CN110205549B - 一种高强韧中氮无磁不锈钢及其制造方法 - Google Patents

一种高强韧中氮无磁不锈钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种高强韧中氮无磁不锈钢及其制造方法，属于材料科学技术领域中的不锈钢材料。该不锈钢成分重量百分数为：14.0＜Cr≤15.5，0.02＜C≤0.05，0.40＜N≤0.45，18.0＜Mn≤20.0，0.5＜Ni≤4.0，0.5＜Mo≤1.0，0.05＜Si≤0.40，0.001＜P≤0.015，0.001＜S≤0.012，余量为Fe。工艺包括：采用电炉+氩氧脱碳炉外精炼+电渣重熔的方法制得铸锭，铸锭通过高温热处理炉加热并保温，铸锭保温结束出炉后立即经过径锻机锻造为中间坯，将中间坯进行水冷处理，将水冷处理后的中间坯经过径锻机二次锻造成为成品钢坯，锻后空冷。优点在于，抗拉强度、屈服强度和硬度显著提升，还保证了足够的室温和高温延伸率，耐点蚀性能和室温冲击韧性显著提升。

Description

一种高强韧中氮无磁不锈钢及其制造方法
技术领域
本发明属于材料科学技术领域中的不锈钢材料，特别是涉及一种高强韧中氮无磁不锈钢及其制造方法。
背景技术
无磁不锈钢是当今国内外陆地、海洋油气定向钻采过程的重要部件，根据国内外相关材料标准的要求，其相对磁导率应低于1.01。用这种材料加工而成的无磁钻铤部件可以为随钻测量(MWD)仪器提供磁屏蔽的环境，避免大地磁场对定向钻探过程的干扰，从而保证定向钻进方向的精确性。同时，在无磁钻铤与旋转导向(RSS)系统的共同作用下,还可以根据钻探要求实时调整井眼轨迹。由于井下苛刻的服役环境，还要求无磁不锈钢材料具有很高的强度、耐晶间腐蚀性能，以保证无磁钻铤部件长期稳定的服役寿命。同时还需要兼顾经济性。
无磁不锈钢是从传统的Cr-Ni不锈钢发展而来的。在Cr-Ni不锈钢成分体系的基础上，利用Mn和N元素部分或者全部替代了价格相对较高的Ni元素作为奥氏体稳定化元素，大幅度降低了原材料成本。同时由于N元素显著的间隙强化作用和极高的点蚀当量，对不锈钢基体的强度和耐蚀性能也有了一定的提升。在过去的几十年中，随着对性能和成本需求的差异，无磁不锈钢材料大致经历了Mn和N部分代Ni、Mn和N全部代Ni以及Mo-Ni合金化等三代材料体系的发展。
目前国内外生产、使用量最大的是中氮无磁不锈钢(N含量约为0.25-0.4％)，同时还有一部分高氮无磁不锈钢(N含量约为0.6-0.8％)和少量高耐蚀高氮无磁不锈钢(N含量约为0.6-0.8％同时提高耐蚀元素含量)。这几大类无磁不锈钢种具有差异显著的N和Cr关键元素含量、奥氏体单相平衡设计原则和力学耐蚀性能指标，属于不同的钢种体系。分别应用于腐蚀介质、地质构造、钻井类型完全不同的陆地和海洋油气钻采服役环境中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强韧中氮无磁不锈钢及其制造方法，与现有N含量为0.25-0.4％的中氮无磁不锈钢材料相比，提升了N元素含量、加入了Mo、Ni元素，并对冶炼工艺和径锻机的锻造工艺进行了优化，使其具有更高的抗拉强度、屈服强度、冲击韧性和硬度，同时具有更高的耐点蚀性能。
本发明的一种高强韧中氮无磁不锈钢的各元素重量百分比为：14.0＜Cr≤15.5，0.02＜C≤0.05，0.40＜N≤0.45，18.0＜Mn≤20.0，0.5＜Ni≤4.0，0.5＜Mo≤1.0，0.05＜Si≤0.40，0.001＜P≤0.015，0.001＜S≤0.012，余量为Fe。
本发明的一种高强韧中氮无磁不锈钢的制造方法，包含以下工艺步骤：
(1)依据下列元素重量百分比熔炼钢水：14.0＜Cr≤15.5，0.02＜C≤0.05，0.40＜N≤0.45，18.0＜Mn≤20.0，0.5＜Ni≤4.0，0.5＜Mo≤1.0，0.05＜Si≤0.40，0.001＜P≤0.015，0.001＜S≤0.012，余量为Fe；
(2)采用电炉+氩氧脱碳炉外精炼+电渣重熔的方法制得铸锭；
(3)铸锭通过高温热处理炉加热并保温；
(4)铸锭保温结束出炉后立即经过径锻机锻造为中间坯；
(5)将中间坯进行水冷处理；
(6)将水冷处理后的中间坯经过径锻机二次锻造成为成品钢坯。
(7)锻后空冷。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步，步骤(3)中所述高温热处理炉加热和保温温度为1080℃～1120℃。
进一步，步骤(4)中所述径锻机锻造的终锻温度为950℃～1000℃。
进一步，步骤(5)中所述水冷处理后中间坯的表面温度为550℃～600℃。
进一步，步骤(6)中所述径锻机二次锻造的开锻温度为500℃～550℃，最小变形量为15％。
本发明的有益效果是：通过提高N含量同时降低径锻机二次锻造温度，使本发明的一种高强韧中氮无磁不锈钢的抗拉强度、屈服强度和硬度显著提升，同时还保证了足够的室温和高温延伸率，通过提高Mo含量使本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢的耐点蚀性能显著提升，通过提高Ni含量使本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢的室温冲击韧性显著提升。
