RU2823412C1 - Article in form of rod for manufacture of parts of electric submersible plants for extraction of oil from alloy based on iron and chromium - Google Patents
Article in form of rod for manufacture of parts of electric submersible plants for extraction of oil from alloy based on iron and chromium Download PDFInfo
- Publication number
- RU2823412C1 RU2823412C1 RU2023110782A RU2023110782A RU2823412C1 RU 2823412 C1 RU2823412 C1 RU 2823412C1 RU 2023110782 A RU2023110782 A RU 2023110782A RU 2023110782 A RU2023110782 A RU 2023110782A RU 2823412 C1 RU2823412 C1 RU 2823412C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- alloy
- chromium
- nitrogen
- manganese
- iron
- Prior art date
Links
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 81
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 81
- 239000011651 chromium Substances 0.000 title claims abstract description 54
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 47
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 41
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 39
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 16
- 238000000605 extraction Methods 0.000 title 1
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 83
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 46
- 239000011572 manganese Substances 0.000 claims abstract description 36
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims abstract description 27
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims abstract description 21
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims abstract description 8
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical compound [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims abstract description 8
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 19
- VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N selanylidenegallium;selenium Chemical compound [Se].[Se]=[Ga].[Se]=[Ga] VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 abstract description 26
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 26
- RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N Dihydrogen sulfide Chemical compound S RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 8
- 238000005336 cracking Methods 0.000 abstract description 8
- 238000006056 electrooxidation reaction Methods 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 60
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 25
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 21
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 21
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 19
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 16
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 14
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 14
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 13
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 12
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 12
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 10
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 9
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 9
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 9
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 9
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 8
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 229910000037 hydrogen sulfide Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 7
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 7
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 6
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 6
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 6
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical group [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 5
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 5
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 5
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 5
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005242 forging Methods 0.000 description 4
- 229910001004 magnetic alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- -1 molybdenum carbides Chemical class 0.000 description 4
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 3
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 3
- 238000005098 hot rolling Methods 0.000 description 3
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 3
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 2
- 229910001566 austenite Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000963 austenitic stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 2
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce] GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005238 degreasing Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 2
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 2
- 238000005496 tempering Methods 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 229910000604 Ferrochrome Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000616 Ferromanganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000592 Ferroniobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000628 Ferrovanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001199 N alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SJKRCWUQJZIWQB-UHFFFAOYSA-N azane;chromium Chemical compound N.[Cr] SJKRCWUQJZIWQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GPBUGPUPKAGMDK-UHFFFAOYSA-N azanylidynemolybdenum Chemical compound [Mo]#N GPBUGPUPKAGMDK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- DALUDRGQOYMVLD-UHFFFAOYSA-N iron manganese Chemical compound [Mn].[Fe] DALUDRGQOYMVLD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZFGFKQDDQUAJQP-UHFFFAOYSA-N iron niobium Chemical compound [Fe].[Fe].[Nb] ZFGFKQDDQUAJQP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PNXOJQQRXBVKEX-UHFFFAOYSA-N iron vanadium Chemical compound [V].[Fe] PNXOJQQRXBVKEX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- VCTOKJRTAUILIH-UHFFFAOYSA-N manganese(2+);sulfide Chemical class [S-2].[Mn+2] VCTOKJRTAUILIH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004881 precipitation hardening Methods 0.000 description 1
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойким сплавам на основе железа и хрома, предназначенным для изготовления высоконагруженных деталей для добычи нефти.The invention relates to the field of metallurgy, namely to corrosion-resistant alloys based on iron and chromium, intended for the manufacture of highly loaded parts for oil production.
В науке и технике широко известны изделия, изготовленные в виде прутков различной геометрической формы, преимущественно цилиндрической формы, диаметром от 12 до 45 мм. Также известны другие изделия для изготовления высоконагруженных деталей, например, в виде вала погружного насоса или газосепаратора (Ивановский В.И. и др., Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти, М.: ГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002 г., с. 12, 215-217). Указанные изделия изготавливают из нержавеющей стали на основе Fe-Cr-Ni.In science and technology, products made in the form of rods of various geometric shapes, mainly cylindrical, with a diameter of 12 to 45 mm are widely known. Other products are also known for the manufacture of highly loaded parts, for example, in the form of a shaft of a submersible pump or a gas separator (Ivanovsky V.I. et al., Installations of submersible centrifugal pumps for oil production, M.: State Unitary Enterprise Publishing House "Oil and Gas" Russian State University of Oil and gas named after I.M. Gubkin, 2002, p. 12, 215-217). These products are made of stainless steel based on Fe-Cr-Ni.
Известен высокопрочный материал из нержавеющей стали, имеющей превосходную обрабатываемость и не вызывающей размягчения при сварке, который может быть применен в том числе для изготовления прутков, при этом сталь состоит из одной мартенситной фазы или двухфазной структуры из мартенсита и мелкого аустенита и содержит, мас.%: С - не более 0,1; Si = 0,85- 4,5; Mn=0,20-5,0; Cr=10,0-17,0; Ni=3,0-8,0; N не более 0,10; по меньшей мере один из Cu, Мо, W и Со в сумме не более 4,0; по меньшей мере один из Ti, Nb, V и Zr в сумме не более 1,0; Р не более 0,060; S не более 0,030; Fe и неизбежные случайные примеси, где значение Nieq, определяемое как Nieq=Ni+Mn+0,5Cr+0,3Si+Cu+Mo+W+0,2Co, находится в диапазоне 13,0-17,5 (US 4878955, 1988). При этом холоднокатаный материал из указанной стали подвергают термообработке при температуре от 550 до 675°С в течение от 1 до 30 часов без стадия отжига.A high-strength material made of stainless steel is known, which has excellent machinability and does not cause softening during welding, which can be used, among other things, for the manufacture of rods, while the steel consists of a single martensitic phase or a two-phase structure of martensite and fine austenite and contains, wt.% : C - no more than 0.1; Si = 0.85-4.5; Mn=0.20-5.0; Cr=10.0-17.0; Ni=3.0-8.0; N not more than 0.10; at least one of Cu, Mo, W and Co in a total of not more than 4.0; at least one of Ti, Nb, V and Zr in a total of not more than 1.0; P not more than 0.060; S no more than 0.030; Fe and inevitable random impurities, where the Nieq value, defined as Nieq=Ni+Mn+0.5Cr+0.3Si+Cu+Mo+W+0.2Co, is in the range of 13.0-17.5 (US 4878955, 1988). In this case, cold-rolled material from the specified steel is subjected to heat treatment at a temperature from 550 to 675°C for 1 to 30 hours without an annealing stage.
