本發(fā)明屬于不銹鋼技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種具有高強(qiáng)度、高抗點(diǎn)腐蝕和晶間腐蝕的新型高強(qiáng)高耐蝕無(wú)磁不銹鋼及其制造方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著全球能源使用量的不斷增加，對(duì)油氣資源的需求量也逐漸加大，新油田開(kāi)采、勘探活躍。石油開(kāi)采不僅從陸地垂直開(kāi)采，而且增加了從陸地向海灘油田開(kāi)采和海上基地多種開(kāi)采的傾斜開(kāi)采。所以，超深井、水平井、叢式井、定向鉆井技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)無(wú)磁鉆具的需求量也逐漸加大。在地質(zhì)條件惡劣地區(qū)開(kāi)采鉆進(jìn)過(guò)程中，開(kāi)采泥水中含有高濃度的氯化鈉和氯化鉀等氯化物，所以，要求鉆具具有優(yōu)良的抗嚴(yán)酷腐蝕環(huán)境的耐蝕性。針對(duì)特殊地理環(huán)境下的鉆采需要使用機(jī)械、物理及化學(xué)等方面有特殊性能要求的高品質(zhì)鋼材。

從上世紀(jì)30年代無(wú)磁鉆具用材料的研發(fā)開(kāi)始，其發(fā)展經(jīng)歷了300系列不銹鋼、蒙乃爾合金以及Cr-Mn-N系奧氏體不銹鋼等幾代材料，由于Cr-Mn-N系奧氏體不銹鋼具有綜合優(yōu)良性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，所以它是世界上用于制造高性能無(wú)磁鉆具的主流材料。目前市場(chǎng)上主要應(yīng)用的Cr-Mn-N系奧氏體不銹鋼無(wú)磁鉆具材料有兩種類型，一類是以N1310牌號(hào)為代表的無(wú)磁鋼，它是由撫鋼與中科院金屬研究所以及遼河油田鉆采研究員聯(lián)合開(kāi)發(fā)，已取得了國(guó)家發(fā)明專利（發(fā)明名稱：高強(qiáng)度無(wú)磁鉆鋌用鋼；專利號(hào)：93115802.8；授權(quán)公告號(hào)：CN1038353C ），其化學(xué)成分見(jiàn)下表1。

表1 N1310無(wú)磁鋼化學(xué)成分

該類型無(wú)磁鋼力學(xué)性能可以達(dá)到我國(guó)SY/T5144標(biāo)準(zhǔn)要求，但由于成分中具有較高的C含量，以及制造工藝的制約，按照測(cè)定奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感度的銅-硫酸銅-硫酸試驗(yàn)方法，其晶間腐蝕合格率只有50%，不能完全滿足市場(chǎng)需求；

另一類是在N1310基礎(chǔ)上，降低C含量至0.03%以下，提高Cr含量至16%～18%，通過(guò)化學(xué)成分的調(diào)整，改進(jìn)抗晶間腐蝕的有益元素含量，雖然有效提升了材料的抗晶間腐蝕性能，但該類型無(wú)磁鋼Mo含量較低，不超過(guò)1.5%，耐點(diǎn)蝕當(dāng)量＜30，抗點(diǎn)腐蝕能力較差，雖然可以滿足一般地理環(huán)境下使用，但在特殊地理環(huán)境下使用，比如含有高濃度的氯化鈉的海洋環(huán)境，以及含有氯化鉀等氯化物的特殊環(huán)境，就會(huì)增加點(diǎn)腐蝕開(kāi)裂傾向，最終導(dǎo)致無(wú)磁鉆具出現(xiàn)刺漏，無(wú)法正常使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的耐點(diǎn)蝕當(dāng)量＜30、抗點(diǎn)腐蝕能力較差的缺點(diǎn)提供一種新型高強(qiáng)高耐蝕無(wú)磁不銹鋼及其制造方法，該鋼種屬于奧氏體不銹鋼，具有低磁性、高強(qiáng)度、出色的抗點(diǎn)腐蝕和晶間腐蝕性能及機(jī)械加工性能，可用于生產(chǎn)無(wú)磁鉆具產(chǎn)品。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)：一種新型高強(qiáng)高耐蝕無(wú)磁不銹鋼，該無(wú)磁不銹鋼化學(xué)成分按重量百分比計(jì)，包括：C≤0.03%；Si≤1.00%；Mn15.00-20.00%；P≤0.025%；S≤0.010%；Cr17.00-21.00%；Ni2.00-4.50%；Mo1.50-3.00%；N0.40-0.65%，其余為Fe和不可避免的微量雜質(zhì)。所列舉的僅為關(guān)鍵元素，其余為Fe，本鋼種的合金含量在40%～50%之間。

