專利名稱：：一種無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及冶煉工程
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體地說，是涉及不銹鋼材料類，更具體地說，是涉及一種無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼及其制造方法。
背景技術(shù)：
：受全球能源危機(jī)的影響，國內(nèi)外石油鉆采開發(fā)都在往精細(xì)、節(jié)約、縱深方向發(fā)展,開采石油所用的鉆井?dāng)?shù)量劇增，石油鉆采用鋼的需求也在增加。按照鋼的磁性功能分類，石油鉆采用鋼一般可分為有磁鋼(普通用途)和無磁鋼(特殊用途，如傳感器保護(hù)裝置用材料)。無磁鋼必須是全奧氏體組織，且必須具有12%以上的Cr含量，石油鉆采用無磁鋼主要是200、300系列的鋼種。在此前提下，200系列的Cr、Mn、Ni、N及300系列的Cr、Ni、N和Cr、Ni、Mo、N鋼種等均可滿足要求，但是200、300系列的鋼種因含有貴重金屬Ni、Mo而導(dǎo)致成本偏高，市場競爭能力不強(qiáng)，另外200、300系列的鋼種按常規(guī)使用方法熱處理后，強(qiáng)、硬度指標(biāo)只能達(dá)到石油鉆鋌使用要求的50%，再因N、Mn含量的不足而導(dǎo)致加工強(qiáng)硬化系數(shù)低，即使利用加工硬化態(tài)使用以求提高強(qiáng)硬度指標(biāo)，鍛造后鋼材強(qiáng)、硬度性能雖有提高但仍達(dá)不到使用要求。300系傳統(tǒng)無磁鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表1和表2。國外用于石油鉆采的鋼種分為兩類一類向高鉻高氮方向發(fā)展，其目的是爭取更高的強(qiáng)度、硬度指標(biāo)、提高耐蝕能力；另一類則向鉻-鎳-鉬-氮系發(fā)展，優(yōu)點(diǎn)是耐蝕能力更強(qiáng)，使用壽命更長，缺點(diǎn)是增加成本，加工強(qiáng)硬化系數(shù)低。國內(nèi)生產(chǎn)石油鉆鋌采用的無磁鋼主要是撫鋼與中科院金屬研究所及遼河油田鉆采研究院合作開發(fā)的N1310無磁鋼，它是參照歐洲技術(shù)進(jìn)行的研制項(xiàng)目，已取得了國家發(fā)明專利(發(fā)明名稱高強(qiáng)度無磁鉆鋌用鋼；專利號:93115802.8;授權(quán)公告號CN1038353C)，國內(nèi)目前只有中原特鋼在批量生產(chǎn)類似的N1310無磁鋼，其產(chǎn)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場需求。該高強(qiáng)度無磁鉆鋌用鋼，即N1310無磁鋼，盡管力學(xué)性能達(dá)到了國際石油部頒布的標(biāo)準(zhǔn)，但仍存在下列不足(1)鋼的抗腐蝕能力較差，主要技術(shù)指標(biāo)一一耐晶間腐蝕合格率只有50%;(2)產(chǎn)品的成分、性能、外形都不夠穩(wěn)定，不能滿足使用要求；(3)Ni、Mo貴重金屬的含量較大，導(dǎo)致原材料成本偏高；(4)鋼的生產(chǎn)工藝采用"電爐+精練+電渣重熔"的雙聯(lián)冶煉工藝，導(dǎo)致生產(chǎn)成本偏高。此專利的N1310無磁鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表1和表2。表1300系傳統(tǒng)無磁鋼和N1310無磁鋼的化學(xué)成分(wt%)<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>石油無磁鉆鋌用于石油鉆探過程中方位的調(diào)整，是石油開采必用的部件。生產(chǎn)石油無磁鉆鋌主要是石油機(jī)械制造企業(yè)，該類企業(yè)由于只有機(jī)械加工能力，沒有煉鋼和熱加工成形的能力，因此必然得大量購入坯料。目前，石油鉆鋌用無磁鋼大部分采用進(jìn)口，小部分國內(nèi)生產(chǎn)，而國內(nèi)的坯料供應(yīng)商存在冶煉能力不足、產(chǎn)量有限、坯料質(zhì)量不穩(wěn)定、銷售價(jià)格過高等問題。