高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢及其制造方法
【专利摘要】一种高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢及其制造方法，属于不锈钢【技术领域】。该不锈钢成分重量百分数为：21.5≤Cr≤22.5，0.5≤Mo≤1.5，C≤0.040，0.65≤N≤0.75，0.40≤Nb≤0.50，1.95≤Ni≤2.05，16.0≤Mn≤17.0，Si≤0.20，P≤0.020，S≤0.010，余量为Fe，并保证：Cr(wt.％)+3.3×Mo(wt.％)+16.0×N(wt.％)≥33.0。其制造方法包括：电炉熔炼，氩氧脱碳二次精炼，电渣重熔，快锻机开坯，径锻机成型，水冷处理。优点在于，该种高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢具有良好的室温强度、优异的耐点腐蚀以及耐晶间腐蚀的性能。
【专利说明】高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于不锈钢【技术领域】，特别是涉及一种高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈 钢及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 无磁钻铤是当今高精度、高深度石油及天然气钻采设备重要的部件，是钻柱的主 要组成部分之一，具有向钻头提供钻进的压力以及提高钻柱刚性的作用。目前常见的无磁 钻铤由磁导率很低的不锈钢制造，管体横截面内外皆为圆形。由于勘探开发的需求，钻井设 备的钻探速度不断加快，钻井的深度也不断增加，井下需要安装随钻测量仪器设备对钻探 的垂直方向进行实时修正。由于所有磁性测量仪器在测量井眼方向时感应的是井眼的大地 磁场，为防止高速钻探过程中产生的磁场对仪器设备工作状态的影响，测量仪器必须工作 在一个无磁的环境下，利用磁导率极低的不锈钢材料制成的无磁钻铤可以实现无磁的工作 环境，达到使磁性测量仪器正常工作的目的。
[0003] 除极低的磁导率要求外，无磁钻铤材料的主要性能指标是强度和耐蚀性能，以及 兼顾经济性。从上世纪30年代至今，无磁钻铤用材料的发展经过了 300系不锈钢、蒙乃尔 合金、含氮奥氏体不锈钢等几代材料。Cr-Mn-N系无磁不锈钢是目前世界上用于制造高性能 无磁钻铤产品的主流材料。多年来，随着陆地和海洋油气资源钻采对材料性能要求的不断 提高，该类型不锈钢的成分体系设计理念不断进步，其耐腐蚀性能、力学性能显著提高。
[0004] 无磁钻铤用氮合金化奥氏体不锈钢中主要的合金元素为Cr、Μη、N，另外某些体系 还含有少量的Mo和Ni,这几种关键元素在合金体系中的作用如下：
[0005] I) Cr 的影响
[0006] Cr元素是提高Cr-Mn系奥氏体不锈钢耐蚀性能的元素之一。Cr含量的增加可以 提高该型不锈钢耐氧化性介质和酸性氯化物介质中的耐蚀能力，还可以提高不锈钢在还原 性介质、有机酸、尿素或者碱性介质中的耐蚀能力。Cr含量的增加还可以提高该型不锈钢耐 晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀和某些条件下应力腐蚀等局部腐蚀性能。
[0007] 2) Mn 的影响
[0008] Mn元素加入到该型不锈钢中主要目的是代替昂贵的Ni元素使钢形成稳定的奥氏 体组织并提高N元素在钢中的固溶度。Mn含量的过度增加会导致该型不锈钢低温韧性的恶 化，在低温下出现韧性-脆性的转变。因此仅有Mn元素和N元素而无 Ni元素的Cr-Mn系 不锈钢无法获得优良的低温韧性。
[0009] 3) Ni 的影响
[0010] Ni元素的存在使该型不锈钢获得稳定的奥氏体组织，使其具有较好的强度和塑 性，并使其具有优良的冷、热加工性能以及焊接和无磁性能。Ni元素的加入还可以显著改善 该型不锈钢的韧性，通过抑制冷加工过程中的马氏体转变来降低其冷加工硬化倾向。Ni元 素可以改善该型不锈钢的热加工性能，显著提高成材率。还可以通过Ni元素的增加来提高 该型不锈钢在大多数介质中耐穿晶型应力腐蚀性能。但Ni元素会导致其晶间腐蚀敏感性 增加，对耐点蚀和缝隙腐蚀性能无明显影响。
[0011] 4)Mo 的影响
[0012] Mo元素提高不锈钢耐蚀性能的能力是Cr元素的三倍以上。Mo元素的加入显著提 高该型不锈钢在还原性介质如硫酸、磷酸以及一些有机酸或尿素环境中的耐点蚀、缝隙腐 蚀性能，对强度的影响作用不显著。相反，Mo元素的加入会导致某些脆性析出物如sigma相 或chi相的形成，严重恶化不锈钢的塑性和韧性。
[0013] 5) N的影响
[0014] N元素的加入主要目的是作为固溶强化元素提高该型不锈钢的强度，同时不显著 损害其塑性和韧性；N元素的加入也可以提高不锈钢的抗高温蠕变、疲劳和耐磨损性能，每 加入0. 1 %的N元素可提高约60-100MPa的强度。N元素的强化作用通过固溶方式来实现。 一般认为N兀素以间隙固溶体的形式使奥氏体面心立方晶格产生最大的晶格畸变量，对位 错有极大的钉扎作用，因此对奥氏体晶粒和晶界都能起到强化作用。另一方面，N元素还可 以通过减小晶粒尺寸来提高不锈钢强度，其强度和晶粒尺寸的关系服从Hell-Petch公式。 同时N元素的加入可以提高其耐蚀性能尤其是耐晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀 性能。高N型Cr-Mn系不锈钢N含量在0. 40%以上，同时具有高强度和高耐蚀性能。
[0015] 在此不难看出，Cr、Μη、N、Mo和Ni等几种主要合金元素对Cr-Mn-N系奥氏体不锈 钢的耐蚀性能和强度性能有直接的影响。因此在钢中的成分设计上要重点考虑以上几种元 素的作用。
【发明内容】
[0016] 本发明的目的在于提供一种高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢及其制造方法， 具有优良力学性能和耐蚀性能，如良好的室温屈服强度、抗拉强度、硬度、冲击韧性、优异的 耐点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等性能，以及极低的磁导率。
[0017] 本发明的高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢的各元素重量百分比为： 21. 5 ^ Cr ^ 22. 5,0. 5 ^ Mo ^ I. 5, C ^ 0. 040,0. 65 ^ N ^ 0. 75,0. 40 ^ Nb ^ 0. 50, 1. 95 彡 Ni 彡 2. 05,16. 0 彡 Mn 彡 17. 0, Si 彡 0· 20, P 彡 0· 020, S 彡 0· 010,余量为 Fe。
[0018] 在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
[0019] 进一步，所述高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢的Cr元素、Mo元素和N元素含 量使其点蚀指数（Pitting Resistance Equivalent，PRE)值大于 33. 0,即：
[0020] PRE = Cr(wt. % )+3. 3XMo(wt. % )+16. 0XN(wt. % ) ^ 33. 0
[0021] 本发明的高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢的制造方法，包含以下工艺步骤：
[0022] (1)依据下列元素重量百分比熔炼钢水：21. 5彡Cr彡22. 5,0· 5彡Mo彡L 5， C ^ 0. 040,0. 65 ^ N ^ 0. 75,0. 40 ^ Nb ^ 0. 50,1. 95 ^ Ni ^ 2. 05,16. 0 ^ Mn ^ 17. 0, Si彡0· 20, P彡0· 020, S彡0· 010,余量为Fe,并保证：
