專利名稱：無磁高強高耐蝕鉆鋌用鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鉆鋌用鋼及其制造方法，具體的，涉及一種具有無磁性、超高強度和優(yōu)異的耐晶間和點蝕性能的鋼及其制造方法。
背景技術(shù)：
在探尋新的油氣資源的過程中，需要使用具有機械、物理及化學(xué)等方面有特殊性能的高品質(zhì)鋼材。目前已在深海海域發(fā)現(xiàn)了新油氣田，而勘探這些新油氣田所使用的鉆探工具，不僅容易接觸到各種形態(tài)的巖層，還可能與腐蝕性介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，所以鉆具要足夠的強度及耐腐蝕性。無磁鋼通常作為鉆頭側(cè)的高靈敏度測量儀的外殼材料，隨鉆測量(MWD)通過地球的磁場確定鉆探工具的確切位置，然后控制鉆探的方向。當(dāng)今油氣鉆探向地層更深，巖層更復(fù)雜進(jìn)軍，為保證鉆鋌工具在操作中擁有更長的使用奉命，迫切需要提高鉆鋌各項性能，即強度更強化、穩(wěn)定的無磁性、更優(yōu)異的耐蝕性。·

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供了一種無磁高強高耐蝕鉆鋌用鋼鍛造件及其制造方法，所得鋼鍛件具有穩(wěn)定的奧氏體組織，具有無磁性、超高強度和優(yōu)異的耐晶間腐蝕和點腐蝕性能的特點，能夠用于鉆鋌。本發(fā)明鋼將碳含量控制在彡O. 05wt%的超低范圍，鉻含量控制17. 00-19. 00wt%、錳含量控制15. 00-19. 00wt%，擴大了氮在鋼中的溶解度，同時按高含量控制鋼中的氮含量，使得提高了鋼材的強度和耐腐蝕性能并具有穩(wěn)定的奧氏體組織，并且保證了無磁特性。本發(fā)明鋼將硫含量控制在彡O. 010%、磷含量控制彡O. 030wt%,并且采用電渣二次精煉，減少了產(chǎn)品的偏析現(xiàn)象。本發(fā)明鋼中加入了 O. 0005-0. 0025被％硼(B)，解決了高錳高氮鋼熱加工易開裂(表面細(xì)裂紋很容易形成)問題，提高了高錳高氮鋼的熱加工塑性，并細(xì)化了晶粒，提高了材料強度。本發(fā)明鋼采用兩次鍛造，并且兩次鍛造間水淬快速冷卻工藝，使得鍛造組織為均勻細(xì)小的奧氏體組織，并且提高了生產(chǎn)效率。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的第一技術(shù)方案是一種鍛造鋼，以重量百分比計，該鋼包括C ( O. 05% ；Si ( I. 00% ；Mn 15. 00-19. 00% ；P ( 0. 030% ；S ( 0. 010% ；Cr
17.00-19. 00% ；Ni 0. 40-0. 80% ；Mo 0. 40-0. 80% ；N0. 40-0. 60% ；B 0. 0005-0· 0025%，其余為
不可避免的雜質(zhì)和Fe ;該鍛造鋼的鍛造組織為奧氏體組織。前述的鍛造鋼，以重量百分比計，該鋼包括C彡0.03% ;Si ^ O. 20-0. 55% ；Mn