Известна ферритная нержавеющая сталь, обладающая высокой пластичностью и ударной вязкостью в толстых секциях и хорошей коррозионной стойкостью в зонах сварки, содержащая максимум 0,03% углерода, около 12 мас.% марганца, максимум около 0,03 мас.% фосфора, максимум около 0,030 мас.% серы, максимум около 1,0 мас.% кремния, от приблизительно 12 мас.% до приблизительно 26 мас.% хрома, максимум около 5 мас.% никеля, от 0,10 мас.% до 0,5 мас.% алюминия, от 0,2 мас.% до 0,45 мас.% ниобия, максимум 0,03 мас.% для полной реакции с углеродом, азота, максимум около 2 мас.% меди, максимум около 5 мас.% молибдена, остальное титан и остаток по существу железо (патент US 4331474).Ferritic stainless steel is known, having high ductility and toughness in thick sections and good corrosion resistance in weld zones, containing a maximum of 0.03% carbon, about 12 wt.% manganese, a maximum of about 0.03 wt.% phosphorus, a maximum of about 0.030 wt.% sulfur, maximum about 1.0 wt.% silicon, from about 12 wt.% to about 26 wt.% chromium, maximum about 5 wt.% nickel, from 0.10 wt.% to 0.5 wt.% % aluminum, 0.2 wt.% to 0.45 wt.% niobium, maximum 0.03 wt.% for complete reaction with carbon, nitrogen, maximum about 2 wt.% copper, maximum about 5 wt.% molybdenum, the rest is titanium and the remainder is essentially iron (US patent 4331474).
К недостаткам ферритных нержавеющих сталей следует отнести то, что при использовании для изготовления деталей электропогружных установок для нефтедобычи высокая доля ферритной фазы в сталях не обеспечивает достаточно высокой прочности и слабо упрочняется при деформации.The disadvantages of ferritic stainless steels include the fact that when used for the manufacture of parts of electric submersible installations for oil production, a high proportion of the ferrite phase in steels does not provide sufficiently high strength and is weakly strengthened during deformation.
Известен состав нержавеющей легированной стали, имеющей высокий предел прочности и способность к холодной деформации с удлинением до 60% для изготовления легковесных деформирующихся компонентов кузова (DE 19902665), который характеризуется, мас.%: углерода (С) 0,02-0,1, хрома (Cr) 8,0-35 и никеля (Ni) 0,3-36, азота (N) до 2,0; марганца (Mn) 5,0- 9,0; железо, включая производственные примеси - остальное. The composition of stainless alloy is known steel having a high tensile strength and the ability to cold deform with elongation up to 60% for the manufacture of lightweight deformable body components (DE 19902665), which is characterized, wt.%: carbon (C) 0.02-0.1, chromium (Cr) 8.0-35 and nickel (Ni) 0.3-36, nitrogen (N) up to 2.0; manganese (Mn) 5.0-9.0; iron, including industrial impurities - the rest.
Известна заготовка из высокопрочной нержавеющей стали, имеющей хорошую обрабатываемость и свободную от размягчения при сварке, при этом сталь состоит из одной мартенситной фазы или двухфазной структуры из мартенсита и мелкого аустенита, содержащей ≤0,10 мас.% С,≤4,5 мас.% Si,≤5,0 мас.% Mn, ≤0,060 мас.% Р, ≤0,030 мас.% S, 10,0-17,0 мас.% Cr, 3,0-10,0 мас.% Ni, ≤0,10 мас.% N, один или несколько из Cu, Мо и Со до 4,0 мас.% в сумме, один или несколько из Ti, Nb, V, Zr, Al, В и Та до 1,0 мас.% в сумме и остаток Fe с неизбежными примесями, и имеющей 13,0-17,5 Niэкв, определенный по формуле Niэкв=Ni+Mn+0,5Cr+0,3Si+Cu+Mo+W+0,2Co (JP 63-210242 А, 1988). Указанную сталь подвергают холодной прокатке со степенью обжатия 35% или более и его термообработку при температуре от 550°С до 750°С в течение времени, составляющем 30 часов или менее.A high-strength stainless steel workpiece is known, which has good machinability and is free from softening during welding, wherein the steel consists of a single martensitic phase or a two-phase structure of martensite and fine austenite, containing ≤0.10 wt.% C, ≤4.5 wt. % Si, ≤5.0 wt.% Mn, ≤0.060 wt.% P, ≤0.030 wt.% S, 10.0-17.0 wt.% Cr, 3.0-10.0 wt.% Ni, ≤0.10 wt.% N, one or more of Cu, Mo and Co up to 4.0 wt.% in total, one or more of Ti, Nb, V, Zr, Al, B and Ta up to 1.0 wt.% .% in total and the remainder of Fe with inevitable impurities, and having 13.0-17.5 Ni eq , determined by the formula Nieq=Ni+Mn+0.5Cr+0.3Si+Cu+Mo+W+0.2Co ( JP 63-210242 A, 1988). The steel is cold rolled to a reduction rate of 35% or more and heat treated at a temperature of 550°C to 750°C for a time of 30 hours or less.
Все вышеупомянутые стали мартенситно-аустенитного класса при использовании в работающих электропогружных установках (ЭПУ), не могут обеспечить устойчивость к электрохимической коррозии в результате возникающих вихревых токов.All of the above-mentioned martensitic-austenitic steels, when used in operating electric submersible units (ESU), cannot provide resistance to electrochemical corrosion as a result of the resulting eddy currents.
Известен пруток из нержавеющей высокопрочной стали мартенситно-аустенитного класса, содержащей железо, углерод, хром, никель, кремний, марганец и сопутствующие примеси, дополнительно содержит один или несколько элементов из группы медь, титан, алюминий, молибден, ниобий, кобальт, азот, кальций, бор, церий, сера, фосфор, причем пруток из стали изготовлен со следующим составом компонентов, мас.%: углерод (С)≤0,03; кремний (Si)≤0,8; марганец (Mn)≤0,8; хром (Cr) 8,0÷16,5; никель (Ni) 4,0÷12,0; медь (Cu) 0,3÷5,0; молибден (Мо) 0,05÷3,0; титан (Ti) 0,01÷1,0; церий (Се)≤0,02; алюминий (Al) 0,01÷0,6; кобальт (Со) 0,01÷3,0; ниобий (Nb) 0,05÷0,4; азот (N) 0,005÷0,15; бор (В)≤0,005%; кальций (Са)≤0,02; сера (S)≤0,03; фосфор (Р)≤0,03; железо (Fe) - остальное, при соотношении ферритообразующих и аустенитообразующих элементов с их коэффициентами эквивалентностиA known rod is made of stainless high-strength steel of the martensitic-austenitic class, containing iron, carbon, chromium, nickel, silicon, manganese and related impurities, additionally containing one or more elements from the group of copper, titanium, aluminum, molybdenum, niobium, cobalt, nitrogen, calcium , boron, cerium, sulfur, phosphorus, and the steel rod is made with the following composition of components, wt.%: carbon (C)≤0.03; silicon (Si)≤0.8; manganese (Mn)≤0.8; chromium (Cr) 8.0÷16.5; nickel (Ni) 4.0÷12.0; copper (Cu) 0.3÷5.0; molybdenum (Mo) 0.05÷3.0; titanium (Ti) 0.01÷1.0; cerium (Ce)≤0.02; aluminum (Al) 0.01÷0.6; cobalt (Co) 0.01÷3.0; niobium (Nb) 0.05÷0.4; nitrogen (N) 0.005÷0.15; boron (B)≤0.005%; calcium (Ca)≤0.02; sulfur (S)≤0.03; phosphorus (P)≤0.03; iron (Fe) - the rest, with the ratio of ferrite-forming and austenite-forming elements with their equivalence coefficients
Niэкв.=22,3±3-0,83Crэкв. (патент RU 61285). Ni eq. =22.3±3-0.83Cr eq. (patent RU 61285).
