CN113088810A

CN113088810A - 一种高抗腐蚀奥氏体无磁不锈钢材料

Info

Publication number: CN113088810A
Application number: CN202110219044.3A
Authority: CN
Inventors: 李占华; 李玉标; 张凯亮; 艾俊林; 双伟鹏; 高全德; 雷冲; 王电; 郑安雄; 周鹏
Original assignee: Henan Zhongyuan Special Steel Equipment Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Henan Zhongyuan Special Steel Equipment Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2021-02-26
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2021-07-09

Abstract

本发明涉及一种可显著提高抗氯离子腐蚀性的高抗腐蚀奥氏体无磁不锈钢材料，该材料按照质量百分比包括如下化学组成成分：[C]≤0.03%，[Si]≤0.8%，[Mn]≤16.0～19.0%，[P]≤0.030%，[S]≤0.005%，[Ni]：2.5～4.0%，[Cr]：17.0～22.0%，[N]：0.50～0.75%，[Mo]：1.5～2.5%，[Cu]:0.2‑1.0%，[O]≤0.003%，[Al]≤0.008%，[sol‑Al]≤0.001%，余量为铁，采用本发明可以显著提高材料的抗氯离子腐蚀性，其点腐蚀CPT值达到20℃以上，应力腐蚀SCC值达1000小时以上，本发明通过提高材料的PREN值以满足高抗腐蚀能力，并通过调整铬当量及镍当量以确保材料的无磁性，特别适用于高腐蚀环境下石油钻井用无磁钻具，可显著提高在普通腐蚀环境下石油钻井用无磁钻具的使用寿命。

Description

一种高抗腐蚀奥氏体无磁不锈钢材料

技术领域

本发明涉及一种可以显著提高抗氯离子腐蚀性的高抗腐蚀奥氏体无磁不锈钢材料，此无磁不锈钢材料特别适用于石油钻井用无磁钻具，尤其在直径为φ120.65mm以上大规格无磁钻铤产品上的使用。

背景技术

奥氏体无磁不锈钢材料具有无磁性，且兼有高强度和耐腐蚀性，国内现有的无磁不锈钢钢材料，其化学成分组成如下：[C]≤0.05％，[Si]≤1.0％，[Mn]≤19.0～22.0％，[P]≤0.030％，[S]≤0.010％，[Ni]≤2.50％，[Cr]：17.0～22.0％，[N]：0.50～0.75％，[Mo]≤1.0％，其他元素如Cu、O、Al及sol-Al的含量不做要求；而用此材料制造的石油钻井用无磁钻铤，经第三方权威机构采用ASTMG150点腐蚀检测方法及ASTMG123应力腐蚀检测方法检测，其点腐蚀CPT值约12℃，应力腐蚀SCC值为200小时左右。

随着更恶劣的陆地环境钻井及海洋深海区钻井的开采，对石油钻井用无磁钻铤的抗腐蚀能力提出了更高的要求，上述材料制造的石油钻井用无磁钻铤已无法满足高腐蚀性能要求。为此，急需发明一种满足市场需求的高抗腐蚀奥氏体无磁不锈钢新材料。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种以满足高腐蚀环境下无磁钻铤使用的其主要腐蚀性能指标为点腐蚀CPT值20℃以上，应力腐蚀SCC值1000小时以上的高抗腐蚀奥氏体无磁不锈钢材料，同时具备现有无磁不锈钢材料的无磁性、高强度、高疲劳性能的优点。

本发明的目的是这样实现的：

一种高抗腐蚀奥氏体无磁不锈钢材料，该无磁不锈钢材料按照质量百分比包括如下化学组成成分：[C]≤0.03％，[Si]≤0.8％，[Mn]≤16.0～19.0％，[P]≤0.030％，[S]≤0.005％，[Ni]：2.5～4.0％，[Cr]：17.0～22.0％，[N]：0.50～0.75％，[Mo]：1.5～2.5％，[Cu]:0.2-1.0％，[O]≤0.003％，[Al]≤0.008％，[sol-Al]≤0.001％，余量为铁。

本发明的无磁不锈钢材料与现有的无磁不锈钢材料的主要差异在于本发明的无磁钢材料是：1)采用比现有无磁不锈钢材料更低的Mn；2)采用比现有无磁不锈钢材料更高的Ni；3)采用比现有无磁不锈钢材料更高的Mo；4)Cu为必要元素；5)对O、Al及sol-Al限制了上限含量。下面就把其主要差异带来的意义做如下说明：

不锈钢领域上通用点腐蚀当量公式：PREN＝Cr+3.3Mo+16N-0.5Mn，要提高不锈钢材料的抗腐蚀性，尤其是点腐蚀及应力腐蚀性，需提高材料的PREN值，本发明的无磁不锈钢材料增加了Mo元素和降低了Mn元素，以使本发明的无磁不锈钢材料其PREN值实际不低于24，而现有的无磁不锈钢材料其PREN值为19。但对于本发明来说，其目的是要提高无磁钢材料的抗腐蚀性，但首先要满足材料的无磁性，确保材料的相组织完全在奥氏体相区，本发明的创新点在于提高材料PREN值的同时，再通过调整铬当量及镍当量，使相组织处在奥氏体相区，以满足本发明材料的无磁性。镍当量＝％Ni+30％C+0.5％Mn+30％N，铬当量＝％Cr+％Mo+1.5％Si+0.5％Nb。