18.0-19. 0% ；P ( O. 025% ；S ( 0. 003% ；Cr 17-17. 8% ；Ni ( 0. 50-0. 75% ；Mo0. 50-0. 75% ；N0. 50-0. 60% ；B 0. 0010-0. 0025%，其余為不可避免的雜質(zhì)和Fe。前述的鍛造鋼，其是由如下方法制備得到的(1)加熱將鋼錠在1100-1300°C保溫10小時以上；(2)高溫鍛造將加熱后的鋼錠在溫度1000-1200°c范圍內(nèi)進(jìn)行第一次鍛造，終鍛溫度為940-980°C ；(3)水淬將高溫鍛造后的鍛件用水進(jìn)行冷卻，水淬處理后鍛件表面溫度為500-700°C (優(yōu)選600°C);(4)中溫鍛造將水淬處理后的鍛件進(jìn)行第二次鍛造，終鍛溫度為610-650°C ;(5)冷卻將中溫鍛造后的鍛件冷卻到室溫。前述的鍛造鋼，第一次鍛造變形量為總鍛造變形量的80-90%，第二次鍛造變形量為總鍛造變形量的20-10%。前述的鍛造鋼，該鍛造鋼屈服強度大于等于800MPa，抗拉強度大于等于lOOOMPa，心部硬度大于等于280，表面硬度大于等于320，當(dāng)磁場強度為800A/m時相對磁導(dǎo)率小于等于I. 010，及銅-硫酸銅-16%硫酸晶間腐蝕敏感性測試的180°彎曲不開裂。前述的鍛造鋼，所述水淬處理的時間為30秒到2分鐘(優(yōu)選I分鐘)。前述的鍛造鋼，第一次鍛造鍛壓比為6. 44 :1，第二次鍛造鍛壓比為I. 19 :1。本發(fā)明提供的第二技術(shù)方案是一種鍛造鋼的制備方法，該方法包括
(I)加熱將鋼錠在1100-1300°C保溫10小時以上；(2)高溫鍛造將加熱后的鋼錠在溫度1000-1200°C范圍內(nèi)進(jìn)行第一次鍛造，終鍛溫度為 940-980°C ；(3)水淬將高溫鍛造后的鍛件用水進(jìn)行冷卻，使得水淬處理后鍛件表面溫度為500-7000C (優(yōu)選 600°C);(4)中溫鍛造將水淬處理后的鍛件進(jìn)行第二次鍛造，終鍛溫度為610-650°C ；(5)冷卻將中溫鍛造后的鍛件冷卻到室溫。前述的鍛造鋼的制備方法，所述鋼錠包括C ( 0. 05% ；Si ( I. 00% ；Mnl5. 00-19. 00% ；P ( 0. 030% ；S ( 0. 010% ；Cr 17. 00-19. 00% ；Ni 0. 40-0. 80% ；Mo
0.40-0. 80% ；N 0. 40-0. 60% ；B 0. 0005-0. 0025%，其余為不可避免的雜質(zhì)和 Fe。前述的鍛造鋼的制備方法，高溫鍛造(2)步驟中，所述第一次鍛造變形量為總鍛造變形量的80-90% ;中溫鍛造(4)步驟中，鍛造變形量為總鍛造變形量的20-10%。前述的鍛造鋼的制備方法，水淬處理的時間為45秒到I分鐘15秒(優(yōu)選I分鐘)。前述的鍛造鋼的制備方法，所述鍛造鋼是鍛圓，第一次鍛造鍛壓比為6. 44:1，第二次鍛造鍛壓比為I. 19 :1。前述的鍛造鋼的制備方法，所述鋼錠是電渣鋼錠。所述電渣鋼錠的制備方法為EBT+A0D+LF或轉(zhuǎn)爐+V0D+LF冶煉，模鑄成鋼錠，然后再電渣成電渣鋼錠。采用本發(fā)明的技術(shù)方案，至少具有如下有益效果(I)本發(fā)明將鋼中碳含量控制在< 0. 05wt%的超低范圍，鉻含量控制在17. 00-19. 00wt%范圍內(nèi)、錳含量控制在15. 00-19. 00wt%范圍內(nèi)，擴大了氮在鋼中的溶解度，提高了鋼材的強度和耐腐蝕性能并具有穩(wěn)定的奧氏體組織，保證了無磁特性。(2)本發(fā)明將鋼中硫含量控制在彡0. 010%、磷含量控制彡0. 030wt%，減少了產(chǎn)品的偏析現(xiàn)象。(3)本發(fā)明鋼中加入了 0. 0005-0. 0025wt%的硼(B)，解決了高錳高氮鋼熱加工易開裂問題，提高了高錳高氮鋼的熱加工塑性，并細(xì)化了晶粒> 5級，提高了材料強度。(4)本發(fā)明鋼的制造方法采用兩次鍛造，并且兩次鍛造間水淬快速冷卻工藝，使得鍛造組織為均勻細(xì)小的奧氏體組織，并且提高了生產(chǎn)效率。(5)本發(fā)明所得鍛造鋼屈服強度大于等于800MPa，抗拉強度大于等于lOOOMPa，心部硬度大于等于280，表面硬度大于等于320，當(dāng)磁場強度為800A/m時相對磁導(dǎo)率小于等于I. 010，及銅-硫酸銅-16%硫酸晶間腐蝕敏感性測試的180°彎曲不開裂。


