專利名稱：一種油氣管線用高強韌超級馬氏體不銹鋼及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金屬材料領域，尤其涉及超級馬氏體不銹鋼。
背景技術：
石油和天然氣屬國家戰(zhàn)略資源，特別是隨著我國工業(yè)化進程的加快和人民生活水 平的日益提高，相應的對能源的需求量也急劇增長，能源短缺已成為制約國家經(jīng)濟發(fā)展的 主要因素之一。為了緩解我國日益嚴重的油氣供需比矛盾及進一步拓展石油、天然氣的開 采區(qū)域，我國已將石油、天然氣的重點開采區(qū)域從中東部向西部以及海洋領域轉移。然而， 該類區(qū)域的油氣開采條件與以往的開采區(qū)域具有很大的差異，例如新疆多為深井和超深井 (塔里木平均井深達5000多米)，井下開采環(huán)境較為惡劣且環(huán)境溫度也逐漸升高。由于使 用的套管在工作中不但要承受套管柱產(chǎn)生的拉力，還要承受地層蠕動等而產(chǎn)生的挫斷力、 射孔帶來的開裂力等，因此深井和超深井條件下對所用材料的強度和韌性也提出了更高的 要求。通常410或420馬氏體不銹鋼能滿足一般油氣井用套管和油管所要求的強 度，卻不能達到深井、超深井中所要求不低于759MPa的屈服強度，且韌性偏低，從而在 管道作業(yè)循環(huán)中常出現(xiàn)破裂造成意外事故。為了解決上述問題，提出改進型的馬氏 體不銹鋼，在機械強度、耐蝕性等方面有一定的提高，但是還不能取得令人滿意的結 果。如CN1255569C和CN1257994C中需要添加昂貴的鈦、稀土元素、鎳的含量也較高， 因此成本相對較高。在CN1250761C中采用二次回火，增加了熱處理工藝的復雜性。在 CN101078088 (200610046693. 3)中采用淬火+低溫回火，進行穩(wěn)定化時效處理的工藝，但是 需要長時間時效處理，增加了工業(yè)化生產(chǎn)周期。隨著A0D/V0D精煉技術的發(fā)展，鋼中碳含 量進一步降低(最低可降到0. 01% )，合金成分進一步優(yōu)化成為可能，再采取適當?shù)臒崽幚?工藝，使鋼的性能得到顯著提高，因此本發(fā)明采用超級馬氏體不銹鋼的新型鋼種可以替代 傳統(tǒng)的410或420馬氏體不銹鋼。出于生產(chǎn)安全方面的考慮，在深井、超深井中往往使用雙相不銹鋼，一些特殊部件 甚至要求使用超級雙相不銹鋼。然而，超級馬氏體不銹鋼具有優(yōu)異的綜合力學性能，不會造 成沒有必要的性能浪費，而且更主要的是相對于雙相不銹鋼和其它耐蝕合金它更經(jīng)濟。因 此，在石油天然氣行業(yè)中推廣使用超級馬氏體不銹鋼是可行的，進一步提高超級馬氏體不 銹鋼的強韌性可以擴大其在深井、超深井中的應用。

發(fā)明內容
考慮到現(xiàn)有技術的不完善，本發(fā)明的目的是提供一種油氣管線用高強韌超級馬氏 體不銹鋼及其制造方法，可以滿足在深井、超深井中使用的管材線材所要求的強度和韌性。本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)—種油氣管線用高強韌超級馬氏體不銹鋼及其制造方法，其特征在于，該超級馬 氏體不銹鋼的化學成分(質量％ )為C:0.01 0.03%、Si:0.5% l%、Mn:0.2% 2. 0%、Cr :11· 0% 17. 0%、Ni :5· 0% 8. 0%、Mo :0· 5% 3. 5%、P 彡 0. 015%、S (0. 035%,N 0. 02% 0. 08%,Nb :0. 02% 0. 5%、W :< 0. 1%、剩余部分由 Fe 及不可避
免雜質組成。上述的超級馬氏體不銹鋼具有以下力學性能屈服強度Rpa2彡759MPa，抗拉強度 Rm彡827MPa，延伸率A彡22%，硬度HRC彡30。具體各元素作用如下(I)Cr 的影響Cr是的主要合金元素，能夠強化鐵素體形成和縮小奧氏體相區(qū)，對耐蝕性起著決 定作用。在C含量一定的條件下，隨著Cr含量的增加，在熱處理后會形成部分高溫鐵素體 組織，這種鐵素體的存在會影響鋼的塑性，降低鋼的強度并惡化鋼的耐蝕性。在保證淬透性 的基礎上，Cr含量的提高使鋼的耐腐蝕性能增強，當Cr與Mo配合使用時，其耐蝕性更好。 因此Cr含量應當設置為10. 0% 20. 0%，優(yōu)選范圍應當為11.0% 17.0%。(2) Ni 的影響Ni是鋼中重要的合金元素。Ni可以擴大Fe-Cr 二元合金奧氏體相區(qū)和奧氏體加 鐵素體雙相區(qū)，使C含量較低的鋼具有很好的淬火能力，并且由于M的存在，可使鋼的Cr 含量向高Cr方向移動，即鋼中的Cr可以提高而不至形成單一的鐵素體組織，提高了鋼的耐 蝕性，M的另一個作用是降低鋼中S-鐵素體含量，效果明顯。