明材料中获得奥氏体的主要元素，钢中加入镍用以形成并稳定奥氏体组织，从而获得强度高、韧性好、可焊好以及防磁的材料。与铬配合使用以提高钢的耐腐蚀性能和机械性能及工艺性能。
3）钼(Mo): 能增加本发明材料的钝化作用和耐腐蚀性能，特别在氯离子介质中铬的钝化作用不够的情况下作用更为明显。
4）钒（V）是本发明材料中的特选元素与碳反应形成碳化合物，这类化合物在本发明材料中以细小的颗粒形成晶核，可细化钢的晶粒，提高冲击韧性，增加回火稳定性，并有强烈二次硬化作用。钒的碳化合物是金属碳化合物中最硬最耐磨的，因此可提高本发明材料的耐磨性。经热处理后的钒碳化合物以细小的颗粒弥散分布在奥氏体晶粒内来提高本发明材料的蠕变和持久强度。但钒含量过高会增加钢的脆性，因此钒的含量控制在0.45%～0.55%。
5) 钛（Ti）是本发明材料中的新增元素能细化钢的晶粒，以碳化合物的形式存在，能提高淬透性和回火稳定性，并有二次硬化作用。经热处理后的钛碳化合物能析出弥散分布的拉氏相TiFe2而起到时效强化作用，提高本发明材料的蠕变和持久强度。但钛的含量过高会降低钢的流动性，严重影响钢的铸造质量，因此钛的含量控制在0.13%～0.18%。
6) 铌（Nb）是本发明材料中的特选元素，进入固溶体中，固溶强化作用很强，当固溶于奥氏体时显著提高钢的淬透性，细化晶粒，有二次硬化作用。微量的铌可以在不影响钢塑性和韧性的情况下提高钢的强度，由于细化晶粒的作用能提高钢的冲击韧性并降低脆性转变温度，在奥氏体中能起到固定钢中碳的沉淀硬化作用，提高钢的蠕变强度及屈服强度。由于铌稀缺昂贵，所以含量控制在0.10%～0.15%。
7）混合稀土(RE): 稀土有工业“味精”美称,稀土元素十分活泼，几乎能与所有元素起作用，常以脱氧剂和生核剂形成加入钢液中，净化钢液、改善铸态组织，高熔点的稀土化合物在钢液中形成固态质点.成为结晶核心，加快钢液的凝固速度.细化晶粒使铸态柱状晶变细枝间碳化物变小、改善碳化物不均匀性。实验表明。本发明材料中加入0.13%的稀土基本上能除掉钢液中的S，能夺取FeS和其它金属硫化物中的硫，改善非金属夹杂物形态，有效改善铸造组织和冶金质量，提高钢的强韧性和耐磨性。
8）碳(C): 是本发明中提高材料强度和硬度的主要元素，由于滚筒在使用中必须要有足够的强度和耐磨性，因而在不影响材料导磁率的情况下碳含量选定在0.25-0.35%。
本发明的有益效果：
1）无磁性：导磁率小于1.05高斯；
2）耐腐蚀：完全能承受海水及海上空气的腐蚀；
3）有较高的综合机械性能：强度和硬度均能满足滚筒使用要求；
4）有良好的加工性能：焊接性能和机械加工性能。
5）现场应用：于2010年5月试验样品件用于测试至今还未出现锈蚀剥落和变形以及明显的磨损痕迹，使用周期相比现有材料会达到大幅度提高。
机械性能表：
| 材料 | σs，N/mm2 | σb，N/mm2 | δ5，% | HB |
| 本发明：ZG3Cr18Ni12Mo2VTiNbRE | 500 | 850 | 32 | 215 |
| 现有材料；ZG3Mn19Cr4 | 280 | 550 | 22 | 187 |
附图说明
图1是本发明实施例一的热处理过程示意图。