[0023] Cr(wt. % )+3. 3XMo(wt. % )+16. 0XN(wt. % ) ^ 33. 0 ；
[0024] (2)采用电炉+氩氧脱碳+电渣重熔的方法制得电渣钢坯；
[0025] (3)电渣钢坯通过高温热处理炉加热并保温；
[0026] (4)电渣钢坯出炉后立即经过快锻机锻造为开坯钢坯；
[0027] (5)开坯钢坯为圆柱体，端面直径根据成品径锻钢坯的尺寸和终锻变形量实际计 算；
[0028] (6)开坯钢坯通过高温热处理炉回炉保温；
[0029] (7)开坯钢坯经过回炉处理后出炉，立即经过径锻机锻造为径锻钢坯；
[0030] (8)径锻完成后将径锻钢坯进行水冷处理。
[0031] 在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
[0032] 进一步，所述步骤（3)中所述高温热处理炉的加热温度为1230°C?1240°C，加热 时间为3h?6h。
[0033] 进一步，步骤（4)中所述快锻机锻造的终锻温度为1050°C?1080°C，锻造总时间 为 IOmin ?20min。
[0034] 进一步，步骤（5)中所述径锻钢坯为圆柱体，端面直径为200mm?300mm，终锻变形 量为10%?22%。
[0035] 进一步，步骤（6)中所述回炉保温的加热温度为1230°C?1240°C，加热时间为 I. 5h ?2h。
[0036] 进一步，步骤（7)中所述径锻机锻造的终锻温度为950°C?1000°C，径锻时间为 5min ?15min〇
[0037] 本发明的有益效果是：通过高氮合金化、控制变形温度、变形速率等工艺参数建立 合理的热加工工艺窗口，躲避开了大量脆性析出物容易产生的敏感温度区间；同时通过C 含量的严格控制、Cr含量和Mo含量的调整，使所述高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢在 降低生产成本的前提下，兼具良好的室温强度、优异的耐点腐蚀以及耐晶间腐蚀的性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0038] 图1为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-1变形态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0039] 图2为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-1敏化态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0040] 图3为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-2变形态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0041] 图4为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-2敏化态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0042] 图5为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-3变形态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0043] 图6为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-3敏化态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0044] 图7为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-4变形态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0045] 图8为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-4敏化态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0046] 图9为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-5变形态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0047] 图10为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-5敏化态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0048] 图11为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-6变形态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0049] 图12为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-7变形态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0050] 图13为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-8变形态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0051] 图14为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-9变形态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0052] 图15为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-6敏化态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0053] 图16为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-7敏化态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0054] 图17为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-8敏化态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0055] 图18为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-9敏化态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0056] 图19为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-10变形态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0057] 图20为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-10敏化态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0058] 图21为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-11变形态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0059] 