附图说明
图1为N含量和径锻机二次锻造温度对本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢室温抗拉强度的影响示意图。
图2为N含量和径锻机二次锻造温度对本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢室温屈服强度的影响示意图。
图3为N含量和径锻机二次锻造温度对本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢室温延伸率的影响示意图。
图4为N含量和径锻机二次锻造温度对本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢室温布氏硬度的影响示意图。
图5为Ni含量对本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢室温冲击功的影响示意图。
图6为N和Mo含量对本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢点蚀当量PREN值的影响示意图。
图7为N和Mo含量对本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢点蚀电位的影响示意图。
图8为N含量对本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢热塑性的影响示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1：N含量和径锻机二次锻造温度对本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢室温拉伸性能的影响
为考察N含量和径锻机二次锻造温度对本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢室温拉伸性能的影响，制备了不同N含量的高强韧中氮无磁不锈钢样品H-1～4(表1)并通过不同的终锻温度工艺对样品进行了热加工，终锻变形量均为15％。
表1本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢样品H-1～4的化学成分(wt.％)
炉号 H-1 H-2 H-3 H-4
Cr 14.01 14.05 14.12 14.08
Mn 18.03 18.06 18.11 18.16
N 0.312 0.353 0.411 0.442
C 0.022 0.025 0.024 0.023
Ni 2.36 2.51 2.49 2.43
Mo 0.65 0.64 0.67 0.66
P 0.011 0.012 0.007 0.009
S 0.008 0.005 0.006 0.007
Si 0.37 0.32 0.34 0.33
Fe 余量 余量 余量 余量
室温抗拉强度测试结果表明：与现有N含量为0.25-0.4％的中氮无磁不锈钢材料相比，当本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢的N含量增加到0.4％以上后，在不同终锻工艺条件下的室温抗拉强度均获得了显著提升(图1)，同时当终锻温度下降至600℃以下后，本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢在不同N含量条件下的室温抗拉强度也均获得了显著提升。
室温屈服强度测试结果表明：与现有N含量为0.25-0.4％的中氮无磁不锈钢材料相比，当本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢的N含量增加到0.4％以上后，在不同终锻工艺条件下的室温屈服强度均获得了显著提升(图2)，同时当终锻温度下降至600℃以下后，本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢在不同N含量条件下的室温屈服强度也均获得了显著提升。
室温延伸率测试结果表明：与现有N含量为0.25-0.4％的中氮无磁不锈钢材料相比，当本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢的N含量增加到0.4％以上后，在不同终锻工艺条件下的室温延伸率仅有略微下降(图3)，当终锻温度下降至600℃以下后，本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢在不同N含量条件下的室温延伸率大幅度下降，因此为确保获得20％以上的室温延伸率，本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢的终锻温度不宜低于550℃。