然而，過高的鎳將使鋼轉變 成奧氏體組織而失去淬透性。此外，M含量過多，冷卻時會導致殘余奧氏體的形成，從而得 不到全馬氏體組織，使時效后的強度降低。由于鎳的價格較高導致生產(chǎn)成本升高。所以將 Ni的含量設為3.0% 10. 0%，更優(yōu)選的是5.0% 8.0%。(3)Mo 的影響Mo的主要作用是增加回火穩(wěn)定性和強化二次硬化效應，同時增加鋼的強度和提高 耐點蝕性能，并且不降低韌性。由于Mo是鐵素體形成元素且改善回火穩(wěn)定性，所以將Mo的 含量設為0. 5% 3. 5%。(4) C 的影響C是一種擴大奧氏體相區(qū)元素，與Ni的作用相似，其對鋼的力學性能影響主要表 現(xiàn)為強度和硬度隨C含量的增加而提高，韌性隨C含量的增加而降低，當C含量超過0. 1 % 時導致鋼的耐腐蝕能力急劇惡化，因此為滿足高強度、高韌性和良好的耐蝕性，最根本的途 徑是降低碳含量。而超低碳可以減少Cr的碳化物的形成，有利于保持鋼的韌性和耐蝕性。 因而碳含量應當設置為0. 01 % 0. 1 %，為減少Ni的使用量，C含量不低于0. 01 %，優(yōu)選的 范圍應當是0.01% 0. 03%。(5) N 的影響N的影響類似于C，它是促奧氏體形成元素，是一種廉價的強化元素，其強化效果 高于碳。N可以明顯增加鋼的屈服強度，在某些條件下可提高耐蝕性，并且對鋼的回火脆性 也有重要的影響，所以將N的含量設為0. 02 0. 08%。(6) S 的影響S是影響鋼的抗氫致裂紋能力和抗硫化物應力腐蝕斷裂能力的主要元素。其導致 鋼各向異性，在橫向和厚度方向上韌性惡化，影響管線鋼的低溫沖擊韌性。因此，硫含量是 管線鋼要求最為苛刻的指標，所以將S的含量設為0. 035%以下。
(7) P 的影響P能顯著降低鋼的低溫沖擊韌性，提高鋼的脆性轉變溫度，使鋼管發(fā)生冷脆。當P 含量大于0.015%時，磷的偏析也會急劇增加。因此將P的含量設為0.015%以下。(8) Si 的影響Si的主要作用是脫氧，當含量低于0.5%時使脫氧效果變差，含量高于時降低 鋼的剛度和耐蝕性，因此將Si的含量設為0. 5% 1%。(9) Mn 的影響Mn通過固溶強化來提高鋼的硬度，Mn的含量< 2. 0%時，鋼的強度隨Mn含量的增 加而提高，而沖擊韌性下降的趨勢甚小，且不影響其脆性轉變溫度，因此將Mn的含量設為 0. 2% 2. 0%。(10) Nb、W微量元素的影響Nb、W是作為提高鋼強韌性的微合金化元素而加入到鋼中，通過晶粒細化和沉淀硬 化來影響鋼的性能。它們可以產(chǎn)生顯著的晶粒細化及中等程度的沉淀強化作用，并可改善 低溫韌性。它們可以與C形成穩(wěn)定的碳化物，避免“貧鉻”現(xiàn)象產(chǎn)生，可以提高抗腐蝕性。所 以Nb含量為0. 02% 0. 5%，W含量小于0. 1%。上述一種油氣管線用高強韌超級馬氏體不銹鋼的制造方法，其特征在于⑴冶煉、鑄造；(2)鍛造或熱軋成型初始成型溫度為1100°C 1200°C，終成型溫度900°C IOOO0C ；(3)淬火工藝淬火溫度960°C 1050°C，保溫時間0. 5 lh，空冷；(4)回火工藝回火溫度570°C 650°C，升溫速率10 20°C /min，保溫時間2
4h，空冷至室溫。本發(fā)明超級馬氏體不銹鋼經(jīng)淬火和回火處理后在室溫下的典型組織為低碳回火 板條馬氏體和逆變奧氏體復相組織，如圖1所示。低碳回火板條馬氏體本身具有很高的強 度和韌性，更重要的是，細小彌散分布于回火板條馬氏體之間的逆變奧氏體相是很好的、韌 性相。因此，超級馬氏體不銹鋼具有很高的強度和良好的韌性。通過添加鎢鈮等元素細化 回火馬氏體的晶粒來改善超級馬氏體不銹鋼的性能。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下有益效果1.本發(fā)明中關于化學成分質量百分配比的設計避免使用許多貴金屬，降低了生產(chǎn) 成本，使產(chǎn)品的價格受原材料價格波動的影響小。2.本發(fā)明生產(chǎn)的超級馬氏體不銹鋼所需熱處理工藝簡單，能有效的縮短工業(yè)化生 產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)效率。3.本發(fā)明生產(chǎn)的超級馬氏體不銹鋼同時具備高的強度和韌性，更加適用于深井， 超深井油氣管線材和原油，天然氣的輸送設備。