圖I是本發(fā)明的無磁高強高耐蝕鉆鋌用鋼的金相組織圖。圖2是本發(fā)明的無磁高強高耐蝕鉆鋌用鋼斷面表面至心部硬度分布圖。
具體實施例方式為充分了解本發(fā)明之目的、特征及功效，借由下述具體的實施方式，對本發(fā)明做詳細(xì)說明。本發(fā)明提供了一種無磁高強高耐蝕鉆鋌用鋼及其制造方法，所得鋼鍛件具有穩(wěn)定的奧氏體組織，具有無磁性、超高強度和優(yōu)異的耐晶間腐蝕和點腐蝕性能的特點，能夠用于鉆挺。 一種鍛造鋼，以重量百分比計，該鋼包括C ( O. 05% ；Si ( I. 00% ；Mnl5. 00-19. 00% ；P ( 0. 030% ；S ( 0. 010% ；Cr 17. 00-19. 00% ；Ni 0. 40-0. 80% ；Mo0. 40-0. 80% ；N 0. 40-0. 60% ；B 0. 0005-0. 0025%，其余為不可避免的雜質(zhì)和Fe ;該鍛造鋼的
鍛造組織為奧氏體組織。優(yōu)選的，以重量百分比計，該鋼包括C彡O. 03% ；Si ( O. 20-0. 55% ；Μη18· 0-19. 0% ；Ρ ( O. 025% ；S ( 0. 003% ；Cr 17-17. 8% ；Ni ( 0. 50-0. 75% ；Mo0. 50-0. 75% ；N 0. 50-0. 60% ；B 0. 0010-0. 0025%，其余為不可避免的雜質(zhì)和Fe。本發(fā)明鍛造鋼可以是鍛圓，也可以是多邊形鍛件，如鍛件斷面為四邊形、六邊形。一種鍛造鋼的制備方法，該方法包括(I)加熱將鋼錠在(優(yōu)選常規(guī)箱式加熱爐中)1100-1300°C保溫10小時以上；(2)高溫鍛造將加熱后的鋼錠在溫度1000-1200°C范圍內(nèi)進(jìn)行第一次鍛造，鍛造變形量為總鍛造變形量的80-90%，終鍛溫度為940-980°C ；(3)水淬將高溫鍛造后的鍛件用水進(jìn)行冷卻，水淬處理的時間為30秒到2分鐘(優(yōu)選I分鐘)，使得水淬處理后鍛件表面溫度為500-70(TC (優(yōu)選600°C)；(4)中溫鍛造將水淬處理后的鍛件進(jìn)行第二次鍛造，鍛造變形量為總鍛造變形量的20-10%，終鍛溫度為610-650°C ；(5)冷卻將中溫鍛造后的鍛件冷卻到室溫。本發(fā)明高溫鍛造和中溫鍛造過程中使用的鍛造機是常規(guī)鍛造過程中使用的設(shè)備。本發(fā)明所用鋼錠優(yōu)選電渣錠，按重量百分比計，電渣錠的成分為C<0.05%;Si ( I. 00% ；Μη 15. 00-19. 00% ;P ( O. 030% ；S ( 0. 010% ；Crl7. 00-19. 00% ；Ni0. 40-0. 80% ；Mo 0. 40-0. 80% ；N 0. 40-0. 60% ；B0. 0005-0. 0025%，其余為不可避免的雜質(zhì)和Fe。本發(fā)明電渣錠的冶煉方法是常規(guī)的現(xiàn)有方法，例如可以是將鐵水或廢鋼依次經(jīng)過電弧爐(EBT)冶煉，AOD (氬氧脫碳法)精煉，LF爐精煉，然后電渣二次精煉；或者將鐵水依次經(jīng)過K-OBM-S轉(zhuǎn)爐冶煉，VOD (真空吹氧脫碳法)精煉，LF爐精煉，然后電渣二次精煉。冶煉過程中使用的電弧爐、AOD鋼包、LF爐、電渣爐均為本領(lǐng)域常規(guī)設(shè)備。下面具體說明一種具體實施方式