实施例2：N含量和径锻机二次锻造温度对本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢室温布氏硬度的影响
为考察N含量和径锻机二次锻造温度对本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢室温布氏硬度的影响，制备了不同N含量的高强韧中氮无磁不锈钢样品H-5～8(表2)并通过不同的终锻温度工艺对样品进行了热加工，终锻变形量均为15％。
表2本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢样品H-5～8的化学成分(wt.％)
炉号 H-5 H-6 H-7 H-8
Cr 15.46 15.45 15.49 15.44
Mn 19.06 19.11 19.09 19.08
N 0.313 0.351 0.412 0.444
C 0.035 0.034 0.032 0.034
Ni 1.29 1.33 1.34 1.31
Mo 0.64 0.69 0.68 0.66
P 0.011 0.013 0.010 0.012
S 0.009 0.007 0.008 0.008
Si 0.33 0.34 0.34 0.33
Fe 余量 余量 余量 余量
室温布氏硬度测试结果表明：与现有N含量为0.25-0.4％的中氮无磁不锈钢材料相比，当本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢的N含量增加到0.4％以上后，在不同终锻工艺条件下的室温布氏硬度均获得了显著提升(图4)，同时当终锻温度下降至600℃以下后，本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢在不同N含量条件下的室温布氏硬度也均获得了显著提升。
实施例3：Ni含量对本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢室温冲击功的影响
为考察Ni含量对本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢室温冲击功的影响，制备了不同Ni含量的高强韧中氮无磁不锈钢样品H-9～12(表3)并通过不同的终锻温度工艺对样品进行了热加工，终锻变形量均为15％。
表3本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢样品H-9～12的化学成分(wt.％)
炉号 H-9 H-10 H-11 H-12
Cr 14.75 14.84 14.80 14.78
Mn 19.39 19.35 19.37 19.36
N 0.432 0.433 0.430 0.431
C 0.029 0.030 0.028 0.031
Ni 0.49 1.55 2.74 3.89
Mo 0.75 0.74 0.76 0.77
P 0.012 0.011 0.012 0.013
S 0.011 0.010 0.011 0.009
Si 0.33 0.34 0.35 0.36
Fe 余量 余量 余量 余量
室温冲击功测试结果表明：与现有的中氮无磁不锈钢材料相比，当本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢的Ni含量增加到0.5％以上后，在不同终锻工艺条件下的室温布氏硬度均获得了显著提升(图5)，而且终锻温度越低，Ni含量对其室温冲击功的提升幅度越大。
实施例4：N和Mo含量对本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢耐点蚀性能的影响
为考察N和Mo含量对本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢耐点蚀性能的影响，制备了不同N和Mo含量的高强韧中氮无磁不锈钢样品H-13～28(表4)并通过相同的终锻工艺对样品进行了热加工，终锻温度均为550℃，变形量均为15％。
表4本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢样品H-13～28的化学成分(wt.％)
Figure BDA0002103802890000051
Figure BDA0002103802890000061
点蚀当量PREN值计算结果表明：与现有N含量为0.25-0.4％、Mo含量低于0.2％的中氮无磁不锈钢材料相比，当本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢的N含量增加到0.4％以上且Mo含量增加到0.2％以上后，其点蚀当量PREN值获得了显著提升(图6)。点蚀电位测试结果表明：与现有N含量为0.25-0.4％、Mo含量低于0.2％的中氮无磁不锈钢材料相比，当本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢的N含量增加到0.4％以上且Mo含量增加到0.2％以上后，在相同测试温度和电解质溶液条件下，其点蚀电位大幅度提升(图7)。
