專利名稱：油井管件用鉻-鎳奧氏體合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及高強(qiáng)度抗腐蝕合金，具體地說，涉及一種有用的新型奧氏體合金，該合金含有一定數(shù)量的鎳、鉻、硅、銅、鉬和錳，并含有鐵以及伴隨的雜質(zhì)元素。
隨著易于開采的無硫油的儲藏量的減少，越來越需要一種高強(qiáng)度的并且耐腐蝕的合金，這種合金要在惡劣的含硫深油井的環(huán)境下保持其完整性。由于含硫井管在高溫高壓條件下含有大量的硫化氫、二氧化碳和氯化物溶液，所以需要采用在應(yīng)力和腐蝕條件下具有較好性能的合金。
為了減少腐蝕，在其他的應(yīng)用方面正采用著多種高合金不銹鋼和鎳基合金，但是，這些合金大多數(shù)都有一些缺點(diǎn)由于合金化元素增加使成本提高;制造工藝較復(fù)雜;而且這些合金也仍然遭受應(yīng)力腐蝕開裂。有許多冶金因素影響著這些合金的力學(xué)性能和抗腐蝕特性，這些因素包括顯微組織、化學(xué)成分和強(qiáng)度。所有這些因素都是互相關(guān)聯(lián)的，并且對于含硫井管的應(yīng)用來說，必須嚴(yán)格控制。
Kudo等人提出的美國專利4，400，209、4400210、4，400，211、4，400，349和4，421，571公開了幾種對于深井筒、管道系統(tǒng)和鉆井管很適合的高強(qiáng)度合金，這些合金的成分包括鎳、鉻、錳和鉬。上述專利也依靠添加鎢來滿足與成分中的鉻和鉬的一種特殊的關(guān)系，以便在整體上形成合金的主要部分。
Asphahani等人的美國專利4，489，040也公開了一種含有鎳和鉻加上鎢的抗腐蝕合金。
鈦也用作抗腐蝕鎳-鉻合金的添加劑，如Sugitani等人提出的美國專利4，409，025和4，419，129以及Ehrlich等人的美國專利4，385，933所公開的那樣。
鈮是抗腐蝕合金的一種添加劑，這在Usami等人的美國專利4，505，232、DeBold等人的美國專利4，487，744以及Sugitani等人的美國專利4，444，589中已公開過。
Moroishi等人提出的美國專利公開了一種提倡含有較低的鉻和鎳含量的抗氧化奧氏體鋼。
鑭也可作為奧氏體不銹鋼的一種添加劑，正如Rossomme等人的美國專利4，421，557所公開的那樣。
上述參考文獻(xiàn)中的幾個含鉻量較高的專利已證實(shí)加入氮是適宜的，在某些合金中加入氮用來代替鉻，以保持穩(wěn)定的奧氏體組織。鉻通常存在于鐵素體中。
本發(fā)明的主要目的在于提供一種含有多種化學(xué)元素的完全奧氏體合金，這些元素的疊加作用使合金十分理想地同時(shí)兼有力學(xué)性能和抗腐蝕性能。由于本發(fā)明的合金打算主要用于油管制件，所以成本是一個重要的考慮因素。因此，本發(fā)明的另一目的是提供一種同時(shí)具有高的強(qiáng)度、延性、應(yīng)力下的抗腐蝕性能，以及好的冶金穩(wěn)定性的合金，同時(shí)合金的成本又是合算的。
本發(fā)明提供的合金無論在熱加工方面或是在冷加工方面都是容易制造的。這種高強(qiáng)度合金在試驗(yàn)條件下具有良好的抗應(yīng)力腐蝕開裂的性能，該試驗(yàn)條件與合金在使用中經(jīng)歷的條件相當(dāng)，或者更為苛刻。該合金也具有改進(jìn)的抗點(diǎn)腐蝕和抗磨損的性能。為了降低成本，合金中最昂貴的元素(特別是鎳)的含量降到較低的水平，但不損失所要求的合金的特性。
因此，根據(jù)本發(fā)明，一種具有高的強(qiáng)度和在應(yīng)力下有高的抗腐蝕性能的特別用于油井管件的奧氏體合金主要由下列元素組成(重量%)27～32Ni;24～28Cr;1.25～3.0Cu;1.0～3.0Mo;1.5～2.75Si;1.0～2.0Mn;≤0.015N;≤0.10B;≤0.10V;≤0.10C;≤0.30Al;≤0.03P;≤0.02S;其余為Fe及伴隨的雜質(zhì)。
該合金實(shí)質(zhì)上不含W、Ti、Nb和La，它的含N量低于現(xiàn)有合金常見的含量。
在發(fā)明上述臨界的綜合成分中，曾對46種不同的合金進(jìn)行過比較篩選試驗(yàn)。在所試驗(yàn)的合金中，有一種命名為825合金的商用合金，它含有38～46(重量)%的鎳，這使得本發(fā)明的合金在制造上比它便宜大約17%。而本發(fā)明的合金的性能實(shí)際上與825合金一樣好，在某些情況下還比它更好。
所試驗(yàn)的其他合金在其他各方面都是不適宜的。例如，如果錳含量太低或太高，合金的鍛造就會很困難。這一點(diǎn)在合金采用電渣重熔(ESR)的情況下尤其明顯。
通過計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)得到的并從許多試驗(yàn)的合金中篩選出的一個本發(fā)明的合金，達(dá)到了上面所述的提供一種高強(qiáng)度抗腐蝕合金的目的。