Известно изделие в виде прутка из стали мартенситно-аустенитного класса, упрочняемого карбидами и карбонитридами вольфрама, ванадия, молибдена, ниобия, интерметаллидами типа Ni3Me состава (мас.%): С 0,005÷0,07; Si <1,0; Mn <1,8; Сr 12,5÷17,0; Ni 2,0÷8,0; Mo+3W 0,05÷4,5; N 0,005÷0,15; В 0,0001÷0,01, по крайней мере один из группы: Al, Ti, Nb, V 0,01÷5,0; Fe и примеси - остальное (патент RU 45998).A product is known in the form of a rod made of martensitic-austenitic steel, strengthened with carbides and carbonitrides of tungsten, vanadium, molybdenum, niobium, intermetallic compounds such as Ni 3 Me composition (wt.%): C 0.005÷0.07; Si <1.0; Mn <1.8; Сr 12.5÷17.0; Ni 2.0÷8.0; Mo+3W 0.05÷4.5; N 0.005÷0.15; In 0.0001÷0.01, at least one from the group: Al, Ti, Nb, V 0.01÷5.0; Fe and impurities - the rest (patent RU 45998).
Известные прутки из нержавеющих сталей мартенситно-аустенитного класса также при использовании в работающих электропогружных установках (ЭПУ) не обеспечивают достаточно высоких прочностных свойств.Known rods made of stainless steels of the martensitic-austenitic class, also when used in operating electric submersible installations (ESU), do not provide sufficiently high strength properties.
Известно изделие в виде прутка из коррозионно-стойкой стали мартенситного класса, содержащей, мас.%: углерод не более 0,07; хром 12,5÷17,0; никель 2,0÷8,0; молибден+3 вольфрам 0,05÷4,5; железо и примеси - остальное. При этом (Мо+3⋅W)≤(k1-Cr⋅a1), где k1=15,9, a1=0,87, а также Ni=k2-а2 (Cr+Мо+W), где k2=16,25±1,5, a2=0,7±0,1 (патент RU 2270268).A product is known in the form of a rod made of corrosion-resistant martensitic steel containing, wt.%: carbon not more than 0.07; chrome 12.5÷17.0; nickel 2.0÷8.0; molybdenum+3 tungsten 0.05÷4.5; iron and impurities - the rest. In this case (Mo+3⋅W)≤(k 1 -Cr⋅a 1 ), where k 1 =15.9, a 1 =0.87, and also Ni=k 2 -a 2 (Cr+Mo+W ), where k 2 =16.25±1.5, a 2 =0.7±0.1 (patent RU 2270268).
Изделие относится к мартенситному классу, что обуславливает то, что пруток имеет недостаточные прочностные свойства - предел текучести 1300÷1400 МПа, недостаточные пластические свойства и ударную вязкость. Кроме того, пруток из мартенситной стали является магнитным и при эксплуатации возникает налипание различного рода частиц. Кроме того, в работающих электропогружных установках (ЭПУ), в результате вихревых токов, изделие склонно к электрохимической коррозии.The product belongs to the martensitic class, which means that the rod has insufficient strength properties - yield strength 1300÷1400 MPa, insufficient plastic properties and impact strength. In addition, a martensitic steel rod is magnetic and during operation, sticking of various kinds of particles occurs. In addition, in operating electric submersible installations (ESU), as a result of eddy currents, the product is prone to electrochemical corrosion.
Известен аустенитный сплав, который содержит в весовых процентах от общего веса сплава: до 0,2 углерода; до 20 марганца; кремний от 0,1 до 1,0; хром от 14,0 до 28,0; никель от 15,0 до 38,0; молибден от 2,0 до 9,0; от 0,1 до 3,0 меди; азот от 0,08 до 0,9; вольфрам от 0,1 до 5,0; кобальт от 0,5 до 5,0; титан до 1,0; до 0,05 бора; до 0,05 фосфора; до 0,05 серы; железо; и случайные примеси (MX2019015459, 2020).An austenitic alloy is known, which contains, in weight percent of the total weight of the alloy: up to 0.2 carbon; up to 20 manganese; silicon from 0.1 to 1.0; chromium from 14.0 to 28.0; nickel from 15.0 to 38.0; molybdenum from 2.0 to 9.0; from 0.1 to 3.0 copper; nitrogen from 0.08 to 0.9; tungsten from 0.1 to 5.0; cobalt from 0.5 to 5.0; titanium up to 1.0; up to 0.05 boron; up to 0.05 phosphorus; up to 0.05 sulfur; iron; and random impurities (MX2019015459, 2020).
Известно изделие из коррозионно-стойкого сплава на основе Fe-Cr-Ni, содержащего, мас.%: углерод 0,005÷0,15; кремний 2,0; марганец ≤2,0; хром 10÷25; никель, кобальт и медь при их суммарном содержании 35÷85; при этом содержание никеля ≥35; молибден 0,01÷7,0; азот 0,001÷0,15; бор 0,0001÷0,01; алюминий, титан в сумме <3,0; по крайней мере, один из элементов: ниобий, ванадий, вольфрам 0,01÷6,5; железо - остальное, при соблюдении соотношений: Ni/Cu≥1,6; Cr+3Мо≥14,0; V/4,2+Nb/7,8+W/15,3+Mo/8>0,7C (RU 2441089).A product is known from a corrosion-resistant alloy based on Fe-Cr-Ni, containing, wt.%: carbon 0.005÷0.15; silicon 2.0; manganese ≤2.0; chrome 10÷25; nickel, cobalt and copper with their total content 35÷85; in this case, the nickel content is ≥35; molybdenum 0.01÷7.0; nitrogen 0.001÷0.15; boron 0.0001÷0.01; aluminum, titanium in total <3.0; at least one of the elements: niobium, vanadium, tungsten 0.01÷6.5; iron - the rest, subject to the following ratios: Ni/Cu≥1.6; Cr+3Mo≥14.0; V/4.2+Nb/7.8+W/15.3+Mo/8>0.7C (RU 2441089).
