CN106756526A - 一种新型高强高耐蚀无磁不锈钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型高强高耐蚀无磁不锈钢及制造方法。无磁不锈钢化学成分以重量百分比计，包括：C≤0.03%；Si≤1.00%；Mn15.00‑20.00%；P≤0.025%；S≤0.010%；Cr17.00‑21.00%；Ni2.00‑4.50%；Mo1.50‑3.00%；N0.40‑0.65%，其余为Fe和不可避免的微量杂质。上述无磁钢采用中频炉+AOD氩氧炉+电渣重熔相结合的冶炼方法，经三级精炼，保证材料纯净度及化学成分均匀性，经油压快锻机+精锻机联合锻造开坯，粗车表面清理缺陷，强化锻造，并结合淬水工艺。该不锈钢具有良好的热锻塑性和机械加工性，适用于生产无磁钻铤、无磁稳定器、无磁承压钻杆及无磁悬挂短节等产品。

Description

一种新型高强高耐蚀无磁不锈钢及其制造方法

技术领域

本发明属于不锈钢技术领域，具体地说是一种具有高强度、高抗点腐蚀和晶间腐蚀的新型高强高耐蚀无磁不锈钢及其制造方法。

背景技术

近年来，随着全球能源使用量的不断增加，对油气资源的需求量也逐渐加大，新油田开采、勘探活跃。石油开采不仅从陆地垂直开采，而且增加了从陆地向海滩油田开采和海上基地多种开采的倾斜开采。所以，超深井、水平井、丛式井、定向钻井技术的应用越来越广泛，对无磁钻具的需求量也逐渐加大。在地质条件恶劣地区开采钻进过程中，开采泥水中含有高浓度的氯化钠和氯化钾等氯化物，所以，要求钻具具有优良的抗严酷腐蚀环境的耐蚀性。针对特殊地理环境下的钻采需要使用机械、物理及化学等方面有特殊性能要求的高品质钢材。

从上世纪30年代无磁钻具用材料的研发开始，其发展经历了300系列不锈钢、蒙乃尔合金以及Cr-Mn-N系奥氏体不锈钢等几代材料，由于Cr-Mn-N系奥氏体不锈钢具有综合优良性价比优势，所以它是世界上用于制造高性能无磁钻具的主流材料。目前市场上主要应用的Cr-Mn-N系奥氏体不锈钢无磁钻具材料有两种类型，一类是以N1310牌号为代表的无磁钢，它是由抚钢与中科院金属研究所以及辽河油田钻采研究员联合开发，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 ），其化学成分见下表1。

表1 N1310无磁钢化学成分

该类型无磁钢力学性能可以达到我国SY/T5144标准要求，但由于成分中具有较高的C含量，以及制造工艺的制约，按照测定奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感度的铜-硫酸铜-硫酸试验方法，其晶间腐蚀合格率只有50%，不能完全满足市场需求；

另一类是在N1310基础上，降低C含量至0.03%以下，提高Cr含量至16%～18%，通过化学成分的调整，改进抗晶间腐蚀的有益元素含量，虽然有效提升了材料的抗晶间腐蚀性能，但该类型无磁钢Mo含量较低，不超过1.5%，耐点蚀当量＜30，抗点腐蚀能力较差，虽然可以满足一般地理环境下使用，但在特殊地理环境下使用，比如含有高浓度的氯化钠的海洋环境，以及含有氯化钾等氯化物的特殊环境，就会增加点腐蚀开裂倾向，最终导致无磁钻具出现刺漏，无法正常使用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的耐点蚀当量＜30、抗点腐蚀能力较差的缺点提供一种新型高强高耐蚀无磁不锈钢及其制造方法，该钢种属于奥氏体不锈钢，具有低磁性、高强度、出色的抗点腐蚀和晶间腐蚀性能及机械加工性能，可用于生产无磁钻具产品。

本发明的技术方案是这样实现：一种新型高强高耐蚀无磁不锈钢，该无磁不锈钢化学成分按重量百分比计，包括：C≤0.03%；Si≤1.00%；Mn15.00-20.00%；P≤0.025%；S≤0.010%；Cr17.00-21.00%；Ni2.00-4.50%；Mo1.50-3.00%；N0.40-0.65%，其余为Fe和不可避免的微量杂质。所列举的仅为关键元素，其余为Fe，本钢种的合金含量在40%～50%之间。

所述化学成分中Cr、Mo及N元素满足耐点蚀当量计算公式：PREN=1×Cr（wt.%）+3.3×Mo（wt.%）+16×N（wt.%）＞32。

该不锈钢耐点蚀当量PREN值大于32，屈服强度大于等于965MPa，抗拉强度大于等于1034MPa，冲击功大于等于150J，表面硬度大于350HB，在施加±552MPa循环应力状态下，疲劳寿命达到10万次以上，晶间腐蚀满足ASTM A262标准要求，相对磁导率小于1.005，磁感应梯度最大偏差不超过±0.04μT。

