本發(fā)明涉及具有優(yōu)異的膨脹性和抗擠強(qiáng)度的可膨脹的高強(qiáng)度鋼材和膨脹的高強(qiáng)度鋼管，以及該可膨脹的高強(qiáng)度鋼材和該膨脹的高強(qiáng)度鋼管的制造方法。
背景技術(shù)：
：一般來說，當(dāng)在油田中(地下)的地表下方安裝鋼管時，首先在地中鉆出預(yù)定深度的孔，并且將稱為“套管”的鋼管部分安裝在其中以防止孔坍塌。此后，從套管的下端進(jìn)一步鉆孔以形成更深的井，并且通過先前安裝的套管安裝新的套管。重復(fù)該工作，以最終將油井管(管道)連接到油層。如果鉆很深的井，則使用具有不同直徑的各種套管。由于流過油或氣體的油井管的直徑被固定，因此有必要通過使用各種類型的套管來增加油井管的直徑方向上的鉆孔面積。因此，用作套管的鋼管需要具有優(yōu)異的膨脹性。這種鋼管由于沿鋼管向外方向作用的應(yīng)力而膨脹。但是，如果由于施加在鋼管上的外力而在鋼管中產(chǎn)生向內(nèi)的應(yīng)力，即如果在鋼管中產(chǎn)生壓應(yīng)力，則鋼管對壓應(yīng)力的抵抗力急劇下降。這被稱為包辛格效應(yīng)：如果塑性變形的材料經(jīng)受在與塑性變形的方向相反的方向上作用的應(yīng)力，則即使在應(yīng)力的量低于材料的原始壓縮屈服強(qiáng)度的情況下，材料也變形。因此，要求可膨脹的鋼管具有高水平的壓縮屈服強(qiáng)度(即，高水平的抗擠強(qiáng)度)以及高水平的膨脹性。在相關(guān)技術(shù)中，使用具有鐵素體-珠光體結(jié)構(gòu)和高延伸率的低強(qiáng)度碳鋼來制造可膨脹的鋼管。專利文獻(xiàn)1中公開了一種典型的技術(shù)。然而，專利文獻(xiàn)1中公開的碳鋼作為可膨脹的鋼材的應(yīng)用受到限制，因為所公開的碳鋼具有低于約20％水平的低膨脹性。此外，在碳鋼膨脹之后難以獲得期望的強(qiáng)度，并且由于包辛格效應(yīng)，碳鋼的抗擠強(qiáng)度低。[相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)](專利文獻(xiàn)1)日本專利第4833835號。技術(shù)實現(xiàn)要素：技術(shù)問題本發(fā)明的多個方面可包括具有優(yōu)異的膨脹性和抗擠強(qiáng)度的可膨脹的高強(qiáng)度鋼材和膨脹的高強(qiáng)度鋼管，以及該可膨脹的高強(qiáng)度鋼材和該膨脹的高強(qiáng)度鋼管的制造方法。技術(shù)問題的解決方案根據(jù)本發(fā)明的一個方面，具有優(yōu)異的膨脹性和抗擠強(qiáng)度的可膨脹的高強(qiáng)度鋼材可包含，按重量計，錳(Mn)：12％至18％，碳(C)：0.3％至0.6％，以及余量的鐵(Fe)和不可避免的雜質(zhì)，其中碳(C)和錳(Mn)可滿足以下條件：23≤35.5C+Mn≤38，并且可膨脹的高強(qiáng)度鋼材具有奧氏體單相顯微結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，具有優(yōu)異的膨脹性和抗擠強(qiáng)度的膨脹的高強(qiáng)度鋼管可包含，按重量計，錳(Mn)：12％至18％，碳(C)：0.3％至0.6％，以及余量的鐵(Fe)和不可避免的雜質(zhì)，其中碳(C)和錳(Mn)可滿足以下條件：23≤35.5C+Mn≤38，并且膨脹的高強(qiáng)度鋼管可具有包含5面積％至50面積％的馬氏體和50面積％至95面積％的奧氏體的顯微結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，具有優(yōu)異的膨脹性和抗擠強(qiáng)度的可膨脹的高強(qiáng)度鋼材的制造方法可包括：重新加熱鋼板坯并在850℃至1050℃的精軋溫度下熱軋該鋼板坯，以得到熱軋鋼材，鋼板坯包含，按重量計，錳(Mn)：12％至18％，碳(C)：0.3％至0.6％，以及余量的鐵(Fe)和不可避免的雜質(zhì)，碳(C)和錳(Mn)滿足以下條件：23≤35.5C+Mn≤38；以及將熱軋鋼材以5℃/s以上的速率冷卻至600℃以下的溫度。