Сплавы относятся к аустенитному классу и являются немагнитными. Аустенитный класс сплавов обеспечивает высокую стойкость к общей коррозии, электрохимической коррозии, а также к коррозионному растрескиванию под напряжением в среде сероводорода. Высокие прочностные свойства сплава достигаются за счет упрочнения методом дисперсионного твердения с выделением карбидов, нитридов, карбонитридов, интерметаллидов с последующей холодной деформацией до 65%. Недостатками являются низкие пластические свойства изделия и ударная вязкость после достижения высокой степени деформации, недостаточно высокие значения прочностных свойств. Кроме того, сплавы обладают недопустимо высокой стоимостью, в первую очередь из-за большого содержания никеля. При суммарном содержании никеля, кобальта и меди более 35%, высокая стоимость сплава не позволяет его использовать в изделиях для ЭПУ в масштабном серийном производстве.The alloys belong to the austenitic class and are non-magnetic. The austenitic class of alloys provides high resistance to general corrosion, electrochemical corrosion, as well as stress corrosion cracking in a hydrogen sulfide environment. High strength properties of the alloy are achieved through hardening by dispersion hardening with the release of carbides, nitrides, carbonitrides, intermetallic compounds, followed by cold deformation up to 65%. The disadvantages are the low plastic properties of the product and impact strength after reaching a high degree of deformation, and insufficiently high values of strength properties. In addition, the alloys are prohibitively expensive, primarily due to their high nickel content. With a total content of nickel, cobalt and copper of more than 35%, the high cost of the alloy does not allow its use in products for EPU in large-scale mass production.
Известны иные аустенитные сплавы. В частности, известна медицинская аустенитная нержавеющая сталь с характеристиками высокого содержания азота, отсутствия никеля и высокого удельного веса, включает следующие химические компоненты: платина Pt 12-35; хром Cr 15-22; марганец Mn 5-20; молибден Мо 1-3; вольфрам W 1-6; азот N 0,30-0,80; медь Cu <=1,0; никель Ni <=0,05; углерод С <=0,03; Кремний Si <=0,75; сера S <=0,01; фосфор Р <=0,01; а остаток Fe (CN 111793775, 2020).Other austenitic alloys are known. In particular, medical austenitic stainless steel is known with the characteristics of high nitrogen content, no nickel and high specific gravity, and includes the following chemical components: platinum Pt 12-35; chromium Cr 15-22; manganese Mn 5-20; molybdenum Mo 1-3; tungsten W 1-6; nitrogen N 0.30-0.80; copper Cu <=1.0; nickel Ni <=0.05; carbon C <=0.03; Silicon Si <=0.75; sulfur S <=0.01; phosphorus P <=0.01; and the remainder is Fe (CN 111793775, 2020).
Известен сплав высокопрочной нержавеющей стали с низким содержанием никеля, содержащий по массе 24-26 % хрома, 8-10 % хрома, 5,5-6,8 % марганца, 3,5-3,8 % молибдена, 0,5-1,5 % никеля, 0,1-0,3 % ванадия. , 0,01-0,03% фосфора, 0,2-0,8% кремния, 0,35-0,4% азота, 0,03-0,05% углерода, 0,1-0,4% (CN 112226689, 2021).An alloy of high-strength stainless steel with a low nickel content is known, containing by weight 24-26% chromium, 8-10% chromium, 5.5-6.8% manganese, 3.5-3.8% molybdenum, 0.5-1 .5% nickel, 0.1-0.3% vanadium. , 0.01-0.03% phosphorus, 0.2-0.8% silicon, 0.35-0.4% nitrogen, 0.03-0.05% carbon, 0.1-0.4% ( CN 112226689, 2021).
Известен аустенитный сплав нержавеющей стали, который включает или состоит из, по массе, от примерно 20,0% до примерно 21,5% хрома, от примерно 8,5% до примерно 10,0% никеля, от примерно 4,0% до примерно 5,0% марганца, от примерно 0,5 до примерно 1,5% ниобия. , от примерно 0,5% до примерно 2,0% кремния, от примерно 0,4% до примерно 0,5% углерода, от примерно 0,2% до примерно 0,3% азота и остальное железо с неизбежными/неизбежными примесями. (US 2021130942, 2021).An austenitic stainless steel alloy is known that includes or consists of, by weight, from about 20.0% to about 21.5% chromium, from about 8.5% to about 10.0% nickel, from about 4.0% to about 5.0% manganese, about 0.5 to about 1.5% niobium. , from about 0.5% to about 2.0% silicon, from about 0.4% to about 0.5% carbon, from about 0.2% to about 0.3% nitrogen and the balance iron with inevitable/unavoidable impurities . (US 2021130942, 2021).
Все известные сплавы относятся к аустенитным и содержат никель в разных количествах.All known alloys are austenitic and contain nickel in varying quantities.
Известна также немагнитная высокоазотистая нержавеющая сталь, содержащая по массе 0,15-0,25% углерода, 1,2-1,5% молибдена, 17-21% хрома, 0,35-0,45% кремния, 0,55-0,7% азота, 8-12% марганца и остаточного железа и неизбежных примесей (CN 112281049, 2021). Изделие в виде плиты получают выплавкой стали в вакуумной электрошлаковой печи с избыточным давлением; добавлением нитрида молибдена, нитрида хрома, нитрида кремния, ферромарганца и графита и ковку в режиме свободной ковки; проведение закалки и отпуска мартенсита в солевых ваннах под защитой газовой смеси водорода и азота; под азотом и HNO3, обезжиривание в газовой среде; механическую обработку с последующим удалением литейных дефектов и оксидной пленки на поверхности обезжиренной заготовки, гладкой полировкой поверхности; и, наконец, помещение обработанного стального слитка в нагревательную печь, ковка стального слитка в плиту с требуемыми характеристиками и резка плиты в плиту, удобную для хранения и использования. Материал из нержавеющей стали с высоким содержанием азота изготавливается путем регулировки компонентов нержавеющей стали, выполнения мартенситной закалки и отпуска в соляной ванне, а также выполнения обезжиривания азотом и HNO3 в газовой среде и, наконец, достижения технических эффектов отсутствия магнетизма, коррозии, сопротивления и низкой пассивации.Non-magnetic high-nitrogen stainless steel is also known, containing by weight 0.15-0.25% carbon, 1.2-1.5% molybdenum, 17-21% chromium, 0.35-0.45% silicon, 0.55- 0.7% nitrogen, 8-12% manganese and residual iron and unavoidable impurities (CN 112281049, 2021). The product in the form of a plate is produced by smelting steel in a vacuum electroslag furnace with excess pressure; adding molybdenum nitride, chromium nitride, silicon nitride, ferromanganese and graphite and forging in free forging mode; carrying out quenching and tempering of martensite in salt baths under the protection of a gas mixture of hydrogen and nitrogen; under nitrogen and HNO 3 , degreasing in a gas environment; mechanical processing followed by removal of casting defects and oxide film on the surface of the degreased workpiece, smooth polishing of the surface; and finally, placing the processed steel ingot into a heating furnace, forging the steel ingot into a slab with the required characteristics, and cutting the slab into a slab convenient for storage and use. High nitrogen content stainless steel material is produced by adjusting the stainless steel components, performing martensitic quenching and tempering in a salt bath, and performing nitrogen and HNO 3 degreasing in a gas environment, and finally achieving the technical effects of no magnetism, corrosion, resistance and low passivation.
Недостатком стали является высокое содержание углерода, приводящее к образованию карбидов хрома и молибдена. В результате, даже введение в состав дорогостоящего молибдена не спасает от снижения стойкости к коррозионному растрескиванию под напряжением в среде сероводорода. Одновременно образование карбидов приводит к снижению ударной вязкости при равной прочности, что негативно сказывается на высоконагруженных деталях погружного оборудования.The disadvantage of steel is its high carbon content, which leads to the formation of chromium and molybdenum carbides. As a result, even the introduction of expensive molybdenum into the composition does not prevent a decrease in resistance to stress corrosion cracking in a hydrogen sulfide environment. At the same time, the formation of carbides leads to a decrease in impact strength with equal strength, which negatively affects highly loaded parts of submersible equipment.