Mn：锰能显著提高氮在钢中的溶解度，锰在奥氏体形成元素影响上2％锰可代替1％镍，但仅能从组织上为获取奥氏体组织代替镍，并不能在耐蚀性方面代替镍。过多增加会减低热塑加工性和耐腐蚀性。为保证无磁性又提高耐腐蚀性，本发明设定锰含量为16.0～19.0％。

Ni：镍是奥氏体形成元素，镍与铬组合能显著提高奥氏体不锈钢在苛刻介质中的耐蚀性，还能提高奥氏体不锈钢耐氯化物应力腐蚀能力。本发明提高了钼元素又降低锰元素，这促进了铁素体元素的形成，所以要提高镍当量以促进奥氏体元素的形成，保证奥氏体相。但过多增加会大幅增加成本，本发明设定镍含量为2.5～4.0％。

Mo：钼是铁素体形成元素，能显著促进铬在钝化膜中的富集，从而增强不锈钢钝化膜的稳定性，从而大幅提高耐腐蚀性。但过多的增加会造成铬当量过高，造成钢具有磁性。本发明设定钼含量为1.5～2.5％。

Cu：铜为奥氏体形成元素，铜和镍本身对耐腐蚀性的提高有帮助。其一般的添加量下限通常定为是否确实体现出其相应的效果。而另一方面添加过多的话则会降低溶液中的N溶解度、且增加成本减低应力腐蚀特性，所以应尽量避免，所以上限用上述观点限定。现有的无磁钢材料Cu为钢中残留，不刻意添加，而本发明Cu为必要元素，设定含量为0.2-1.0％。

C：在钢中会析出包含铬的碳化物减低耐腐蚀性等各种特性，所以C含量要尽量低。现有的无磁材料C含量的上限设定为0.05％，本发明则设定上限为0.03％，当然越低越好。

Si：作为脱酸剂是有用的，但如果过量添加会使N溶钢的溶解度及已凝固的钢固溶度降低并助长金属化合物的生成，所以不能大量含有。现有的无磁钢以1.0％为上限，本发明设定上限为0.8％。

O：氧是降低钢的洁净度的成分，而且对耐腐蚀性、韧性等均有害，由于现有无磁钢对腐蚀性能要求不高，另考虑氧对奥氏体钢的小的影响程度，所以无特别要求。而本发明设定了上限含量0.003％，当然越低对腐蚀性能越好。

Al及sol-Al：是降低钢的洁净度的成分，且对热塑加工性、耐腐蚀性、韧性等均有害。由于现有无磁钢对腐蚀性能要求不高，且考虑铝及酸铝对奥氏体钢的影响程度较小，所以无特别要求。而本发明设定了上限Al≤0.008％、sol-Al≤0.001％，当然越低对腐蚀性能越好。

具体实施方式

按本发明的无磁钢材料化学组成成分制造。AOD炉冶炼，合金成分质量百分数见表1，三组AOD炉冶炼后，分别电渣成实施例1的1.9吨、实施例2的2.4吨、实施3的3.5吨电渣锭重，经1180℃加热后进行热塑性锻造，并在低温下进行强化锻造，实施例1的成品规格为Φ146.05*9500、实施例2的成品规格为Φ184.15*7800、实施例3的成品规格为Φ222.25*7800，锻好的锻件水冷处理。分别在锻好的锻件冒端切取试片，公司检测常规试验(按ASTMA370检测方法检测力学性能、ASTMA262检测方法检测晶间腐蚀、GB/T4337检测疲劳强度、公司企业标准检测磁性能)，委托第三方检测机构检测腐蚀性能(按ASTMG150点腐蚀检测方法检测点腐蚀能力，按ASTMG123应力腐蚀检测方法检测应力腐蚀能力)，其检测结果见表2。

表1：实施例化学成分(％)

表2：检测结果

本发明的无磁钢材料既保留了现有无磁钢材料的高强度、无磁性、高疲劳性等优点，又实现了高腐蚀性能要求，尤其是本发明的无磁钢材料将适用于高腐蚀环境下以无磁钻具为代表的无磁不锈钢的各种用途。

Claims

1.一种高抗腐蚀奥氏体无磁不锈钢材料，其特征在于：该无磁不锈钢材料按照质量百分比包括如下化学组成成分：[C]≤0.03%，[Si]≤0.8%，[Mn]≤16.0～19.0%，[P]≤0.030%，[S]≤0.005%，[Ni]：2.5～4.0%，[Cr]：17.0～22.0%，[N]：0.50～0.75%，[Mo]：1.5～2.5%，[Cu]:0.2-1.0%，[O]≤0.003%，[Al]≤0.008%，[sol-Al]≤0.001%，余量为铁。