所述化學(xué)成分中Cr、Mo及N元素滿足耐點(diǎn)蝕當(dāng)量計(jì)算公式：PREN=1×Cr（wt.%）+3.3×Mo（wt.%）+16×N（wt.%）＞32。

該不銹鋼耐點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN值大于32，屈服強(qiáng)度大于等于965MPa，抗拉強(qiáng)度大于等于1034MPa，沖擊功大于等于150J，表面硬度大于350HB，在施加±552MPa循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下，疲勞壽命達(dá)到10萬(wàn)次以上，晶間腐蝕滿足ASTM A262標(biāo)準(zhǔn)要求，相對(duì)磁導(dǎo)率小于1.005，磁感應(yīng)梯度最大偏差不超過(guò)±0.04μT。

一種新型高強(qiáng)高耐蝕無(wú)磁不銹鋼制造方法，該方法包括如下步驟：

⑴ 采用中頻爐+AOD氬氧爐+電渣重熔相結(jié)合的冶煉方法，經(jīng)過(guò)三級(jí)精煉生產(chǎn)電渣錠；

⑵ 電渣錠在臺(tái)車式加熱爐中加熱至1150℃～1230℃，并保溫5～10小時(shí)；

⑶ 第一次鍛造：由油壓快鍛機(jī)和精鍛機(jī)進(jìn)行聯(lián)合鍛造，將電渣錠鍛造為中間坯，始鍛溫度1000～1150℃，終鍛溫度800～950℃，空冷至室溫；

⑷ 對(duì)中間坯進(jìn)行粗車，清理表面缺陷；

⑸ 加熱：中間坯在臺(tái)車式加熱爐中加熱至1050℃～1220℃，保溫4～7小時(shí)；

⑹ 第二次鍛造：

① 由精鍛機(jī)將中間坯鍛造為預(yù)成坯；

② 將預(yù)成坯淬水冷卻1～5分鐘；

③ 待預(yù)成坯表面溫度返溫至500℃～750℃，再進(jìn)行強(qiáng)化鍛造；

④ 強(qiáng)化鍛造結(jié)束后立即進(jìn)行二次淬水，冷卻時(shí)間5～15分鐘，出水后鍛件表面溫度不大于200℃。

中間坯尺寸在φ250mm～φ500mm范圍內(nèi)。

預(yù)成坯尺寸為在最終鍛件尺寸基礎(chǔ)上留有10%～30%余量。

本發(fā)明的技術(shù)方案產(chǎn)生的積極效果如下：⑴ 本發(fā)明化學(xué)成分設(shè)計(jì)合理，與300系列奧氏體不銹鋼相比，實(shí)現(xiàn)了以錳、氮代替60%～80%鎳，即確保了組織全部為奧氏體組織，低磁性，又降低了生產(chǎn)成本；

⑵ 強(qiáng)化鍛造前后采用兩次淬水工藝，有效躲避了晶間有害析出物的敏感溫度區(qū)間，提升了材料的抗腐蝕性能，由于具有較高的耐點(diǎn)蝕當(dāng)量，能夠滿足在海洋環(huán)境下使用；

⑶ 強(qiáng)化鍛造前后采用兩次淬水工藝，縮短了等待降溫時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率；