Известен немагнитный сплав, содержащий не более 0,1% углерода, не более 0,8% кремния, 13-15% Cr, 13-15% Mn, 2,8-4,5% Ni, 5(С-0,02)-0,6%Ti (ГОСТ 5632- 2014). Недостатком прутков, изготовленных из известной стали, являются низкая прочность и необходимость легирования сплава никелем для сохранения аустенитной структуры.A non-magnetic alloy is known containing no more than 0.1% carbon, no more than 0.8% silicon, 13-15% Cr, 13-15% Mn, 2.8-4.5% Ni, 5(C-0.02 )-0.6%Ti (GOST 5632-2014). The disadvantages of rods made from known steel are low strength and the need to alloy the alloy with nickel to maintain the austenitic structure.
Наиболее близким к предлагаемому сплаву является немагнитный сплав, содержащий не более 0,1% углерода, не более 0,8% кремния, 14,5-16,5% марганца, 13-15% хрома и 0,15-0,25% азота (ГОСТ 5632-2014). Введение в состав сплава азота позволяет повысить прочностные и коррозионные свойства сплава и исключить необходимость введения в состав никеля. Недостатком прутков, изготовленных из известного сплава, является низкое сопротивление сплава коррозии и низкий уровень пластических свойств, обусловленные связыванием части хрома в нитриды и карбиды, что негативно сказывается на работоспособности высоконагруженных деталях погружного оборудования.The closest to the proposed alloy is a non-magnetic alloy containing no more than 0.1% carbon, no more than 0.8% silicon, 14.5-16.5% manganese, 13-15% chromium and 0.15-0.25% nitrogen (GOST 5632-2014). The introduction of nitrogen into the alloy composition makes it possible to increase the strength and corrosion properties of the alloy and eliminate the need to introduce nickel into the composition. The disadvantage of rods made from the known alloy is the alloy’s low resistance to corrosion and low level of plastic properties, due to the binding of part of the chromium into nitrides and carbides, which negatively affects the performance of highly loaded parts of submersible equipment.
Задача изобретения - разработка изделия в виде прутка для изготовления высоконагруженных деталей электропогружных установок из немагнитного азотистого сплава, не содержащего никеля с высоким уровнем прочностных и пластических свойств и ударной вязкости при одновременно высокой стойкостью к коррозии, в том числе к электрохимической коррозии, растрескиванию в среде сероводорода и других агрессивных средах.The objective of the invention is to develop a product in the form of a rod for the manufacture of highly loaded parts of electric submersible installations from a non-magnetic nitrogen alloy that does not contain nickel with a high level of strength and plastic properties and impact strength while simultaneously being highly resistant to corrosion, including electrochemical corrosion, cracking in a hydrogen sulfide environment and other aggressive environments.
Поставленная задача решается тем, что заявляется пруток, предназначенный для изготовления деталей электропогружных установок для добычи нефти, и выполненный из сплава, содержащего хром, азот, марганец, цирконий, ванадий, ниобий, железо и примеси, при следующем соотношении компонентов, мас. %:The problem is solved by the fact that a rod is claimed, intended for the manufacture of parts for electric submersible installations for oil production, and made of an alloy containing chromium, nitrogen, manganese, zirconium, vanadium, niobium, iron and impurities, with the following ratio of components, wt. %:
хром (Cr) 13,0 - 20,0;chromium (Cr) 13.0 - 20.0;
азот (N) 0,2 - 0,72;nitrogen (N) 0.2 - 0.72;
цирконий (Zr) 0,001 - 0,1;zirconium (Zr) 0.001 - 0.1;
ниобий (Nb) 0,001 - 0,20;niobium (Nb) 0.001 - 0.20;
ванадий (V) 0,001 - 0,2;vanadium (V) 0.001 - 0.2;
марганец (Mn) 6,6 - 17,5;manganese (Mn) 6.6 - 17.5;
железо (Fe) и примеси - остальное,iron (Fe) and impurities - the rest,
при этом в прутке сформирована аустенитная структура, определяемая выполнением соотношения между компонентами сплава: (0,5Mn+25N)-(0,16Cr2-5,76Cr+59,84)≥0, причем Mn, N и Cr - содержания марганца, азота и хрома в сплаве, мас. %.in this case, an austenitic structure is formed in the rod, determined by the fulfillment of the relationship between the components of the alloy: (0.5Mn+25N)-(0.16Cr 2 -5.76Cr+59.84)≥0, and Mn, N and Cr are the manganese content, nitrogen and chromium in the alloy, wt. %.
Коррозионную стойкость сплава обеспечивает содержание хрома в пределах от 13,0 до 20,0 мас. %. При этом содержание хрома менее 13,0% приводит к резкому снижению коррозионной стойкости сплава. Таким образом нижний предел по хрому ограничен 13,0 мас.%. С повышением содержания хрома растет коррозионная стойкость сплава. Применение содержания хрома выше 20,0 % при допускаемом заявляемым составом содержанием азота и марганца, приводит к появлению в структуре сплава ферритной фазы, которая уменьшает показатели прочности и ослабляет упрочнение при деформации. В результате при избытке хрома в сплаве, против заявляемого количества по отношению к азоту и марганцу, прочностные свойства сплава могут существенно снижаться.The corrosion resistance of the alloy is ensured by the chromium content ranging from 13.0 to 20.0 wt. %. In this case, a chromium content of less than 13.0% leads to a sharp decrease in the corrosion resistance of the alloy. Thus, the lower limit for chromium is limited to 13.0 wt.%. As the chromium content increases, the corrosion resistance of the alloy increases. The use of a chromium content above 20.0% with the nitrogen and manganese content allowed by the claimed composition leads to the appearance of a ferrite phase in the alloy structure, which reduces the strength indicators and weakens the hardening during deformation. As a result, if there is an excess of chromium in the alloy, compared to the declared amount in relation to nitrogen and manganese, the strength properties of the alloy can be significantly reduced.
Применение азота в сплаве характеризуется его минимальным содержанием от 0,2 мас.% до 0,3 мас.%, которое зависит от содержания хрома, при этом его количественное значение определяется соотношением (1). Максимальное количественное значение азота характеризуется интервалом 0,37÷0,72 мас.% и также зависит от содержания хрома, при этом его количественное значение определяется соотношением (2). Наличие азота в заявляемом количестве в сплаве обеспечивает возможность поддерживать фазовый состав сплава в аустенитном состоянии, т.к. азот является сильным аустенито-образующим элементом. Кроме того, азот способствует повышению коррозионной стойкости, придает сплаву возможность интенсивного упрочнения в процессе холодной деформации без существенного снижения пластических свойств.The use of nitrogen in the alloy is characterized by its minimum content from 0.2 wt.% to 0.3 wt.%, which depends on the chromium content, while its quantitative value is determined by relation (1). The maximum quantitative value of nitrogen is characterized by the range 0.37÷0.72 wt.% and also depends on the chromium content, while its quantitative value is determined by relation (2). The presence of nitrogen in the claimed amount in the alloy makes it possible to maintain the phase composition of the alloy in the austenitic state, because nitrogen is a strong austenite-forming element. In addition, nitrogen helps to increase corrosion resistance and gives the alloy the ability to intensively harden during cold deformation without significantly reducing its plastic properties.