图22为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-11敏化态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0060] 图23为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-12变形态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0061] 图24为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-13变形态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0062] 图25为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-14变形态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0063] 图26为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-12敏化态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0064] 图27为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-13敏化态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0065] 图28为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-14敏化态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0066] 图29为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-15变形态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0067] 图30为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-15敏化态样品经过 ASTM-A262的A法晶间腐蚀测试后的微观组织金相照片。
[0068] 图31为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-1变形态样品的微观组织 金相照片。
[0069] 图32为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-16变形态样品的微观组 织金相照片。
[0070] 图33为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-18变形态样品的微观组 织金相照片。
[0071] 图34为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-19变形态样品的微观组 织金相照片。
[0072] 图35为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-20变形态样品的微观组 织金相照片。
[0073] 图36为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-21变形态样品的微观组 织金相照片。
[0074] 图37为本发明高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢炉-17变形态样品的微观组 织金相照片。
【具体实施方式】
[0075] 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。
[0076] 共制备了 29种不同成分（表1)的高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢样品，其 中包括比对试验所需的对比材料。
[0077] 表1超低C、N含量的中Cr铁素体不锈钢样品化学成分
【权利要求】
1. 一种高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢，其特征在于，各元素重量百分比为： 21. 5 ^ Cr ^ 22. 5,0. 5 ^ Mo ^ 1. 5, C ^ 0. 040,0. 65 ^ N ^ 0. 75,0. 40 ^ Nb ^ 0. 50, 1. 95 彡 Ni 彡 2. 05,16. 0 彡 Μη 彡 17. 0, Si 彡 0· 20, P 彡 0· 020, S 彡 0· 010,余量为 Fe。
2. 根据权利要求1所述的一种高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢，其特征在于，所 述Cr元素、Mo元素和N元素含量需满足公式PRE = Cr(wt. % )+3. 3XMo(wt. % )+16. 0ΧΝ (wt. % )彡33. 0的要求，PRE为不锈钢的点蚀指数。
3. -种权利要求1所述的高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢的制造方法，其特征在 于，工艺步骤为： ⑴依据下列元素重量百分比熔炼钢水：21· 5彡Cr彡22. 5,0· 5彡Mo彡1. 5， C 彡 0· 040,0· 65 彡 N 彡 0· 75,0· 40 彡 Nb 彡 0· 50,1. 95 彡 Ni 彡 2. 05,16. 0 彡 Μη 彡 17. 0， Si 彡 0· 20, Ρ 彡 0· 020, S 彡 0· 010,余量为 Fe，并保证：Cr (wt. % ) +3. 3 XMo (wt. % ) +16. 0 X N(wt. % ) ^ 33. 0 ； (2) 采用电炉+氩氧脱碳+电渣重熔的方法制得电渣钢坯； (3) 电渣钢坯通过高温热处理炉加热并保温； (4) 电渣钢坯出炉后经过快锻机锻造为开坯钢坯； (5) 开坯钢坯为圆柱体，端面直径根据成品径锻钢坯的尺寸和终锻变形量实际计算； (6) 开坯钢坯通过高温热处理炉回炉保温； (7) 开坯钢坯经过回炉处理后出炉，经过径锻机锻造为径锻钢坯； (8) 径锻完成后将径锻钢坯进行水冷处理。
4. 根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，步骤⑶中所述高温热处理炉的加热 温度为1230°C?1240°C，加热时间为3h?6h。
5. 根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，步骤（4)中所述快锻机锻造的终锻温 度为1050°C?1080°C，锻造总时间为lOmin?20min。
6. 根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，步骤（5)中所述径锻钢坯为圆柱体， 端面直径为200mm?300mm，终锻变形量为10 %?22 %。
7. 根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，步骤（6)中所述回炉保温的加热温度 为1230°C?1240°C，加热时间为1. 5h?2h。
8. 根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，步骤（7)中所述径锻机锻造的终锻温 度为950°C?1000°C，径锻时间为5min?15min。
【文档编号】C21D8/00GK104264071SQ201410542417
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月14日 优先权日:2014年10月14日
【发明者】屈华鹏, 郎宇平, 陈海涛 申请人:钢铁研究总院