的轉(zhuǎn)爐(K-OBM-S) +V0D+LF兩步法工藝過程
I)預(yù)處理在溫度大于等于1230 °C條件下，采用石灰對鐵水預(yù)處理，使得P 彡 O. 003wt%, S 彡 O. 025wt%。2) K-OBM-S 冶煉將預(yù)處理后的鐵水加入K-OBM-S轉(zhuǎn)爐中冶煉，其中(I)轉(zhuǎn)爐底吹全程供N2，優(yōu)選的流量可以是30m3/min，并且還原結(jié)束后加入鎳板、鑰鐵。通常鎳板、鑰鐵的加入量與鋼水量有關(guān)，在一個優(yōu)選實施方式中鎳板、鑰鐵按各80公斤/噸鋼加入。(2) K-OBM-S 出鋼成分為:以重量百分比計，C 0. 20-0. 30%, SiO. 05-0. 15%, Mn
I.80-2. 00%, P 彡 O. 015%, S 彡 O. 015%, Cr 20. 5-21. 5%, NiO. 50-0. 60%, Mo O. 50-0. 60%,
(3)鋼水出爐后溫度為1640_1660°C。3) VOD 工序?qū)-OBM-S轉(zhuǎn)爐冶煉后的鋼水加入到VOD中精煉，其中(I)到站條件鋼水加入到VOD中的溫度彡1620 0C。(2) VOD沸騰期和還原期在真空度< I. Ombar下連續(xù)保持時間大于5min ;沸騰期和還原期時間> 15min。VOD保持在真空條件下補氮，氮氣的供給量為600m3。(3)還原時使用特硅，然后加入石灰30kg/t，螢石8kg/t，鋁L 2-1. 5kg/t，以及金屬錳3t。本發(fā)明中特硅是指雜質(zhì)少(低C、P、S)的原料，加入后基本不改變鋼的成分，具體的是 CSO. 03wt%, P、S 彡 O. 01wt% 的二氧化硅。(4)出站成分控制為[C] ^ O. 01wt%, [S] ( O. 002wt%, [N]彡 0. 1000wt%,=0. 25%-0. 30%o4) LF 精煉將VOD精煉后的鋼水加入到LF中精煉，其中( I)進(jìn)站調(diào)渣將鋼水升溫到1550°C，升溫時分批加入電解金屬錳。金屬錳的加入量要視鋼水量和鋼水中Mn、N含量而定，在一個優(yōu)選的實施方式中一次加入量500公斤，約共加入10噸Mn，每加完2批停電，攪拌5min后測溫、取樣，分析元素情況。采用FeMnN進(jìn)行補N，底吹攪拌15-20min，然后測溫、取樣測試；加入FeB，在一個優(yōu)選實施方式中按照2. 5kg/噸鋼加入，然后進(jìn)行弱攪拌，弱攪拌時間> lOmin，之后靜置5min。LF全程基本采用氮氣攪拌。(2)出站成分按重量百分比計，鋼水成分控制為C ( O. 05% ；Si ( I. 00% ；Mnl5. 00-19. 00% ；P ( O. 030% ；S ( 0. 010% ；Cr 17. 00-19. 00% ；Ni 0. 40-0. 80% ；Mo 0. 40-0. 80% ；N0. 40-0. 60% ；B 0. 0005-0. 0025%。(3)鋼水出站溫度1485_1495°C。下面具體說明一種具體實施方式
的電弧爐(EBT)冶煉+AOD (氬氧脫碳法)精煉+LF兩步法工藝過程I)電爐冶煉將鐵水加入到電弧爐中在3000°C以上進(jìn)行冶煉?？刂齐姞t中配料為C2. 5wt%, Cr20. Owt%, Mn2. 0-6. 5wt%。出鋼后要扒凈爐渣，電爐中渣厚彡50mm。2) AOD 冶煉