Нижняя граница содержания азота в сплаве 0,2 мас.% установлена с учетом перечисленных свойств азота. При содержании азота ниже заявленных 0,2 мас.%, свойства азота перестают быть существенными, и заявленный технический результат не достигается. Для того, чтобы обеспечить эффективное влияние азота на свойства сплава необходимо максимальное повышение его содержания, которое будет ограничено растворимостью азота в сплаве. В нашем случае этот уровень установлен в количестве 0,72 мас.% в зависимости от содержания хрома в сплаве. При введении азота в большем количестве, вследствие ухудшения его растворимости, в сплаве после выплавки и разливки будут образовываться газовые пузырьки, заполненные избыточным азотом. В результате сплав окажется дефектным по макроструктуре. The lower limit of nitrogen content in the alloy is 0.2 wt.%, taking into account the listed properties of nitrogen. When the nitrogen content is below the declared 0.2 wt.%, the properties of nitrogen cease to be significant, and the declared technical result is not achieved. In order to ensure the effective influence of nitrogen on the properties of the alloy, a maximum increase in its content is necessary, which will be limited by the solubility of nitrogen in the alloy. In our case, this level is set at 0.72 wt.% depending on the chromium content in the alloy. When nitrogen is introduced in larger quantities, due to a deterioration in its solubility, gas bubbles filled with excess nitrogen will form in the alloy after smelting and casting. As a result, the alloy will be defective in its macrostructure.
Марганец в заявляемом сплаве использован как аустенитообразующий элемент, стоимость которого ориентировочно в 10 раз ниже стоимости никеля. Ориентировочно 1 кг марганца может заменить 0,5 кг никеля. При этом марганец положительно влияет на прочностные свойства сплава, при условии, что его нижнее граничное значение характеризуется количественным интервалом 6,6÷8 мас.% и удовлетворяет соотношению (3) в зависимости от содержания хрома в сплаве. При использовании вышеуказанного соотношения (3), предел минимального содержания марганца при содержании хрома 13,0 мас.%, составляет 8,0 мас.%, а предел минимального содержания марганца при содержании хрома 20,0 мас.% равен 6,6 мас.%. При этом верхняя граница по марганцу составляет 17,5 мас.%. Превышение содержания марганца выше верхней границы приводит к образованию сульфидов марганца и резкому падению стойкости к коррозионному растрескиванию в сероводород содержащих средах.Manganese in the claimed alloy is used as an austenite-forming element, the cost of which is approximately 10 times lower than the cost of nickel. Approximately 1 kg of manganese can replace 0.5 kg of nickel. In this case, manganese has a positive effect on the strength properties of the alloy, provided that its lower limit value is characterized by a quantitative range of 6.6÷8 wt.% and satisfies relation (3) depending on the chromium content in the alloy. When using the above relationship (3), the limit of the minimum manganese content when the chromium content is 13.0 wt.% is 8.0 wt.%, and the limit of the minimum manganese content when the chromium content is 20.0 wt.% is 6.6 wt. %. In this case, the upper limit for manganese is 17.5 wt.%. Exceeding the manganese content above the upper limit leads to the formation of manganese sulfides and a sharp drop in resistance to corrosion cracking in hydrogen sulfide-containing environments.
Выполнение соотношения между содержаниями хрома марганца и азота, описываемого неравенством (4) обеспечивает получение аустенитной структуры сплава. Нарушение соотношения приведет к образованию ферритной фазы и снижению прочности сплава.The fulfillment of the relationship between the contents of chromium, manganese and nitrogen, described by inequality (4), ensures the austenitic structure of the alloy. Violation of the ratio will lead to the formation of a ferrite phase and a decrease in the strength of the alloy.
Цирконий и ниобий непосредственно после кристаллизации образуют карбиды и нитриды, что приводит к дисперсионному упрочнению сплава без снижения коррозионной стойкости и пластичности при сохранении немагнитных свойств сплава.Zirconium and niobium immediately after crystallization form carbides and nitrides, which leads to dispersion strengthening of the alloy without reducing corrosion resistance and ductility while maintaining the non-magnetic properties of the alloy.
Ванадий препятствует образованию нитридов хрома при более низких температурах. Vanadium prevents the formation of chromium nitrides at lower temperatures.
При содержании циркония менее 0,001% образуются карбиды и нитриды хрома, что приводит к падению пластических и коррозионных характеристик сплава.When the zirconium content is less than 0.001%, chromium carbides and nitrides are formed, which leads to a decrease in the plastic and corrosion characteristics of the alloy.
При содержании циркония более 0,1% ухудшается морфология включений, что приводит к снижению пластических свойств сплава.When the zirconium content is more than 0.1%, the morphology of the inclusions deteriorates, which leads to a decrease in the plastic properties of the alloy.
При содержании ниобия менее 0,001% часть углерода связывается в карбиды хрома, что приводит к снижению коррозионных и пластических свойств сплава.When the niobium content is less than 0.001%, part of the carbon is bound into chromium carbides, which leads to a decrease in the corrosion and plastic properties of the alloy.
При содержании ниобия более 0,2% ухудшаются пластические свойства сплава.When the niobium content is more than 0.2%, the plastic properties of the alloy deteriorate.
При содержании ванадия менее 0,001% хром частично связывается в нитриды.When the vanadium content is less than 0.001%, chromium is partially bound into nitrides.
При содержании ванадия более 0,2% дальнейшего улучшения пластических и коррозионных свойств не происходит.When the vanadium content is more than 0.2%, there is no further improvement in plastic and corrosion properties.
Признак железо и примеси - остальное означает, что сплав может содержать примесные количества серы, фосфора, углерода, кремния, кислорода и других компонентов, которые всегда присутствуют в сплавах или сталях, при этом значение примесей незначительно, а само их содержание в количествах, превышающих примесные значения, отрицательно влияет на свойства заявляемого сплава.The sign of iron and impurities - the rest means that the alloy may contain impurity amounts of sulfur, phosphorus, carbon, silicon, oxygen and other components that are always present in alloys or steels, while the value of the impurities is insignificant, and their content itself is in quantities exceeding the impurity values, negatively affects the properties of the proposed alloy.
