CN101871082A

CN101871082A - 一种高强度韧性无磁合金及其制备方法

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Publication number: CN101871082A
Application number: CN 201010204067
Authority: CN
Inventors: 邵冲; 马章林; 赵光普; 王凯; 赵明汉
Original assignee: Gaona Aero Material Co Ltd
Current assignee: Gaona Aero Material Co Ltd
Priority date: 2010-06-21
Filing date: 2010-06-21
Publication date: 2010-10-27

Abstract

一种高强度韧性无磁合金及其制备方法，属于奥氏体合金技术领域。合金，化学成分重量百分数为：C：0.14～0.30％，Si：0.15～0.80％，Mn：20.00～27.00％，Ni：0.60～2.00％；Cr：12.50～19.00％；Mo、W元素的一种或者两种：0.60～2.50％；V：0.8～[0.1×Mn(％)-0.5]％；Ti、Nb元素的一种或者两种：也可以用Ti、Nb元素的一种或者两种部分替代V，添加量控制在0.6％以内；N：0.20～0.50％；Ca、稀土元素的一种或者两种：0.003～0.05％；S：≤0.03％；P：≤0.03％；Fe：余量。优点在于，原料成本比较低廉、生产工艺简单、具有稳定的无磁性能和抗晶间腐蚀能力。

Description

一种高强度韧性无磁合金及其制备方法

技术领域

本发明属于奥氏体合金技术领域，特别是提供了一种高强度韧性无磁合金及其制备方法，一种具有高强度韧性无磁钻铤之用。

背景技术

石油钻铤用材料按照磁性功能来分类，可以分为有磁材料(普通用途)和无磁材料，其中无磁钻铤是钻水平井、定向井中不可缺少的井下用具。无磁钻铤要求材料除具有低的磁导率，即在200奥斯特磁场下，μ≤1.01，还需要具有较高的强度、塑性、冲击韧性和不允许存在晶间腐蚀开裂等，以保证钻铤的安全可靠使用。为了满足无磁钻铤的无磁性能，材料必须为全奥氏体基体，且必须含有较高的Cr元素量，以保证合金的耐蚀性能要求。采用200系列及300系列的不锈钢均可以保证合金的耐蚀性和无磁性要求。但按照常规工艺生产后，该类合金的强度性能达不到钻铤使用要求，同时由于合金含有较多的Ni等贵重元素，成本偏高，缺乏市场竞争力。在满足无磁性能和耐蚀性能的前提下，可以采用低温锻造工艺通过形变强化的方式来提高合金的强度，如中国专利(CN1038353C和CN101311290)。其中CN1038353C专利主要通过Mn、Ni、N来形成稳定的奥氏体基体，Si、Mo、N固溶强化。最后依靠低温锻造来形变强化，实现强度大幅度提高，达到无磁钻铤的力学性能要求。CN101311290的成分设计思想和加工制备方法基本与前者一致，主要是适当提高Cr元素含量，提高耐蚀性能，适当降低Ni、Mo元素含量，降低成本，最后也采用超低温大变形锻造工艺，依靠形变强化来达到无磁钻铤的力学性能要求。

国内目前只有中原特钢采用CN1038353C专利技术来生产无磁钻铤，其产能远远不能满足市场需求，按照CN101311290专利介绍，该发明也只能采用超低温大变形锻造工艺来提高力学性能。由于无磁钻铤合金的合金化程度较高，其锻造时的变形抗力较大，变形抗力随着锻造温度的降低而显著增加，尤其是在低温阶段，变形抗力随锻造温度降低而急剧增大。同时所锻造的无磁钻铤尺寸很大(毛坯长度达到9.6m，一般毛坯直径170～180mm，最大达到280mm)，在低温锻造时，锻坯将产生极大的变形抗力，一般的锻造设备根本加工不了，因此采用CN1038353C和CN101311290专利技术的低温锻造工艺，需要配备相应的大型锻造设备，即使具备有相应的大型锻造设备，由于锻造时有极大的变形抗力，对设备有较大的损害性。另一方面，采用低温锻造时，最后锻造温度的精确控制难以掌握，产品的力学性能波动较大。因此，采用低温锻造技术生产无磁钻铤，对设备和工艺要求很高，相应生产成本较高。