具体实施方式
下列非限制性实施例用于说明本发明。
实施例一：
1、加工耐蚀防磁钢：将废钢和生铁加入熔炼炉中升温熔化，熔炼炉选择中频感应炉，熔化温度一般在1450℃-1550℃左右，充分融化后（出钢前20分钟）向熔炼炉中依次加入镍板、锰铁、铬铁、钼铁、钒铁和铌铁，料块直径以50－80mm为宜。上述化学成份的质量百分比控制如下：C：0.30%，Si：0.80%，Mn：0.85%，Cr：18.00%，Ni：12.00%，Mo：2.00%，V：0.50%，Nb：0.15%，。熔清后，炉温达到1550－1580℃时，要脱氧、脱氢、脱氮，脱氧剂采用铝丝、Si-Ca合金或SiC，将脱氧剂压到炉内深处，再加入钛铁（直径以3-5mm为宜），Ti:0.15%.金属液面此时用覆盖剂盖严，隔断外界空气，稀土硅铁合金加入钢包内（直径以2-5mm为宜）,RE:0.15%.Fe: 65.1%。
2、熔炼完成后，要对耐蚀防磁钢进行热处理，其过程如下：（1）熔炼后的耐蚀防磁钢在温度不大于500℃时进入热处理炉内；（2）升温到600-650℃，升温速率为80-100℃/h，恒温2.5小时；（3）升温到1050-1080℃，升温速率为80-100℃/h，恒温5.5小时；（4）固溶处理。经焊接组合及机加工后进行稳定化热处理，其过程如下：（1）升温到600-650℃，升温速率为80-100℃/h，恒温3小时；（2）升温到820-850℃，升温速率为80-100℃/h，恒温7小时随炉冷至室温，结束。上述热处理过程如附图所示，其中C1为第一次恒温温度，为600-650℃，C2为第二次恒温温度，为1050-1080℃，h1为第一次恒温时间，为2.5小时，h2为第二次恒温时间，为5.5小时; C3为第三次恒温温度，为600-650℃，C4为第四次恒温温度，为820-850℃，h3为第三次恒温时间，为3小时，h4为第四次恒温时间，为7小时。
经过上述步骤加工完成后的耐蚀防磁钢与高锰防磁钢的机械性能对比如下表所示：
| 材料 | σs，N/mm2 | σb，N/mm2 | δ5，% | HB |
| 本发明：ZG3Cr18Ni12Mo2VTiNbRE | 513 | 812 | 33 | 214 |
| 现有材料；ZG3Mn19Cr4 | 280 | 550 | 22 | 187 |
实施例二：
1、加工耐蚀防磁钢：将废钢和生铁加入熔炼炉中升温熔化，熔炼炉选择中频感应炉，熔化温度一般在1450℃-1550℃左右，充分融化后（出钢前20分钟）向熔炼炉中依次加入镍板、锰铁、铬铁、钼铁、钒铁和铌铁，料块直径以50－80mm为宜。上述化学成份的质量百分比控制如下：C：0.28%，Si：0.83%，Mn：1.20%，Cr：18.8%，Ni：11.5%，Mo：2.25%，V：0.53%，Nb：0.13%。熔清后，炉温达到1550－1580℃时，要脱氧、脱氢、脱氮，脱氧剂采用铝丝、Si-Ca合金或SiC，将脱氧剂压到炉内深处，再加入钛铁（直径以3-5mm为宜）Ti:0.14%，金属液面此时用覆盖剂盖严，隔断外界空气，稀土硅铁合金加入钢包内（直径以2-5mm为宜）RE:0.16%。Fe:64.18%.