Для изготовления прутка из сплава заявляемого состава, пригодного для изготовления деталей ЭПУ, работающих под высокой нагрузкой, например валов погружных насосов, работающих в условиях значительных динамических нагрузок, пруток должен пройти холодную или теплую прокатку, т.к. пруток из заявляемого сплава после горячей прокатки имеет низкий уровень механических свойств. Например, предел текучести после горячей прокатки составляет 400÷450 МПа, при чрезвычайно высокой пластичности сплава, получаем относительное сужение 70%, а относительное удлинение 50÷55%. Из прутка после горячей прокатки могут быть изготовлены не все детали ЭПУ, в частности, не могут быть изготовлены детали, работающие под высокой нагрузкой, которые требуют значительно более высокой прочности.To produce a rod from an alloy of the claimed composition, suitable for the manufacture of EPU parts operating under high loads, for example, shafts of submersible pumps operating under conditions of significant dynamic loads, the rod must undergo cold or warm rolling, because a rod made of the inventive alloy after hot rolling has a low level of mechanical properties. For example, the yield strength after hot rolling is 400÷450 MPa, with extremely high ductility of the alloy, we obtain a relative contraction of 70%, and a relative elongation of 50÷55%. Not all EPU parts can be made from a rod after hot rolling; in particular, parts operating under high loads, which require significantly higher strength, cannot be made.
Заявляемый пруток для обеспечения высоких прочностных свойств подвергают пластической деформации в холодном или теплом состоянии с суммарным обжатием до 90%. При этом деформацию необходимо производить при температуре не более 950°С, т.к. для заявляемого сплава эта температура является порогом рекристаллизации. Превышение температуры выше 950°С приводит к разупрочнению сплава.To ensure high strength properties, the inventive rod is subjected to plastic deformation in a cold or warm state with a total compression of up to 90%. In this case, deformation must be carried out at a temperature of no more than 950°C, because for the proposed alloy, this temperature is the recrystallization threshold. Exceeding the temperature above 950°C leads to softening of the alloy.
Верхний порог степени деформации составляет 90% и ограничен тем, что пруток приобретает очень высокий уровень прочностных свойств. При степени деформации 90% предел текучести составляет 2000 МПа. Дальнейшее упрочнение такого сплава не имеет смысла, так как становится невозможна пластическая и механическая обработка.The upper threshold for the degree of deformation is 90% and is limited by the fact that the rod acquires a very high level of strength properties. At a degree of deformation of 90%, the yield strength is 2000 MPa. Further strengthening of such an alloy does not make sense, since plastic and mechanical processing becomes impossible.
Степень деформации до 90% может производиться как за один, так и за несколько циклов. Конечные механические свойства определяются суммарной степенью деформации и практически не зависят от количества циклов и степени разовой деформации.Deformation rates up to 90% can be produced in one or several cycles. The final mechanical properties are determined by the total degree of deformation and are practically independent of the number of cycles and the degree of single deformation.
Сравнительный анализ с известными сплавами и сталями для изготовления прутков позволяет сделать вывод, что заявляемый сплав характеризуется новым качественным и количественным составом компонентов, которые при последующей холодной или теплой деформации с заданной степенью деформации обеспечивают получение немагнитного сплава аустенитного класса, обладающего превосходными прочностными и пластическими свойствами, ударной вязкостью при одновременно высокой стойкости к коррозии, в том числе к электрохимической коррозии, растрескиванию в среде сероводорода и других агрессивных средах, а также позволяет исключить использование дорогостоящего никеля.A comparative analysis with known alloys and steels for the manufacture of rods allows us to conclude that the proposed alloy is characterized by a new qualitative and quantitative composition of components, which, with subsequent cold or warm deformation with a given degree of deformation, ensure the production of a non-magnetic alloy of the austenitic class, which has excellent strength and plastic properties, impact strength while simultaneously being highly resistant to corrosion, including electrochemical corrosion, cracking in hydrogen sulfide and other aggressive environments, and also eliminates the use of expensive nickel.
Заявляемое изобретения поясняется примерами конкретного выполнения.The claimed invention is illustrated by examples of specific implementation.
Сплавы выплавляли в открытой индукционной печи емкостью 100 кг. В качестве шихтовых материалов использовали железо «Армко», феррохром ФХ005, хром азотированный ХН15, металлический марганец Мр0, феррованадий ФВД50, феррониобий ФН60, металлический цирконий и силикокальций СК25 в качестве раскислителя. Разливку осуществляли в слитки массой 85 кг. Прокатку слитков проводили на стане винтовой прокатки до ∅ 35 мм, теплую и холодную деформацию на радиально ковочной машине до ∅ 11 мм (степень деформации 90%). Механические свойства стали определяли по ГОСТ 1497-2014 и ГОСТ 9454-84. Стойкость стали к коррозионному растрескиванию под напряжением в сероводород содержащей среде по стандарту NACE TM 0177 и СТО Газпром 2-5.1- 148-2007. Химический состав сплавов представлен в таблице 1, где составы по примерам №№ 1, 2 и 4 - сплавы по изобретению. Остальные сплавы - контрольные примеры. Свойства сплавов после холодной и теплой деформации представлены в Таблице 2.The alloys were smelted in an open induction furnace with a capacity of 100 kg. Iron "Armco", ferrochrome FH005, nitrided chromium XN15, metallic manganese Mp0, ferrovanadium FVD50, ferroniobium FN60, metallic zirconium and silicocalcium SK25 as a deoxidizer were used as charge materials. Casting was carried out into ingots weighing 85 kg. The ingots were rolled on a screw rolling mill up to ∅ 35 mm, and warm and cold deformed on a radial forging machine up to ∅ 11 mm (deformation degree 90%). The mechanical properties of steel were determined according to GOST 1497-2014 and GOST 9454-84. Resistance of steel to stress corrosion cracking in a hydrogen sulfide containing environment according to NACE TM 0177 standard and STO Gazprom 2-5.1-148-2007. The chemical composition of the alloys is presented in Table 1, where the compositions according to examples Nos. 1, 2 and 4 are the alloys according to the invention. The remaining alloys are test examples. The properties of the alloys after cold and warm deformation are presented in Table 2.
Выплавленные сплавы, помимо основных элементов, содержат неизбежные примеси - углерод в количестве 0,02-0,08 мас. %, кремний в количестве 0,17-0,22 мас.%,, фосфор и другие примеси не оказывающие существенного влияния на свойства из-за их незначительного содержания. Для сравнения был выплавлен сплав, отвечающий по составу сплаву по прототипу. Из таблиц 1,2 видно, что несмотря на близость химических составов (пример № 4 по изобретению и состав по прототипу), пластические свойства, ударная вязкость и коррозионная стойкость прутка из заявляемого сплава существенно выше, что обеспечивает его применение для изготовления деталей ЭПУ.Melted alloys, in addition to the main elements, contain inevitable impurities - carbon in an amount of 0.02-0.08 wt. %, silicon in the amount of 0.17-0.22 wt.%, phosphorus and other impurities that do not have a significant effect on the properties due to their insignificant content. For comparison, an alloy was smelted that matched the composition of the prototype alloy. From tables 1 and 2 it is clear that despite the similarity of chemical compositions (example No. 4 according to the invention and the composition according to the prototype), the plastic properties, impact strength and corrosion resistance of a rod made of the inventive alloy are significantly higher, which ensures its use for the manufacture of EPU parts.