实施例5：N含量对本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢热塑性的影响
为考察N含量对本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢热塑性的影响，制备了不同N和Mo含量的高强韧中氮无磁不锈钢样品H-29～37(表5)。
表5本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢样品H-29～37的化学成分(wt.％)
炉号 H-29 H-30 H-31 H-32 H-33 H-34 H-35 H-36 H-37
Cr 15.46 15.47 15.49 15.45 15.47 15.48 15.49 15.49 15.45
Mn 19.92 19.96 19.99 19.94 19.89 19.88 19.94 19.96 19.86
N 0.256 0.312 0.353 0.411 0.441 0.516 0.567 0.618 0.679
C 0.033 0.036 0.035 0.034 0.036 0.034 0.035 0.035 0.035
Ni 2.15 2.26 2.24 2.28 2.27 2.25 2.26 2.28 2.28
Mo 0.61 0.62 0.63 0.62 0.66 0.66 0.67 0.67 0.67
P 0.011 0.012 0.011 0.013 0.012 0.013 0.012 0.011 0.010
S 0.009 0.008 0.009 0.009 0.008 0.010 0.011 0.010 0.010
Si 0.26 0.27 0.26 0.25 0.27 0.24 0.26 0.27 0.25
Fe 余量 余量 余量 余量 余量 余量 余量 余量 余量
高温延伸率测试结果表明：与现有N含量为0.25-0.4％、Mo含量低于0.2％的中氮无磁不锈钢材料相比，当本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢的N含量增加到0.4％-0.45％后，其高温延伸率仅有小幅度下降(图8)，即使在1250℃条件下，其高温延伸率仍然高达30％以上。与现有N含量为0.5％以上的高氮无磁不锈钢材料相比，本发明一种高强韧中氮无磁不锈钢的N含量增加到0.4％-0.45％后，其高温延伸率显著高于现有高氮无磁不锈钢材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高强韧中氮无磁不锈钢，其特征在于，各元素重量百分比为：14.0＜Cr＜15，0.02＜C≤0.05，0.40＜N≤0.45，18.0＜Mn≤20.0，0.5＜Ni≤4.0，0.5＜Mo＜1.0，0.05＜Si≤0.40，0.001＜P≤0.015，0.001＜S≤0.012，余量为Fe；
高强韧中氮无磁不锈钢的制备工艺如下：
(1)采用电炉+氩氧脱碳炉外精炼+电渣重熔的方法制得铸锭；
(2)铸锭通过高温热处理炉加热并保温；
(3)铸锭保温结束出炉后立即经过径锻机锻造为中间坯；径锻机锻造的终锻温度为950℃～1000℃；
(4)将中间坯进行水冷处理；
(5)将水冷处理后的中间坯经过径锻机二次锻造成为成品钢坯；所述径锻机二次锻造的开锻温度为500℃～550℃，最小变形量为15％；
(6)锻后空冷。
2.一种如 权利要求1所述的高强韧中氮无磁不锈钢的制造方法，其特征在于，制备工艺步骤为：
(1)采用电炉+氩氧脱碳炉外精炼+电渣重熔的方法制得铸锭；
(2)铸锭通过高温热处理炉加热并保温；
(3)铸锭保温结束出炉后立即经过径锻机锻造为中间坯；径锻机锻造的终锻温度为950℃～1000℃；
(4)将中间坯进行水冷处理；
(5)将水冷处理后的中间坯经过径锻机二次锻造成为成品钢坯；所述径锻机二次锻造的开锻温度为500℃～550℃，最小变形量为15％；
(6)锻后空冷。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述高温热处理炉加热和保温温度为1080℃～1120℃。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所述水冷处理后中间坯的表面温度为550℃～600℃。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102199738A (zh) * 2010-03-23 2011-09-28 重庆仪表材料研究所 一种低碳节镍型高强高韧耐蚀无磁奥氏体不锈钢
CN104264071A (zh) * 2014-10-14 2015-01-07 钢铁研究总院 高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢及其制造方法

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