据CN101311290专利介绍，采用该专利方法生产的无磁钻铤晶间腐蚀合格率为90％，而按照CN1038353C专利生产的无磁钻铤晶间腐蚀合格率只有50％，晶间腐蚀是非常严重的破坏现象，因为这种腐蚀使晶粒间丧失结合力，以致材料的强度几乎完全消失，是无磁钻铤性能要求所不允许的，这为钻铤的安全可靠使用埋下隐患。

如果设计合金化程度较高，采用较高的终锻温度，随后采用时效处理析出强化相，来提高合金的强度，也可以生产出满足性能要求的无磁合金。但由于钻铤尺寸很大，生产批量也很大，需要配备大型专用热处理设备。

无磁钻铤是石油钻探行业必用部件，目前石油钻铤用无磁合金很大部分依赖进口，国内坯料供应受限于低温锻造工艺所要求的重型设备，产品质量波动大等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度韧性无磁合金及其制备方法，解决了产品质量波动大等问题，该合金具有原料成本比较低廉、生产工艺简单、具有稳定的无磁性能和抗晶间腐蚀能力，不需要大型热处理设备和低温锻造设备，只需要采用正常锻造工艺即能够生产出满足石油行业对无磁钻铤合金的性能需求。

本发明的高强韧性无磁合金可以应用于石油行业的无磁钻铤，但是不局限于此，可以广泛应用于自动控制***、精密仪表、电讯和电机等领域。

本发明所高强韧性无磁合金，化学成分(重量％)：

C：0.14～0.30％；

Si：0.15～0.80％；

Mn：20.00～27.00％；

Ni：0.60～2.00％；

Cr：12.50～19.00％；

Mo、W元素的一种或者两种：0.60～2.50％；

V：0.8～[0.1×Mn(％)-0.5]％；也可以用Ti、Nb元素的一种或者两种部分替代V，添加量控制在0.6％以内；

N：0.20～0.50％；

Ca、稀土元素的一种或者两种：0.003～0.05％；

S：≤0.03％；

P：≤0.03％；

Fe：余量。

在所发明的合金体系中，Mn、N和Ni为扩大和稳定铁碳平衡相图中的奥氏体相区，C和N对稳定奥氏体组织具有良好的作用。本发明主要以Mn、Ni和N来扩大和稳定奥氏体区，使合金获得单一稳定的奥氏体组织，以满足合金的无磁性能，在200奥斯特磁场下，磁导率μ≤1.01，同时Mn元素的加入量对合金的力学性能也产生较大影响，为了保证无磁性能和力学性能，本发明中Mn的含量必须大于20％。C是强烈形成、稳定和扩大奥氏体区的元素，同时与合金中V等元素形成碳化物，增加C含量显著提高合金的强度，但是降低合金的耐蚀性能，尤其是晶间腐蚀性能，同时明显降低合金的冲击功和拉伸塑性，因此需要控制在0.30％以内。增加Cr元素含量显著提高合金的抗氧化和耐腐蚀性能，为保证合金良好的耐蚀性能，钢中加入≥12.5％的Cr和少量的Ni。本发明充分利用全奥氏体基体，以Mo、W、N、Si的固溶强化作用，一定量的V、Ti和Nb加入合金中，形成一定量的碳化物，在冷却过程中析出第二相，强化合金，其中V是强烈碳化物形成元素，形成的VC在高温时溶入基体，在随后的冷却过程中于基体析出微细的VC而使合金硬化，从而获得高强度和高硬度，合金中加入质量分数为0.3％以上V就可以获得明显的弥散析出强化，所形成的碳化物呈现细小均匀弥散的分布，强烈的提高合金的抗拉和屈服强度，随着加入量的增加，其强化效果也不断增强，同时冲击功和拉伸塑性降低较少，完全可以达到性能指标的要求。但就本发明的合金而言，当V的加入量超过本专利所列之上限时，合金的冲击功和延伸率大幅度降低。V的加入在提高合金强度的同时，对合金的磁导率基本没有影响，另外V的加入，其与C的亲和力大于Cr，减少在晶界上析出Cr₂₃C₆，从而提高合金的抗晶间腐蚀性能。Nb和Ti的加入，对合金性能的影响基本类似于V，起补充强化作用。Ca及稀土等微量元素的加入可以净化合金、改变夹杂物的形态、从而大大提高合金的锻造性能和最终的力学性能。

本发明的高强度韧性无磁合金的制造方法包括合金锻造开坯和最后终锻成形。其中熔炼可采用电炉直接浇注成锭；钢坯经过1100℃～1180℃保温2～7小时，锻造开坯。终锻温度控制在940～860℃范围之间，合金性能满足技术条件要求。即