⑷ 采用油壓快鍛機(jī)和精鍛機(jī)聯(lián)合鍛造方式，充分發(fā)揮設(shè)備優(yōu)勢(shì)，提高了材料鍛透性和成形性，獲得均勻的奧氏體組織，鍛造余量小，材料性能優(yōu)良；

⑸ 本發(fā)明所生產(chǎn)的無(wú)磁不銹鋼鍛件，適用于生產(chǎn)無(wú)磁鉆具產(chǎn)品，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

① 具有較高的力學(xué)性能。屈服強(qiáng)度大于等于965MPa，抗拉強(qiáng)度大于等于1034MPa，延伸率大于等于20%，斷面收縮率大于等于50%，夏比V型沖擊大于等于150J。綜合力學(xué)性能優(yōu)良，其中屈服和抗拉強(qiáng)度高于美國(guó)石油學(xué)會(huì)API標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)石油天然氣行業(yè)SY/T5144標(biāo)準(zhǔn)20%～30%；

② 具有優(yōu)良的抗疲勞性能和耐磨性。按GB/T4337標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，在施加±552MPa循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下，疲勞壽命達(dá)到10萬(wàn)次以上；并且材料表面硬度大于350HB，高于美國(guó)石油學(xué)會(huì)API標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)石油天然氣行業(yè)SY/T5144標(biāo)準(zhǔn)20%～40%，所以具有出色的耐磨性。由于該種不銹鋼具有優(yōu)良的抗疲勞性能和耐磨性，將大幅度提升不銹鋼材料的使用壽命；

③ 具有較強(qiáng)的抗腐蝕性能。能夠滿足美國(guó)試驗(yàn)與材料學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A262 的A法和E法檢測(cè)；

④ 具有較低的磁性能。相對(duì)磁導(dǎo)率＜1.005，磁感應(yīng)梯度最大偏差不超過(guò)±0.04μT。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例一拉伸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖2為實(shí)施例二拉伸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖3和4為實(shí)施例一中按照ASTM A262 A法檢測(cè)晶間腐蝕的金相照片。

圖5和6為實(shí)施例二按照ASTM A262 A法檢測(cè)晶間腐蝕的金相照片。

圖7為實(shí)施例一磁感應(yīng)梯度檢測(cè)結(jié)果。

圖8為實(shí)施例二磁感應(yīng)梯度檢測(cè)結(jié)果。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一

一種新型高強(qiáng)高耐蝕無(wú)磁不銹鋼，用來(lái)生產(chǎn)φ177.8×9800mm規(guī)格無(wú)磁鉆鋌，化學(xué)成分按重量計(jì)為：C 0.02；Si0.63；Mn17.55；P0.017；S0.005；Cr19.51；Ni3.23；Mo2.02；N 0.53；其余為Fe和不可避免的微量雜質(zhì)。耐點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN=1×Cr（wt.%）+3.3×Mo（wt.%）+16×N（wt.%）=34.7＞32。該無(wú)磁鋼由中頻爐、AOD氬氧爐精煉，再經(jīng)電渣重熔后進(jìn)行鍛造，具體制造方法包括如下步驟：

⑴ 加熱：將φ600mm直徑電渣錠置于臺(tái)車式加熱爐中，加熱到1220±10℃，保溫7小時(shí)；

⑵ 第一次鍛造：在3150噸油壓快鍛機(jī)上進(jìn)行開(kāi)坯，拔長(zhǎng)至φ450mm，再由1800噸精鍛機(jī)鍛造至φ350mm中間坯（中間坯尺寸在φ250mm～φ500mm范圍內(nèi)），始鍛溫度1085℃，終鍛溫度877℃，空冷至室溫；