向爐內(nèi)加入氧化鈣，加入量為每噸鋼水加IOKg氧化鈣，然后向AOD內(nèi)送Ar/N2，其比例為1-3 :3-1。接著，將電爐冶煉后的鐵水加入到AOD爐中冶煉，冶煉溫度大于等于1500。。。另外，(I)AOD全程吹氮，用氮化錳合金微調(diào)N、Mn成分，使得鋼水中氮含量彡O. 45%。(2)出鋼時隨鋼流加入FeB，加入量為每爐10kg。(3) AOD 出鋼渣厚控制在 150_250mm。(4) AOD 出鋼后渣面加 Al 粉 20_30Kg。3) LF 精煉
將AOD冶煉后的鋼水加入到LF中精煉，其中LF爐使用氮化錳鐵進(jìn)行增氮調(diào)整，根據(jù)溫度情況進(jìn)行給電升溫到1550°C ;溫度調(diào)整合適后喂Ca-Si線200米/爐。軟吹時采用氬氣攪拌，軟吹時間彡lOmin。軟吹后溫度為1485-1495°C。經(jīng)過上述兩種工藝冶煉后，所得鋼水按照常規(guī)方法澆成錠型。采用GB/T223檢測成品，檢測結(jié)果為該鋼包括C ( O. 05% ；Si ( I. 00% ；Mn 15. 00-19. 00% ；P ( 0. 030% ；
S( 0. 010% ；Cr 17. 00-19. 00% ；Ni 0. 40-0. 80% ；Mo 0. 40-0. 80% ；N 0. 40-0. 60% ；B
0.0005-0. 0025%，其余為不可避免的雜質(zhì)和Fe。下面具體說明電渣二次精煉的工藝過程1)電渣前處理將錠的帽口進(jìn)行切平、表面修磨清理；帽口以切平可安全焊接為準(zhǔn)則。2)電渣工藝參數(shù)如下
權(quán)利要求
1.一種無磁鍛造鋼，其特征在于，以重量百分比計，該鋼包括c< O. 05% ；Si ( I. 00% ；Mn 15. 00-19. 00% ；P ( O. 030% ；S ( 0. 010% ；Cr 17. 00-19. 00% ；Ni 0. 40-0. 80% ；Mo0.40-0. 80% ；N 0. 40-0. 60% ；B 0. 0005-0. 0025%，其余為不可避免的雜質(zhì)和Fe ;該鍛造鋼的鍛造組織為奧氏體組織。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鍛造鋼，其特征在于，以重量百分比計，該鋼包括C 彡 O. 03% ；Si ( O. 20-0. 55% ；Mn 18. 0-19. 0% ；P ( O. 025% ；S ( 0. 003% ；Cr 17-17. 8% ；Ni0.50-0. 75% ；Mo 0. 50-0. 75% ；N 0. 50-0. 60% ；B 0. 0010-0. 0025%，其余為不可避免的雜質(zhì)和Fe。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鍛造鋼，其特征在于，其是由如下方法制備得到的 (1)加熱將鋼錠在1100-1300°C保溫10小時以上； (2)高溫鍛造將加熱后的鋼錠在溫度1000-1200°C范圍內(nèi)進(jìn)行第一次鍛造，終鍛溫度為 940-980 0C ； (3)水淬將高溫鍛造后的鍛件用水進(jìn)行冷卻，水淬處理后鍛件表面溫度為500-700°C(優(yōu)選 600°C)； (4)中溫鍛造將水淬處理后的鍛件進(jìn)行第二次鍛造，終鍛溫度為610-650°C;以及 (5)冷卻將中溫鍛造后的鍛件冷卻到室溫。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鍛造鋼，其特征在于，第一次鍛造變形量為總鍛造變形量的80-90%，第二次鍛造變形量為總鍛造變形量的20-10%。