(1)开坯温度：1100℃～1180℃，保温2～7小时，锻造比2～3；

(2)精锻成型：总锻造比≥5，终锻温度940～860℃。

具体实施方式

实施例1

化学成分按表1中3614，锻造工艺参数：

开坯温度：1140～1160，终锻温度：930。

力学性能、磁导率、耐蚀性能、热加工性能见表2所示。

实施例2

化学成分按表1中3615，锻造工艺参数：

开坯温度：1140～1160，终锻温度：900。

力学性能、磁导率、耐蚀性能、热加工性能见表2所示。

实施例3

化学成分按表1中3620，锻造工艺参数：

开坯温度：1140～1160，终锻温度：910。

力学性能、磁导率、耐蚀性能、热加工性能见表2所示。

实施例4

化学成分按表1中3625，锻造工艺参数：

开坯温度：1140～1160，终锻温度：860。

力学性能、磁导率、耐蚀性能、热加工性能见表2所示。

表1 本发明实施例1～4的高强度韧性无磁合金化学成分

	C	Mn	Si	Cr	Ni	Mo	W	V	Ti	Nb	N	RE	Ca	Fe
	C	Mn	Si	Cr	Ni	Mo	W	V	Ti	Nb	N	RE	Ca	Fe	3614	0.27	20.15	0.46	16.51	1.51	0.71	-	1.35	-	0.35	0.45	0.02	0.01	余
3615	0.15	24.32	0.71	13.32	1.28	0.72	0.69	1.73	-	-	0.37	0.008	--	余	3614	0.27	20.15	0.46	16.51	1.51	0.71	-	1.35	-	0.35	0.45	0.02	0.01	余
3615	0.15	24.32	0.71	13.32	1.28	0.72	0.69	1.73	-	-	0.37	0.008	--	余	3620	0.28	20.56	0.19	14.73	1.86	1.75	0.48	0.86	0.55	-	0.32	--	0.01	余
3625	0.22	26.79	0.66	15.49	0.88	0.30	0.69	1.06	0.16	0.22	0.26	0.003	--	余	3620	0.28	20.56	0.19	14.73	1.86	1.75	0.48	0.86	0.55	-	0.32	--	0.01	余

表2 本发明实施例1～4的高强度韧性无磁合金性能

	R_m(Mpa)	R_p0.2(Mpa)	A_20mm(％)	Akv(J)	磁导率μ	抗晶间腐蚀性能
	R_m(Mpa)	R_p0.2(Mpa)	A_20mm(％)	Akv(J)	磁导率μ	抗晶间腐蚀性能	直径79.4～171.4mm设计要求	827	758	18	54	≤1.01	优
直径177.8～279.4mm设计要求	758	689	20	68	≤1.01	优	直径79.4～171.4mm设计要求	827	758	18	54	≤1.01	优
直径177.8～279.4mm设计要求	758	689	20	68	≤1.01	优	3614	990	835	38.5	96.8	1.0032	优
3615	1015	860	34.5	92	1.0018	优	3614	990	835	38.5	96.8	1.0032	优
3615	1015	860	34.5	92	1.0018	优	3620	980	820	41	112	1.0020	优
3625	1040	885	32	87	1.0049	优	3620	980	820	41	112	1.0020	优

Claims

1.一种高强度韧性无磁合金，其特征在于，化学成分重量百分数为：

C：0.14～0.30％，

Si：0.15～0.80％，

Mn：20.00～27.00％；

Ni：0.60～2.00％；

Cr：12.50～19.00％；

Mo、W元素的一种或者两种：0.60～2.50％；；

V：0.8～[0.1×Mn(％)-0.5]％；

N：0.20～0.50％；

Ca、稀土元素的一种或者两种：0.003～0.05％；

S：≤0.03％；

P：≤0.03％；

Fe：余量。

2.根据权利要求1所述的高强度韧性无磁合金，其特征在于，用Ti、Nb元素的一种或者两种部分替代V，添加量控制在0.6％以内。

3.一种制备权利要求1所述高强度韧性无磁合金的方法，其特征在于，包括合金锻造开坯和最后终锻成形，在工艺中控制如下参数：

(1)开坯温度：1100℃～1180℃，保温2～7小时，锻造比2～3；

(2)精锻成型：总锻造比≥5，终锻温度940～860℃。