⑶ 對(duì)中間坯進(jìn)行粗車，清理表面缺陷；

⑷ 加熱：將粗車后的φ350mm中間坯置于臺(tái)車式加熱爐中，加熱到1200±10℃，保溫4小時(shí)；

⑸ 第二次鍛造：在1800噸精鍛機(jī)上鍛至預(yù)成坯尺寸，預(yù)成坯尺寸為在最終鍛件尺寸基礎(chǔ)上留有10%～30%余量，本實(shí)施例中距目標(biāo)尺寸還有27%余量；將預(yù)成坯淬水冷卻100秒，待鍛件表面返溫至650℃，再進(jìn)行強(qiáng)化鍛造；

⑹ 冷卻：將強(qiáng)化鍛造后的鍛件進(jìn)行二次淬水冷卻，冷卻時(shí)間6分鐘，出水后鍛件表面溫度116℃；

⑺ 理化檢測(cè)：在鍛件延長(zhǎng)段取樣進(jìn)行理化分析，試驗(yàn)結(jié)果為：屈服強(qiáng)度1035MPa,抗拉強(qiáng)度1133MPa,延伸率29%，斷面收縮率64%，沖擊功201J/196J/201J，表面硬度為408HB，疲勞壽命為55.3萬(wàn)次，相對(duì)磁導(dǎo)率1.0026, 圖1是拉伸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線，圖3和4是按照ASTM A262 A法檢測(cè)晶間腐蝕的金相照片，圖7是磁感應(yīng)梯度檢測(cè)結(jié)果。

實(shí)施例二

一種新型高強(qiáng)高耐蝕無(wú)磁不銹鋼，用來(lái)生產(chǎn)φ241.3×9800mm規(guī)格無(wú)磁鉆鋌，化學(xué)成分按重量計(jì)為：C 0.024；Si0.37；Mn17.30；P0.018；S0.007；Cr19.25；Ni3.34；Mo2.35；N 0.51；其余為Fe和不可避免的微量雜質(zhì)。耐點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN=1×Cr（wt.%）+3.3×Mo（wt.%）+16×N（wt.%）=35.2＞32。該無(wú)磁鋼由中頻爐、AOD氬氧爐精煉，再經(jīng)電渣重熔后進(jìn)行鍛造，具體制造方法包括如下步驟：

⑴ 加熱：將φ700mm直徑電渣錠置于臺(tái)車式加熱爐中，加熱到1220±10℃，保溫8小時(shí)；

⑵ 第一次鍛造：在3150噸油壓快鍛機(jī)上進(jìn)行開(kāi)坯，拔長(zhǎng)至φ500mm，再由1800噸精鍛機(jī)鍛造至φ450mm中間坯，始鍛溫度1062℃，終鍛溫度912℃，空冷至室溫；

⑶ 對(duì)中間坯進(jìn)行粗車，清理表面缺陷；

⑷ 加熱：將粗車后的φ450mm中間坯置于臺(tái)車式加熱爐中，加熱到1200±10℃，保溫5小時(shí)；

⑸ 第二次鍛造：在1800噸精鍛機(jī)上鍛至預(yù)成坯尺寸，距目標(biāo)尺寸還有23%余量；將預(yù)成坯淬水冷卻210秒，待鍛件表面返溫至650℃，再進(jìn)行強(qiáng)化鍛造；

⑹ 冷卻：將強(qiáng)化鍛造后的鍛件進(jìn)行二次淬水冷卻，冷卻時(shí)間10分鐘，出水后鍛件表面溫度143℃；

⑺ 理化檢測(cè)：在鍛件延長(zhǎng)段取樣進(jìn)行理化分析，試驗(yàn)結(jié)果為：屈服強(qiáng)度1031MPa,抗拉強(qiáng)度1141MPa,延伸率32%，斷面收縮率70%，沖擊功229J/237J/219J，表面硬度為398HB，疲勞壽命為49.7萬(wàn)次，相對(duì)磁導(dǎo)率1.0037，圖2是拉伸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線，圖5和6是按照ASTM A262 A法檢測(cè)晶間腐蝕的金相照片，圖8是磁感應(yīng)梯度檢測(cè)結(jié)果。