一种新型高强高耐蚀无磁不锈钢制造方法，该方法包括如下步骤：

⑴ 采用中频炉+AOD氩氧炉+电渣重熔相结合的冶炼方法，经过三级精炼生产电渣锭；

⑵ 电渣锭在台车式加热炉中加热至1150℃～1230℃，并保温5～10小时；

⑶ 第一次锻造：由油压快锻机和精锻机进行联合锻造，将电渣锭锻造为中间坯，始锻温度1000～1150℃，终锻温度800～950℃，空冷至室温；

⑷ 对中间坯进行粗车，清理表面缺陷；

⑸ 加热：中间坯在台车式加热炉中加热至1050℃～1220℃，保温4～7小时；

⑹ 第二次锻造：

① 由精锻机将中间坯锻造为预成坯；

② 将预成坯淬水冷却1～5分钟；

③ 待预成坯表面温度返温至500℃～750℃，再进行强化锻造；

④ 强化锻造结束后立即进行二次淬水，冷却时间5～15分钟，出水后锻件表面温度不大于200℃。

中间坯尺寸在φ250mm～φ500mm范围内。

预成坯尺寸为在最终锻件尺寸基础上留有10%～30%余量。

本发明的技术方案产生的积极效果如下：⑴ 本发明化学成分设计合理，与300系列奥氏体不锈钢相比，实现了以锰、氮代替60%～80%镍，即确保了组织全部为奥氏体组织，低磁性，又降低了生产成本；

⑵ 强化锻造前后采用两次淬水工艺，有效躲避了晶间有害析出物的敏感温度区间，提升了材料的抗腐蚀性能，由于具有较高的耐点蚀当量，能够满足在海洋环境下使用；

⑶ 强化锻造前后采用两次淬水工艺，缩短了等待降温时间，提高了生产效率；

⑷ 采用油压快锻机和精锻机联合锻造方式，充分发挥设备优势，提高了材料锻透性和成形性，获得均匀的奥氏体组织，锻造余量小，材料性能优良；

⑸ 本发明所生产的无磁不锈钢锻件，适用于生产无磁钻具产品，具有以下优点：

① 具有较高的力学性能。屈服强度大于等于965MPa，抗拉强度大于等于1034MPa，延伸率大于等于20%，断面收缩率大于等于50%，夏比V型冲击大于等于150J。综合力学性能优良，其中屈服和抗拉强度高于美国石油学会API标准和我国石油天然气行业SY/T5144标准20%～30%；

② 具有优良的抗疲劳性能和耐磨性。按GB/T4337标准进行旋转弯曲疲劳试验，在施加±552MPa循环应力状态下，疲劳寿命达到10万次以上；并且材料表面硬度大于350HB，高于美国石油学会API标准和我国石油天然气行业SY/T5144标准20%～40%，所以具有出色的耐磨性。由于该种不锈钢具有优良的抗疲劳性能和耐磨性，将大幅度提升不锈钢材料的使用寿命；

③ 具有较强的抗腐蚀性能。能够满足美国试验与材料学会标准ASTM A262 的A法和E法检测；

④ 具有较低的磁性能。相对磁导率＜1.005，磁感应梯度最大偏差不超过±0.04μT。

附图说明

图1为实施例一拉伸试验应力应变曲线。

图2为实施例二拉伸试验应力应变曲线。

图3和4为实施例一中按照ASTM A262 A法检测晶间腐蚀的金相照片。

图5和6为实施例二按照ASTM A262 A法检测晶间腐蚀的金相照片。

图7为实施例一磁感应梯度检测结果。

图8为实施例二磁感应梯度检测结果。

具体实施方式

实施例一

一种新型高强高耐蚀无磁不锈钢，用来生产φ177.8×9800mm规格无磁钻铤，化学成分按重量计为：C 0.02；Si0.63；Mn17.55；P0.017；S0.005；Cr19.51；Ni3.23；Mo2.02；N 0.53；其余为Fe和不可避免的微量杂质。耐点蚀当量PREN=1×Cr（wt.%）+3.3×Mo（wt.%）+16×N（wt.%）=34.7＞32。该无磁钢由中频炉、AOD氩氧炉精炼，再经电渣重熔后进行锻造，具体制造方法包括如下步骤：

⑴ 加热：将φ600mm直径电渣锭置于台车式加热炉中，加热到1220±10℃，保温7小时；

⑵ 第一次锻造：在3150吨油压快锻机上进行开坯，拔长至φ450mm，再由1800吨精锻机锻造至φ350mm中间坯（中间坯尺寸在φ250mm～φ500mm范围内），始锻温度1085℃，终锻温度877℃，空冷至室温；

⑶ 对中间坯进行粗车，清理表面缺陷；

⑷ 加热：将粗车后的φ350mm中间坯置于台车式加热炉中，加热到1200±10℃，保温4小时；

⑸ 第二次锻造：在1800吨精锻机上锻至预成坯尺寸，预成坯尺寸为在最终锻件尺寸基础上留有10%～30%余量，本实施例中距目标尺寸还有27%余量；将预成坯淬水冷却100秒，待锻件表面返温至650℃，再进行强化锻造；