為了解決上述問題，本發(fā)明者通過研究開發(fā)出了一種無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼，該無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼原料成本低廉、生產(chǎn)工藝簡單、具有穩(wěn)定的無磁性及加工強(qiáng)硬化系數(shù)，并且其抗腐蝕性能較強(qiáng)，耐晶間腐蝕合格率達(dá)90%以上，能夠滿足石油無磁鉆鋌用鋼的使用要求。本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供所述無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼的制造方法。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的第一個(gè)方面提供一種無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼，其化學(xué)化學(xué)成分以重量比計(jì)包括C^0.12%、Si^l.50%、Mn:14.516.5%、S^0.010%、P^0.030%、Cr:15.116.0%、Ni^0.90%、Mo￡0.70%、Nb^0.35%、N:0.250.50%，余量為Fe和不可避免雜質(zhì)。本發(fā)明無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼的化學(xué)成分作用如下碳是強(qiáng)烈形成、穩(wěn)定和擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素，但是碳含量太高會降低不銹鋼的塑性，而且對不銹鋼的耐蝕性不利，所以應(yīng)控制碳含量《0.12%，以減少對鋼的耐腐蝕性能的不良影響。氮在不銹鋼中也是非常強(qiáng)烈形成、穩(wěn)定和擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素，并可提高鋼的加工硬化系數(shù)以滿足高強(qiáng)度高韌性的要求。一定的碳含量和氮含量可保證鋼的強(qiáng)度，同時(shí)與鎳、錳共同作用確保鋼的組織為單一奧氏體,從而保證其無磁性?？刂?516%的鉻含量與鉬、鈮、硅、鎳配合以確保該鋼具有不銹性和耐腐蝕性并參與固熔強(qiáng)化。硅、鉻、錳、氮等元素的配合對鋼的加工硬化起著重要作用。提高鉻含量，降低碳含量和錳含量，使鋼的耐腐蝕性能顯著提高。降低硫、磷含量可有效提高鋼的韌性。降低貴重金屬鎳、鉬、鈮及錳含量，主要是在保證鋼的理化性能的同時(shí)，降低原材料成本。按上述合理的化學(xué)成分設(shè)計(jì)能保證本發(fā)明的不銹鋼具有100%的奧氏體組織，在不高于零下IO(TC足夠低的相變點(diǎn)，確保鋼具有穩(wěn)定的無磁性及其加工強(qiáng)硬化系數(shù)、足夠大的耐各種腐蝕(主要是耐晶間腐蝕)的能力、優(yōu)良的強(qiáng)韌性配合、低的原材料成本要求，保證鋼材基本物理、化學(xué)性能滿足使用要求。本發(fā)明的第二個(gè)方面提供所述無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼的制造方法，該方法包括冶煉、鍛造開坯、表面精整、徑鍛成材，其中冶煉采用電爐直接成錠；鋼坯經(jīng)80%變形量的預(yù)鍛之后，停鍛待溫度降至80(TC，在不高于80(TC的條件下，進(jìn)行20%變形量的徑鍛成材。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中冶煉為電爐^LFV精煉或電爐一AOD精煉一LFV精煉。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中鍛造開坯采用快鍛或徑鍛開坯。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中在徑鍛成材過的過程中，先將鋼坯加熱至1120土2(TC，升溫速度為8(TC/小時(shí)，保溫時(shí)間為23小時(shí)。下面，對本發(fā)明無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼的制造工藝作詳細(xì)敘述。