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，具有優(yōu)異的膨脹性和抗擠強(qiáng)度的膨脹的高強(qiáng)度鋼管的制造方法可包括：使熱軋鋼材成形為鋼管；并且使鋼管膨脹，其中，熱軋鋼材可包含，按重量計，錳(Mn)：12％至18％，碳(C)：0.3％至0.6％，以及余量的鐵和不可避免的雜質(zhì)，碳(C)和錳(Mn)可滿足以下條件：23≤35.5C+Mn≤38，并且熱軋鋼材具有奧氏體單相顯微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的實施方案提供可膨脹的高強(qiáng)度鋼材、膨脹的高強(qiáng)度鋼管以及可膨脹的高強(qiáng)度鋼材和膨脹的高強(qiáng)度鋼管的制造方法。可膨脹的高強(qiáng)度鋼材和膨脹的高強(qiáng)度鋼管具有高水平的均勻延伸率和高水平的膨脹性并由于在鋼管形成后將其加工成圓形時形成的馬氏體而具有高水平的壓縮屈服強(qiáng)度。附圖說明圖1示出了本發(fā)明示例性實施方案的發(fā)明樣品3的顯微結(jié)構(gòu)。圖2示出了不屬于本發(fā)明范圍的比較例5的顯微結(jié)構(gòu)。具體實施方式發(fā)明人對解決現(xiàn)有可膨脹鋼材的問題的方法進(jìn)行了研究，并獲得了以下認(rèn)識。作為奧氏體系鋼材的高錳鋼具有高水平的均勻延伸率，因此高錳鋼的膨脹性高。然而，由于負(fù)偏析區(qū)和正偏析區(qū)之間的合金組成差異，高錳鋼的負(fù)偏析區(qū)中的奧氏體的穩(wěn)定性低。因此，如果在負(fù)偏析區(qū)中形成的奧氏體由于膨脹而變形，并因此轉(zhuǎn)變成馬氏體，則形成許多位錯，并且這種位錯減弱了包辛格效應(yīng)?；谶@些認(rèn)識，發(fā)明人發(fā)明了本發(fā)明?，F(xiàn)在將描述本發(fā)明的示例性實施方案。錳(Mn)：12wt％至18wt％。作為穩(wěn)定奧氏體的代表性元素，錳(Mn)提高了均勻延伸率和膨脹性。另外，在鑄造過程中錳(Mn)在鋼材中偏析。在本發(fā)明的示例性實施方案中，在膨脹期間，錳(Mn)的這種偏析行為用于穩(wěn)定在錳(Mn)主動偏析的正偏析區(qū)中的奧氏體，并且在與正偏析區(qū)相比具有相對低的錳(Mn)含量的負(fù)偏析區(qū)中用于將奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。最后，提供了一種因?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)而具有改善的抗擠強(qiáng)度的鋼材，在所述層狀結(jié)構(gòu)中，奧氏體和馬氏體在鋼材的厚度方向上重復(fù)。然而，如果鋼材中的錳(Mn)的含量小于12wt％，則奧氏體的穩(wěn)定性低，因此可能形成馬氏體。也就是說，可能難以保持奧氏體單相結(jié)構(gòu)，因此鋼材的膨脹性可能降低。另一方面，如果錳(Mn)的含量大于18wt％，則負(fù)偏析區(qū)中的奧氏體的穩(wěn)定性可能過高，因此即使在負(fù)偏析區(qū)由于膨脹而變形的情況下，在負(fù)偏析區(qū)中也不會發(fā)生從奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變。