⑹ 冷却：将强化锻造后的锻件进行二次淬水冷却，冷却时间6分钟，出水后锻件表面温度116℃；

⑺ 理化检测：在锻件延长段取样进行理化分析，试验结果为：屈服强度1035MPa,抗拉强度1133MPa,延伸率29%，断面收缩率64%，冲击功201J/196J/201J，表面硬度为408HB，疲劳寿命为55.3万次，相对磁导率1.0026, 图1是拉伸试验应力应变曲线，图3和4是按照ASTMA262 A法检测晶间腐蚀的金相照片，图7是磁感应梯度检测结果。

实施例二

一种新型高强高耐蚀无磁不锈钢，用来生产φ241.3×9800mm规格无磁钻铤，化学成分按重量计为：C 0.024；Si0.37；Mn17.30；P0.018；S0.007；Cr19.25；Ni3.34；Mo2.35；N 0.51；其余为Fe和不可避免的微量杂质。耐点蚀当量PREN=1×Cr（wt.%）+3.3×Mo（wt.%）+16×N（wt.%）=35.2＞32。该无磁钢由中频炉、AOD氩氧炉精炼，再经电渣重熔后进行锻造，具体制造方法包括如下步骤：

⑴ 加热：将φ700mm直径电渣锭置于台车式加热炉中，加热到1220±10℃，保温8小时；

⑵ 第一次锻造：在3150吨油压快锻机上进行开坯，拔长至φ500mm，再由1800吨精锻机锻造至φ450mm中间坯，始锻温度1062℃，终锻温度912℃，空冷至室温；

⑶ 对中间坯进行粗车，清理表面缺陷；

⑷ 加热：将粗车后的φ450mm中间坯置于台车式加热炉中，加热到1200±10℃，保温5小时；

⑸ 第二次锻造：在1800吨精锻机上锻至预成坯尺寸，距目标尺寸还有23%余量；将预成坯淬水冷却210秒，待锻件表面返温至650℃，再进行强化锻造；

⑹ 冷却：将强化锻造后的锻件进行二次淬水冷却，冷却时间10分钟，出水后锻件表面温度143℃；

⑺ 理化检测：在锻件延长段取样进行理化分析，试验结果为：屈服强度1031MPa,抗拉强度1141MPa,延伸率32%，断面收缩率70%，冲击功229J/237J/219J，表面硬度为398HB，疲劳寿命为49.7万次，相对磁导率1.0037，图2是拉伸试验应力应变曲线，图5和6是按照ASTMA262 A法检测晶间腐蚀的金相照片，图8是磁感应梯度检测结果。

Claims (5)

1.一种新型高强高耐蚀无磁不锈钢，其特征在于，该无磁不锈钢化学成分按重量百分比计，包括：C≤0.03%；Si≤1.00%；Mn15.00-20.00%；P≤0.025%；S≤0.010%；Cr17.00-21.00%；Ni2.00-4.50%；Mo1.50-3.00%；N0.40-0.65%，其余为Fe和不可避免的微量杂质。

2.根据权利要求1所述的一种新型高强高耐蚀无磁不锈钢，其特征在于，所述化学成分中Cr、Mo及N元素满足耐点蚀当量计算公式：PREN=1×Cr（wt.%）+3.3×Mo（wt.%）+16×N（wt.%）＞32。

3.一种如权利要求1所述的新型高强高耐蚀无磁不锈钢的制造方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

⑴ 采用中频炉+AOD氩氧炉+电渣重熔相结合的冶炼方法，经过三级精炼生产电渣锭；

⑵ 电渣锭在台车式加热炉中加热至1150℃～1230℃，并保温5～10小时；

⑶ 第一次锻造：由油压快锻机和精锻机进行联合锻造，将电渣锭锻造为中间坯，始锻温度1000～1150℃，终锻温度800～950℃，空冷至室温；

⑷ 对中间坯进行粗车，清理表面缺陷；

⑸ 加热：中间坯在台车式加热炉中加热至1050℃～1220℃，保温4～7小时；

⑹ 第二次锻造：

① 由精锻机将中间坯锻造为预成坯；

② 将预成坯淬水冷却1～5分钟；

③ 待预成坯表面温度返温至500℃～750℃，再进行强化锻造；

④ 强化锻造结束后立即进行二次淬水，冷却时间5～15分钟，出水后锻件表面温度不大于200℃。

4.根据权利要求3所述的一种新型高强高耐蚀无磁不锈钢制造方法，其特征在于，中间坯尺寸在φ250mm～φ500mm范围内。

5.根据权利要求3所述的一种新型高强高耐蚀无磁不锈钢制造方法，其特征在于，预成坯尺寸为在最终锻件尺寸基础上留有10%～30%余量。