Также из Таблицы № 2 видно, что сплав по примеру № 2 (по изобретению) при обработке его в режимах выше заявленных по температуре (горячая деформация) или по степени деформации (выше 90%), также не обеспечивает пруток свойствами, которыми обладает пруток, выплавленный из сплава по примеру № 2, но с соблюдением заявленных температурных и деформационных режимов. Таким образом, выход за пределы заявленных режимов по температуре или по степени деформации не обеспечивает возможность использование прутка для изготовления деталей ЭПУ.It is also clear from Table No. 2 that the alloy according to example No. 2 (according to the invention), when processed in conditions higher than those stated in temperature (hot deformation) or in degree of deformation (above 90%), also does not provide the rod with the properties that the rod has, smelted from an alloy according to example No. 2, but in compliance with the declared temperature and deformation conditions. Thus, going beyond the stated temperature or degree of deformation conditions does not provide the possibility of using the rod for the manufacture of EPU parts.
Как видно из представленных данных, заявленное изделие в виде прутка из немагнитного сплава, не содержащего никеля, обладает высоким уровнем прочностных и пластических свойств и ударной вязкости при высокой стойкости к коррозионному растрескиванию в среде сероводорода после теплой и холодной деформации (не выше 950°С) с суммарной степенью до 90%.As can be seen from the presented data, the claimed product in the form of a rod made of a non-magnetic alloy that does not contain nickel has a high level of strength and plastic properties and impact strength with high resistance to corrosion cracking in a hydrogen sulfide environment after warm and cold deformation (not higher than 950°C) with a total degree of up to 90%.
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2823412C1 true RU2823412C1 (en) | 2024-07-23 |
Family
ID=
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4721600A (en) * | 1985-03-28 | 1988-01-26 | Sumitomo Metal Industries, Ltd. | Superplastic ferrous duplex-phase alloy and a hot working method therefor |
| SU1733498A1 (en) * | 1990-03-28 | 1992-05-15 | Научно-производственное объединение по тракторостроению "НАТИ" | High-temperature steel |
| RU2263155C1 (en) * | 2004-08-12 | 2005-10-27 | Зао "Ижевский Опытно-Механический Завод" | High-strength stainless steel |
| JP2012111972A (en) * | 2010-11-19 | 2012-06-14 | Shin Zu Shing Co Ltd | Hinge element and electronic device using the same |
| EP1645649B1 (en) * | 2003-06-10 | 2014-07-30 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Austenitic stainless steel for hydrogen gas and method for production thereof |
| KR101600251B1 (en) * | 2014-06-11 | 2016-03-04 | 닛폰 스틸 앤드 스미킨 스테인레스 스틸 코포레이션 | High-strength dual phase structure stainless steel wire material, high-strength dual phase structure stainless steel wire, and method for production the same and spring part |
| RU2691446C1 (en) * | 2015-07-27 | 2019-06-13 | Зальцгиттер Флахшталь Гмбх | High-alloy steel and method for production of pipes from this steel by internal high-pressure forming |
| RU2696792C1 (en) * | 2019-05-23 | 2019-08-06 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения", АО "НПО "ЦНИИТМАШ" | Corrosion-resistant high-strength non-magnetic steel |
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4721600A (en) * | 1985-03-28 | 1988-01-26 | Sumitomo Metal Industries, Ltd. | Superplastic ferrous duplex-phase alloy and a hot working method therefor |
| SU1733498A1 (en) * | 1990-03-28 | 1992-05-15 | Научно-производственное объединение по тракторостроению "НАТИ" | High-temperature steel |
| EP1645649B1 (en) * | 2003-06-10 | 2014-07-30 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Austenitic stainless steel for hydrogen gas and method for production thereof |
| RU2263155C1 (en) * | 2004-08-12 | 2005-10-27 | Зао "Ижевский Опытно-Механический Завод" | High-strength stainless steel |
| JP2012111972A (en) * | 2010-11-19 | 2012-06-14 | Shin Zu Shing Co Ltd | Hinge element and electronic device using the same |
| KR101600251B1 (en) * | 2014-06-11 | 2016-03-04 | 닛폰 스틸 앤드 스미킨 스테인레스 스틸 코포레이션 | High-strength dual phase structure stainless steel wire material, high-strength dual phase structure stainless steel wire, and method for production the same and spring part |
| RU2691446C1 (en) * | 2015-07-27 | 2019-06-13 | Зальцгиттер Флахшталь Гмбх | High-alloy steel and method for production of pipes from this steel by internal high-pressure forming |
| RU2696792C1 (en) * | 2019-05-23 | 2019-08-06 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения", АО "НПО "ЦНИИТМАШ" | Corrosion-resistant high-strength non-magnetic steel |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101177540B1 (en) | AUSTENITIC HIGH Mn STAINLESS STEEL EXCELLENT IN WORKABILITY | |
| US10597760B2 (en) | High-strength steel material for oil well and oil well pipes | |
| RU72697U1 (en) | STAINLESS STEEL HIGH STRENGTH STEEL BAR | |
| US20100000636A1 (en) | Duplex stainless steel | |
| RU2394114C2 (en) | Austenite steel not containing or with low contents of nickel and item for overhead or underground construction made out of this steel | |
| JP2013147705A (en) | Ferritic stainless steel wire rod and steel wire, and method for producing them | |
| JP2015526593A (en) | Ferritic stainless steel | |
| CN108220813B (en) | Super-grade duplex stainless steel and alloy component optimization design method thereof | |
| JP5046398B2 (en) | High nitrogen martensitic stainless steel | |
| JP2018178144A (en) | Precipitation-hardened stainless steel having excellent hot workability | |
| EP3115477B1 (en) | Age hardening non-heat treated bainitic steel | |
| RU2383649C2 (en) | Precipitation hardening steel (versions) and item out of steel (versions) | |
| CN116601324A (en) | Austenitic stainless steel | |
| RU2823412C1 (en) | Article in form of rod for manufacture of parts of electric submersible plants for extraction of oil from alloy based on iron and chromium | |
| RU59060U1 (en) | STAINLESS STEEL HIGH STRENGTH STEEL BAR | |
| JP2014019925A (en) | Ni SAVING TYPE AUSTENITIC STAINLESS STEEL | |
| WO2023105852A1 (en) | Stainless steel having excellent cold forgeability, hydrogen embrittlement resistance properties or corrosion resistance and non-magnetism | |
| CN112458366B (en) | Stainless steel with high tissue stability in marine environment and manufacturing method thereof | |
| JP6501652B2 (en) | Martensitic stainless steel with excellent precipitation hardenability | |
| KR102263556B1 (en) | Two-phase stainless steel strip and its manufacturing method | |
| US20220235444A1 (en) | A martensitic stainless alloy | |
| KR970009523B1 (en) | High strength & high corrosion resistance of martensite stainless steel | |
| RU76647U1 (en) | SHAFT (OPTIONS) | |
| RU61285U1 (en) | STAINLESS STEEL HIGH STRENGTH STEEL BAR | |
| RU2782832C1 (en) | High-strength low-magnetic non-stabilized weldable steel, resistant to local corrosion in zones of thermal affect of welding and prolonged heating in the area of hazardous temperatures |