因此，優(yōu)選錳(Mn)的含量在12wt％至18wt％的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，錳(Mn)的含量下限可為13wt％，更優(yōu)選為14wt％。另外，優(yōu)選地，錳(Mn)的含量上限可為17wt％，更優(yōu)選為16wt％。碳(C)：0.3wt％至0.6wt％碳(C)是使奧氏體穩(wěn)定并提高鋼材的均勻延伸率、強(qiáng)度、加工硬化水平的元素。碳(C)在錳(Mn)偏析的區(qū)域中也具有偏析的傾向，從而促進(jìn)形成奧氏體和馬氏體重復(fù)的層狀結(jié)構(gòu)并且提高鋼材的抗擠強(qiáng)度。然而，如果鋼材中的碳(C)的含量小于0.3wt％，則鋼材的強(qiáng)度和加工硬化的提高效果小，且鋼材中的奧氏體的穩(wěn)定性低，導(dǎo)致奧氏體到馬氏體轉(zhuǎn)變。也就是說，在鋼材中可能不會保持奧氏體單相結(jié)構(gòu)，因此鋼材的膨脹性可能降低。另一方面，如果鋼材中的碳(C)的含量大于0.6wt％，則可能析出大量的碳化物，因此可能無法獲得高水平的膨脹性。另外，在鋼材的負(fù)偏析區(qū)中形成的奧氏體的穩(wěn)定性可能過高，因此即使在負(fù)偏析區(qū)中的奧氏體由于膨脹而變形的情況下，奧氏體也可能不會轉(zhuǎn)變成馬氏體。因此，優(yōu)選碳(C)的含量在0.3wt％至0.6wt％的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，碳(C)的含量下限可為0.35wt％，更優(yōu)選為0.4wt％。另外，優(yōu)選碳(C)的含量上限為0.55wt％，更優(yōu)選為0.5wt％。在本發(fā)明的示例性實施方案中，鋼材可包含在上述范圍內(nèi)的錳(Mn)和碳(C)，并且可滿足以下組成式：23≤35.5C+Mn≤38。如果35.5C+Mn小于23，則奧氏體的穩(wěn)定性可能低，因此可能難以獲得奧氏體單相結(jié)構(gòu)和期望水平的膨脹性。另一方面，如果35.5C+Mn大于38，則奧氏體的穩(wěn)定性可能過高，因此即使在鋼材膨脹之后，奧氏體也不會在負(fù)偏析區(qū)中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而降低鋼材的抗擠強(qiáng)度。如果本發(fā)明的實施方案的鋼材具有上述合金組成并且滿足該組成式，則即使在鋼材不包含另外的合金元素的情況下，鋼材的膨脹性和抗擠強(qiáng)度也可以是優(yōu)異的。然而，由于下文所描述的原因，鋼材可進(jìn)一步包含5wt％以下的鉻(Cr)和2wt％以下的銅(Cu)中的一種或多種。鉻(Cr)：5wt％以下；鉻(Cr)是提高鋼材強(qiáng)度的元素。然而，如果鋼材中的鉻(Cr)的含量大于5wt％，則可能析出大量的碳化物，從而可能降低鋼材的延伸率水平。銅(Cu)：2wt％以下；銅(Cu)也是提高鋼材的延伸率和鋼材的耐腐蝕性的元素。然而，如果鋼材中的銅(Cu)的含量大于2wt％，則鋼材中的奧氏體的穩(wěn)定性可能過高，因此奧氏體可能不會轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。此外，本發(fā)明的實施方案的鋼材可進(jìn)一步包含少量的鋁(Al)。然而，由于鋁(Al)使奧氏體穩(wěn)定并阻礙奧氏體在鋼材的負(fù)偏析區(qū)中轉(zhuǎn)變成馬氏體，所以即使在鋼材膨脹之后，負(fù)偏析區(qū)也可具有奧氏體單相結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明實施方案的鋼材可不包含鋁(Al)。