表1示出了本發(fā)明的試驗(yàn)室樣品的成分，以及合金中每個元素的最佳范圍和允許范圍(皆為(重量)%)。
表1 合金成分(重量%
<p>本發(fā)明的合金是奧氏體合金，盡管碳和氮是強(qiáng)有力的奧氏體穩(wěn)定化元素，但在本合金成分中碳和氮都不是主要的。鎳保證合金的奧氏體穩(wěn)定及合金所要求的性能，特別是熱加工性能和抗腐蝕性能。更高的鎳含量會提高合金成本卻不會相應(yīng)帶來更多的好處，因而這種成本的提高是不必要的。鎳含量不高于30.5(重量)%是有利的。這與含鎳量為38～40(重量)%的825合金不同。大約25.3(重量)%的鉻是合金獲得抗腐蝕性能的主要添加元素。更高的鉻含量會使合金有析出鐵素體和б相的危險(xiǎn)。
磷和硫含量特意地保持在低的水平，以避免這些元素對抗腐蝕性和可鍛性產(chǎn)生不利影響。硅可提高抗應(yīng)力腐蝕開裂的性能。銅也被認(rèn)為對抗腐蝕性能有貢獻(xiàn)，特別是在酸性環(huán)境下更為明顯。銅像鎳那樣，對奧氏體基體起到穩(wěn)定化的作用。加入鉬是為了改善總的抗腐蝕性能和抗點(diǎn)腐蝕性能。錳在所規(guī)定的含量內(nèi)可改善高溫下的加工性能，并且對于獲得合適的合金組織也是有用的。
進(jìn)行了下列試驗(yàn)，以鑒定該合金的有益的性能。
將表1所列成分的合金鑄成一個20磅的錠子。合金是通過真空感應(yīng)熔煉制備的。鑄錠在2200°F加熱1小時(shí)后，便在1800～2050°F溫度范圍內(nèi)鍛造成直徑為0.920英寸的棒材。這些棒材冷鍛壓下量為43%和72%。然后在冷鍛狀態(tài)下測定其室溫拉伸性能。測定的結(jié)果列于表2。
本發(fā)明的合金的特征在于它具有抗腐蝕介質(zhì)的獨(dú)特的綜合性能。將從冷鍛棒材切取的試樣加工成直徑為0.200英寸的光滑拉伸試樣并進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列于表3。
這個合金除了具有良好的抗應(yīng)力腐蝕的性能以外，在氯化物環(huán)境(5%FeCl3-10%NaCl(75°F)溶液)中還具有改善了的抗點(diǎn)腐蝕的性能，并且它的抗磨損性能也比進(jìn)行類似試驗(yàn)的825合金要好得多。
本發(fā)明的合金主要是供高強(qiáng)度的管件以及要進(jìn)行冷加工的其他類似零件用。該合金與其他的較昂貴的合金(如825合金)相比，具有好得多的熱加工性、冷模鍛塑性以及抗應(yīng)力腐蝕開裂的能力(特別是在MgCl2溶液中)，并且具有較好的抗點(diǎn)腐蝕和抗磨損的能力。雖然本發(fā)明合金主要是為管件而發(fā)展的，但也可以供其他形狀的零件應(yīng)用。
表4列出了為比較而制備的一些合金的成分。
表5列出了對上述一些合金以及一些現(xiàn)有的商用合金所進(jìn)行的磨損試驗(yàn)的綜合結(jié)果，表中也含有本發(fā)明合金試驗(yàn)結(jié)果，以資比較。表6示出了上述一些合金的拉伸性能，也列出了對本發(fā)明合金進(jìn)行的4次試驗(yàn)的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種特別用于油井管件的具有高的強(qiáng)度、抗磨性和抗應(yīng)力腐蝕性能的奧氏體合金，主要由下列成分組成(重量%)27～32Ni；24～28Cr；1.25～3.0Cu；1.0～3.0Mo；1.5～2.75Si；1.0～2.0Mn；≤0.015N；≤0.10B；≤0.10V；≤0.10C；≤0.30Al；≤0.03P；≤0.02S；其余為Fe及伴隨的雜質(zhì)元素。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的合金，其特征在于其基本成分是29.5～30.5Ni，25.5～26.5Cr，1.75～2.25Cu，1.4～1.6Mo，1.75～2.25Si，1.25～1.75Mn，≤0.006N，≤0.009S和≤0.02P。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的合金，其特征在于它含有作為伴隨的雜質(zhì)元素的53ppm氧。
全文摘要
一種奧氏體合金，具有高的強(qiáng)度和抗腐蝕性能，含有27～32(重量)％鎳和24～28(重量)％鉻，為使該合金具有特別適用于制造油井管件的合金具有的各種特性，在合金中加入高達(dá)2.75(重量)％的硅、3(重量)％的銅和鉬以及2(重量)％的錳。該合金只含有很低的氮、碳、磷和硫。
文檔編號C22C38/44GK1043960SQ8910854
公開日1990年7月18日 申請日期1989年11月13日 優(yōu)先權(quán)日1988年11月14日
發(fā)明者亨利·A·多米安, 達(dá)爾·F·拉庫特, 阿萊克斯·S·米勒, 肯尼斯·D·塞伯特 申請人:巴布考克和威爾科斯公司