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的鍛造鋼，其特征在于，所述水淬處理的時間為30秒到2分鐘(優(yōu)選I分鐘)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項所述的鍛造鋼，其特征在于，該鍛造鋼屈服強度大于等于800MPa，抗拉強度大于等于lOOOMPa，心部硬度大于等于280，表面硬度大于等于320，當(dāng)磁場強度為800A/m時相對磁導(dǎo)率小于等于I. 010，晶粒彡5級，及銅-硫酸銅_16%硫酸晶間腐蝕敏感性測試的180°彎曲不開裂。
7.—種如權(quán)利要求I所述的無磁鍛造鋼的制備方法，該方法包括 (1)加熱將鋼錠在1100-1300°C保溫10小時以上； (2)高溫鍛造將加熱后的鋼錠在溫度1000-1200°C范圍內(nèi)進(jìn)行第一次鍛造，終鍛溫度為 940-980 0C ； (3)水淬將高溫鍛造后的鍛件用水進(jìn)行冷卻，使得水淬處理后鍛件表面溫度為500-7000C (優(yōu)選 600°C); (4)中溫鍛造將水淬處理后的鍛件進(jìn)行第二次鍛造，終鍛溫度為610-650°C;以及 (5)冷卻將中溫鍛造后的鍛件冷卻到室溫。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的鍛造鋼的制備方法，其特征在于，所述鋼錠包括C( 0. 05% ；Si ( I. 00% ；Mn 15. 00-19. 00% ；P ( O. 030% ；S ( 0. 010% ；Crl7. 00-19. 00% ；Ni0. 40-0. 80% ；Mo 0. 40-0. 80% ；N 0. 40-0. 60% ；B 0. 0005-0. 0025%，其余為不可避免的雜質(zhì)和 Fe。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的鍛造鋼的制備方法，其特征在于，高溫鍛造(2)步驟中，所述第一次鍛造變形量為總鍛造變形量的80-90% ;中溫鍛造(4)步驟中，鍛造變形量為總鍛造變形量的20-10%。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9任一項所述的鍛造鋼的制備方法，其特征在于，水淬處理的時間為30秒到2分鐘(優(yōu)選I分鐘)。
11.如權(quán)利要求1-6任一項的所述的鍛造鋼在鉆鋌中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種無磁高強高耐蝕鉆鋌用鍛造鋼及其制造方法。以重量百分比計，該鍛造鋼包括C≤0.05%；Si≤1.00%；Mn 15.00-19.00%；P≤0.030%；S≤0.010%；Cr 17.00-19.00%；Ni 0.40-0.80%；Mo 0.40-0.80%；N0.40-0.60%；B 0.0005-0.0025%，其余為不可避免的雜質(zhì)和Fe。本發(fā)明采用兩次鍛造，以及水淬快速冷卻工藝，使得鍛造組織為均勻細(xì)小的奧氏體組織。本發(fā)明鍛造鋼具有無磁性、超高強度和優(yōu)異的耐晶間腐蝕和點腐蝕性能的特點，能夠用于鉆鋌。
文檔編號C21D8/06GK102925821SQ201210496130
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月28日
發(fā)明者陳金虎, 潘小娟, 趙振鐸 申請人:山西太鋼不銹鋼股份有限公司