為了高水平的均勻延伸率和高水平的加工硬化，本發(fā)明的實施方案的鋼材可具有奧氏體單相結(jié)構(gòu)。但是，在制造過程中，在鋼材的顯微結(jié)構(gòu)中不可避免地析出碳化物，優(yōu)選將鋼材中的碳化物析出物的比例控制在1面積％以下的量內(nèi)。如果碳化物析出物的比例大于1面積％，則鋼材的延伸率水平可能降低，并且鋼材可能不具有高水平的膨脹性。在本發(fā)明的實施方案的鋼材中，存在于負(fù)偏析區(qū)中的奧氏體在膨脹過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，由此在鋼材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生許多位錯，并且形成層狀結(jié)構(gòu)，在所述層狀結(jié)構(gòu)中，在鋼材的厚度方向上反復(fù)地形成正偏析區(qū)的馬氏體和奧氏體。因此，鋼材可較少受到包辛格效應(yīng)的影響。在鋼材中，優(yōu)選地，馬氏體的比例為5面積％至50面積％，奧氏體的比例為50面積％至95面積％。如果馬氏體的比例大于50面積％或奧氏體的比例小于50面積％，則由于馬氏體的比例過高而可能在馬氏體中形成裂紋，并且鋼材的延伸率水平可能由于奧氏體的比例不足而降低。另一方面，如果馬氏體的比例小于5面積％或奧氏體的比例大于95面積％，則不能抑制包辛格效應(yīng)，因此鋼材的壓縮屈服強(qiáng)度可能降低。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的實施方案，鋼材可具有上述合金組成和顯微結(jié)構(gòu)，該顯微結(jié)構(gòu)包含5面積％至50面積％的量的馬氏體和50面積％至95面積％的量的奧氏體。當(dāng)對鋼材進(jìn)行樣品的兩端均被固定的膨脹試驗時，鋼材的膨脹率水平可為30％以上，并且由于鋼材具有奧氏體和馬氏體交替地形成的層狀結(jié)構(gòu)，鋼材可具有500MPa以上的高壓縮屈服強(qiáng)度，因此在鋼材膨脹之后具有高水平的抗擠強(qiáng)度。在下文中，將根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方案詳細(xì)描述鋼材和鋼管的制造方法。首先，對具有上述合金組成的鋼板坯進(jìn)行重新加熱過程和熱軋過程，以形成熱軋鋼材。在上述過程中，優(yōu)選在850℃至1050℃的精軋溫度下進(jìn)行熱軋過程。如果精熱軋溫度低于850℃，則可能析出碳化物，導(dǎo)致鋼板坯的均勻延伸率降低，并且鋼板坯的顯微結(jié)構(gòu)的晶?？赡茏?yōu)楸馄降木Я?，?dǎo)致由顯微結(jié)構(gòu)的各向異性引起的不均勻延伸。另一方面，如果精熱軋溫度高于1050℃，鋼板坯的晶粒可能變粗，并且鋼板坯的強(qiáng)度可能降低。因此，精熱軋溫度優(yōu)選在850℃至1050℃的范圍內(nèi)。另外，重新加熱過程在相關(guān)技術(shù)中常見的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。也就是說，在本發(fā)明的實施方案中，重新加熱過程的溫度沒有特別限制。優(yōu)選地，可將熱軋過程后得到的熱軋鋼材以5℃/s以上的速率冷卻至600℃以下的溫度，以抑制在晶界中析出碳化物，從而防止熱軋鋼材的膨脹性降低。如果冷卻速度小于5℃/s或冷卻停止溫度高于600℃，則可能析出碳化物，從而降低熱軋鋼材的延伸水平。因此，優(yōu)選將熱軋鋼材以5℃以上的速率冷卻至600℃以下的溫度。優(yōu)選地，冷卻速率可為10℃/s以上，更優(yōu)選為15℃/s以上。