2、（1）熔炼后的耐蚀防磁钢在温度不大于500℃时进入热处理炉内；（2）升温到600-650℃，升温速率为80-100℃/h，恒温2.5小时；（3）升温到1050-1080℃，升温速率为80-100℃/h，恒温5.5小时；（4）固溶处理。经焊接组合及机加工后进行稳定化热处理，其过程如下：（1）升温到600-650℃，升温速率为80-100℃/h，恒温3小时；（2）升温到820-850℃，升温速率为80-100℃/h，恒温7小时随炉冷至室温，结束。上述热处理过程如附图所示，其中C1为第一次恒温温度，为600-650℃，C2为第二次恒温温度，为1050-1080℃，h1为第一次恒温时间，为2.5小时，h2为第二次恒温时间，为5.5小时; C3为第三次恒温温度，为600-650℃，C4为第四次恒温温度，为820-850℃，h3为第三次恒温时间，为3小时，h4为第四次恒温时间，为7小时。
| 材料 | σs，N/mm2 | σb，N/mm2 | δ5，% | HB |
| 本发明：ZG3Cr18Ni12Mo2VTiNbRE | 518 | 825 | 33 | 217 |
| 现有材料；ZG3Mn19Cr4 | 280 | 550 | 22 | 187 |
实施例三：
1、加工耐蚀防磁钢：将废钢和生铁加入熔炼炉中升温熔化，熔炼炉选择中频感应炉，熔化温度一般在1450℃-1550℃左右，充分融化后（出钢前20分钟）向熔炼炉中依次加入镍板、锰铁、铬铁、钼铁、钒铁和铌铁，料块直径以50－80mm为宜。上述化学成份的质量百分比控制如下：C：0.34%，Si：0.90%，Mn：1.45%，Cr：17.4%，Ni：12.8%，Mo：2.45%，V：0.48%，Nb：0.12%。熔清后，炉温达到1550-1580℃时，要脱氧、脱氢、脱氮，脱氧剂采用铝丝、Si-Ca合金或SiC，将脱氧剂压到炉内深处，再加入钛铁（直径以3-5mm为宜）Ti:0.17%，金属液面此时用覆盖剂盖严，隔断外界空气，稀土硅铁合金加入钢包内（直径以2-5mm为宜）RE:0.18%，Fe:63.71.
2、熔炼完成后，要对耐蚀防磁钢进行热处理，其过程如下：（1）熔炼后的耐蚀防磁钢在温度不大于500℃时进入热处理炉内；（2）升温到600-650℃，升温速率为80-100℃/h，恒温3小时；（3）升温到1050-1080℃，升温速率为80-100℃/h，恒温5小时；（4）固溶处理。经焊接组合及机加工后进行稳定化热处理，其过程如下：（1）升温到600-650℃，升温速率为80-100℃/h，恒温3小时；（2）升温到830-850℃，升温速率为80-100℃/h，恒温8小时随炉冷至室温，结束。上述热处理过程如附图所示，其中C1为第一次恒温温度，为600-650℃，C2为第二次恒温温度，为1050-1080℃，h1为第一次恒温时间，为3小时，h2为第二次恒温时间，为5小时; C3为第三次恒温温度，为600-650℃，C4为第四次恒温温度，为830-850℃，h3为第三次恒温时间，为8小时，h4为第四次恒温时间，为8小时。
经过上述步骤加工完成后的耐蚀防磁钢与高锰防磁钢的机械性能对比如下表所示：
| 材料 | σs，N/mm2 | σb，N/mm2 | δ5，% | HB |
| 本发明：ZG3Cr18Ni12Mo2VTiNbRE | 530 | 842 | 30 | 225 |
| 现有材料；ZG3Mn19Cr4 | 280 | 550 | 22 | 187 |
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种高强高硬耐海洋腐蚀无磁钢的热处理方法，其特征在于过程如下：
（1）熔炼后的耐蚀防磁钢在温度不大于500℃时进入热处理炉内；
（2）升温到600-650℃，升温速率为80-100℃/h，恒温2.5小时；
（3）升温到1050-1080℃，升温速率为80-100℃/h，恒温5.5小时；
（4）固溶处理；
经焊接组合及机加工后进行稳定化热处理，其过程如下：
（1）升温到600-650℃，升温速率为80-100℃/h，恒温3小时；
（2）升温到820-850℃，升温速率为80-100℃/h，恒温7小时随炉冷至室温，结束；
所述耐蚀防磁钢采用下述配方和熔炼过程制得：
将废钢和生铁加入熔炼炉中升温熔化，熔炼炉选择中频感应炉，熔化温度在1450℃-1550℃，充分融化后向熔炼炉中依次加入镍板、锰铁、铬铁、钼铁、钒铁和铌铁，料块直径以50－80mm为宜，上述化学成份的质量百分比控制如下：C：0.30%，Si：0.80%，Mn：0.85%，Cr：18.00%，Ni：12.00%，Mo：2.00%，V：0.50%，Nb：0.15%；熔清后，炉温达到1550－1580℃时，要脱氧、脱氢、脱氮，脱氧剂采用铝丝、Si-Ca合金或SiC，将脱氧剂压到炉内深处，再加入钛铁，Ti:0.15%.金属液面此时用覆盖剂盖严，隔断外界空气，稀土硅铁合金加入钢包内，RE:0.15%，Fe: 65.1%。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150617 Termination date: 20161118 |
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