圖1為發(fā)明鋼經(jīng)過1000°C X0. 5h水冷淬火+630°C X2h回火冷卻至室溫后的光
學顯微鏡組織。圖2為發(fā)明鋼經(jīng)過1000°C X0. 5h水冷淬火+630°C X2h回火冷卻至室溫后的掃描電鏡組織。
具體實施例方式下面結合實施列對本發(fā)明作進一步說明。實施例1一種油氣管線用高強韌超級馬氏體不銹鋼，其主要化學成分(質量％)為C: 0. 014%, Si 0. 19%, Mn 0. 59 %, Cr 13. 86 Ni 5. 06%, Mo 1. 92%, P 0. 013%, S 0. 015%, N 0. 06%, Nb 0. 06、W :0. 04%、剩余部分由Fe及不可避免雜質組成。上述超級馬氏體不銹鋼的制造方法包括將上述成分的材料冶煉、鑄造，鍛造或軋 制初始溫度為1200°C，終成型溫度950°C，再經(jīng)熱處理后即可成型；該熱處理工藝包括(1) 淬火，加熱至980°C保溫0. 5小時，空冷；(2)回火，緩慢加熱至590°C，保溫2小時，然后空 氣中冷卻至室溫，即可精加工，從而得到高強韌超級馬氏體不銹鋼。采用上述化學成分材料及方法得到的超級馬氏體不銹鋼力學性能如下RPa2 = 81 OMPa, Rm = 940MPa, A = 23. 5%，HRC = 26。實施例2一種油氣管線用高強韌超級馬氏體不銹鋼，其主要化學成分(質量％)為C: 0. 024%, Si 0. 68 %, Mn 0. 74 %, Cr 12. 81 Ni 6. 41 Mo 2. 44%, P 0. 012%, S 0. 02%,N 0. 04%, Nb 0. 20%,ff 0. 03%、剩余部分由Fe及不可避免雜質組成。上述超級馬氏體不銹鋼的制造方法包括將上述成分的材料冶煉、鑄造，鍛造或軋 制初始溫度為1200°C，終成型溫度950°C，再經(jīng)熱處理后即可成型；該熱處理工藝包括(1) 淬火，加熱至1000°C保溫0. 5小時，空冷；(2)回火，緩慢加熱至620°C，保溫2小時，然后空 氣中冷卻至室溫，即可精加工，從而得到高強韌高耐蝕性的超級馬氏體不銹鋼。采用上述化學成分材料及方法得到的超級馬氏體不銹鋼力學性能如下RPa2 = 840MPa, Rm = 980MPa, A = 22%，HRC = 28。
權利要求
一種油氣管線用高強韌超級馬氏體不銹鋼及其制造方法，其特征在于，該超級馬氏體不銹鋼的化學成分(質量％)為C0.01％～0.03％、Si0.5％～1.0％、Mn0.2％～2.0％、Cr11.0％～17.0％、Ni5.0％～8.0％、Mo0.5％～3.5％、P≤0.015％、S≤0.035％、N0.02％～0.08％、Nb0.02％～0.5％、W＜0.1％，剩余部分由Fe及不可避免雜質組成。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種油氣管線用高強韌超級馬氏體不銹鋼，其特征在 于，所述的超級馬氏體不銹鋼具有以下力學性能屈服強度Rpa2 ≥ 759MPa，抗拉強度 Rm彡827MPa，延伸率A≥22%，硬度HRC≤30。
3.—種權利要求1所述的油氣管線用高強韌超級馬氏體不銹鋼的制造方法，其特征在于(1)冶煉、鑄造；(2)鍛造或熱軋成型初始成型溫度為1100°C 1200°C，終成型溫度900°C 1000°C；(3)淬火工藝淬火溫度960°C 1050°C，保溫時間0.5 lh，空冷；(4)回火工藝回火溫度570°C 650°C，升溫速率10 20°C/min，保溫時間2 4h，空冷至室溫。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種油氣管線用高強韌超級馬氏體不銹鋼及其制造方法，該超級馬氏體不銹鋼的化學成分(質量％)為C0.01％～0.03％、Si0.5％～1％、Mn0.2％～2.0％、Cr11.0％～17.0％、Ni5.0％～8.0％、Mo0.5％～3.5％、P≤0.015％、S≤0.035％、N0.02％～0.08％、Nb0.02％～0.5％、W＜0.1％，剩余部分由Fe及不可避免雜質組成。該超級馬氏體不銹鋼的制造方法包括冶煉、鑄造、鍛造或軋制、淬火和回火等工藝步驟。此鋼材可作為深井、超深井油氣管線材料和原油、天然氣的輸送設備材料。
文檔編號C22C38/58GK101956146SQ20101050508
公開日2011年1月26日 申請日期2010年10月12日 優(yōu)先權日2010年10月12日
發(fā)明者喬圓圓, 王鐸, 王鴻波, 鄒德寧, 陳治毓, 韓英 申請人:西安建筑科技大學