然而，由于過程條件的限制，可能難以將冷卻速率增加到大于500℃/s的值。由于只要冷卻停止溫度為600℃以下即可獲得本發(fā)明的實施方案的效果，因此冷卻停止溫度的下限沒有特別限定。優(yōu)選地，冷卻停止溫度可為500℃以下。然后，使如上所述冷卻的熱軋鋼材成形為鋼管。如上所述形成的鋼管不具有圓形形狀，因此，可能難以利用該鋼管。因此，可進(jìn)行將鋼管的形狀調(diào)整為圓形的過程。在該過程中，鋼管可在1％至10％的應(yīng)變下收縮或膨脹。這與制造鋼管后使鋼管膨脹以用作套管的情況不同。在下文中，將通過實施例更具體地描述本發(fā)明的實施方案。然而，這些實施例用于清楚地解釋示例性實施方案，但不旨在限制實施方案的范圍。(實施例)將具有表1所示的合金組成的鋼板坯在表2所示的條件下進(jìn)行加工，以制成熱軋鋼材。使熱軋鋼材成形為鋼管，加工鋼管使其變形率為5％，以便使鋼管為圓形。然后，如表3所示，測定鋼管中的顯微結(jié)構(gòu)的比例和鋼管的膨脹性。另外，如表3所示，將鋼管以30％的膨脹率進(jìn)行膨脹，然后測量鋼管的顯微結(jié)構(gòu)的比例和鋼管的壓縮屈服強(qiáng)度。表1表2樣品鋼號精熱軋溫度(℃)冷卻速率℃/s冷卻停止溫度(℃)發(fā)明例1發(fā)明鋼材188045350比較例1發(fā)明鋼材184015300發(fā)明例2發(fā)明鋼材291032490發(fā)明例3發(fā)明鋼材394018510比較例2發(fā)明鋼材39204300發(fā)明例4發(fā)明鋼材4102011280比較例3發(fā)明鋼材489022650比較例4比較鋼材192027440比較例5比較鋼材296014520比較例6比較鋼材389032370發(fā)明例5發(fā)明鋼材594025390發(fā)明例6發(fā)明鋼材691016450表3如表1至3所示，滿足本發(fā)明實施方案中提出的合金組成和工藝條件的發(fā)明樣品1至6在膨脹前具有奧氏體單相結(jié)構(gòu)，以及膨脹后具有由5面積％至50面積％的馬氏體和50面積％至95面積％的奧氏體形成的顯微結(jié)構(gòu)，因此發(fā)明樣品1至6具有優(yōu)異的膨脹性和壓縮屈服強(qiáng)度。比較樣品1至3滿足本發(fā)明實施方案中提出的合金組成，但不滿足本發(fā)明實施方案中提出的工藝條件。因此，在軋制過程(比較樣品1)或冷卻過程(比較樣品2)期間、或冷卻過程后(比較樣品3)，比較樣品1至3中析出碳化物。因此，比較樣品1至3具有低水平的均勻延伸，因此具有低水平的膨脹。另外，比較樣品1至3在膨脹期間斷裂，因此不能測量其壓縮屈服強(qiáng)度。比較樣品4不滿足本發(fā)明實施方案中提出的組成式的條件(≥23)，因此在膨脹之前在負(fù)偏析區(qū)過早形成馬氏體，并且膨脹之后馬氏體是過多的。因此，比較樣品4具有低水平的的膨脹率。比較樣品5不滿足本發(fā)明實施方案中提出的組成式中的條件(≤38)。因此，奧氏體過度穩(wěn)定，并且在膨脹之后，從奧氏體轉(zhuǎn)變的馬氏體的量低。因此，包辛格效應(yīng)大，從而比較樣品5具有低水平的壓縮屈服強(qiáng)度。比較樣品6的碳(C)含量非常低，因此即使發(fā)生向馬氏體的轉(zhuǎn)變，比較樣品6由于碳(C)含量低而具有低水平的壓縮屈服強(qiáng)度。圖1示出了發(fā)明樣品3的顯微結(jié)構(gòu)圖像，圖2是比較樣品5的顯微結(jié)構(gòu)圖像。參考圖1，如果滿足本發(fā)明實施方案的條件，則在膨脹后以適當(dāng)?shù)谋壤纬神R氏體。然而，如果不滿足本發(fā)明實施方案的合金組成，則如圖2所示形成的馬氏體的量低，并因此增加包辛格效應(yīng)。當(dāng)前第1頁1 2 3