(1)冶煉工藝采用"電爐+精煉"的冶煉工藝代替原有的"電爐+精煉+電渣重熔"冶煉工藝，實(shí)現(xiàn)了電爐直接成錠，簡化了工序，縮短了工期，從而降低成本，提高生產(chǎn)效率。電爐冶煉過程主要是去除磷、硫等有害雜質(zhì)元素，當(dāng)磷含量低于0.010%、硫含量低于0.005%時(shí)，出鋼轉(zhuǎn)精煉爐精煉。精煉過程首先是經(jīng)AOD精煉，吹氧去碳至0.04%左右、脫氧還原，扒渣進(jìn)一步去除磷和硫，再轉(zhuǎn)LFV精煉，真空脫氣，再次降低硫的含量至0.002%左右，調(diào)整成分；當(dāng)電爐冶煉過程中碳已達(dá)到0.04%左右，且磷含量低于0.010%、硫含量低于0.005%時(shí)，出鋼可以直接轉(zhuǎn)LFV精煉，調(diào)整成分，扒渣一造新渣一降低硫含量至0.002%左右出鋼。在"電爐+A0D精煉+LFV精煉"或"電爐+LFV精煉"的冶煉過程中嚴(yán)格控制冶煉工藝，加強(qiáng)脫氣去除夾雜物操作，確保鋼的主元素化學(xué)成分均勻達(dá)標(biāo)、雜質(zhì)元素含量符合要求，同時(shí)也解決了現(xiàn)有技術(shù)中生產(chǎn)工藝的復(fù)雜所導(dǎo)致的成本高、效率低的問題。(2)熱加工鍛造成形工藝采取超低溫大變形鍛造工藝，解決鋼的強(qiáng)度、硬度難以達(dá)標(biāo)的問題，也就是采用快一徑聯(lián)合或徑一徑聯(lián)合鍛造成形，嚴(yán)格控制變形率(最后兩道次變形量不小于20%)和變形溫度(低于80(TC)以解決產(chǎn)品力學(xué)性能不穩(wěn)定問題。為防止探傷及表面缺陷，鋼錠采用快鍛或徑鍛高溫加熱開坯，保證鋼坯順利變形、內(nèi)在冶金質(zhì)量均勻而致密。將表面精整后的鋼坯通過徑鍛機(jī)一火成材，由于石油無磁鉆鋌具有嚴(yán)格的尺寸精度(9.4m長度定尺、同心度，直徑公差等)和非常高的強(qiáng)韌性配合，因此鋼必須在低溫下具有足夠大的變形以提高強(qiáng)硬度并且在此狀態(tài)下直接使用，此工藝區(qū)別于其他鋼種常規(guī)采用的熱處理強(qiáng)化。徑鍛機(jī)鍛造的特點(diǎn)為可以維持在一定的溫度范圍內(nèi)加工變形，變形量及變形溫度均勻一致，尺寸精度及表面質(zhì)量非常好，因此徑鍛機(jī)是鋼生產(chǎn)中非常有效的鍛造機(jī)械。本發(fā)明的不銹鋼經(jīng)低溫加熱徑鍛變形80%后，停鍛待溫度降至S0(TC，在不高于80(TC的條件下，經(jīng)徑鍛機(jī)鍛造變形20%成材，從而保證了鋼材內(nèi)在組織結(jié)構(gòu)的精細(xì)和均勻，大幅度提高了鋼材的強(qiáng)度，同時(shí)，在該狀態(tài)下使用仍然有較好的韌性配合。本發(fā)明的有益效果為(l)本發(fā)明無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)合理，綜合力學(xué)性能優(yōu)良，并且鋼中的鎳、鉬、鈮等貴重金屬含量較少，不僅降低了原材料成本，而且提高了本發(fā)明鋼種的市場競爭力；(2)以"電爐+精煉"取代原有的"電爐+精煉+電渣重熔"的冶煉工藝，簡化了工序，縮短了工期，從而降低制造成本，提高生產(chǎn)效率；(3)徑鍛機(jī)鍛造成材，保證鋼材內(nèi)在組織結(jié)構(gòu)的精細(xì)和均勻，加工硬化保證力學(xué)性能合格；(4)本發(fā)明的無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼具有穩(wěn)定的無磁性及加工硬化系數(shù)，其抗腐蝕能力較強(qiáng)，主要技術(shù)指標(biāo)耐晶間腐蝕合格率達(dá)90%以上，能夠滿足石油無磁鉆鋌用鋼的使用要求。圖l是徑鍛機(jī)鍛造成材工藝的示意曲線圖。圖中，a段為預(yù)鍛，b段為徑鍛，c段為空冷。具體實(shí)施例方式以下用實(shí)施例結(jié)合附圖對本發(fā)明作更詳細(xì)的描述。這些實(shí)施例僅僅是對本發(fā)明最佳實(shí)施方式的描述，并不對本發(fā)明的范圍有任何限制。實(shí)施例1—7:按表3所示的化學(xué)成分冶煉不銹鋼，冶煉采用電爐一A0D精煉一LFV精煉或電爐一LFV精煉冶煉。電爐直接成錠后，采用快鍛或徑鍛對鋼錠高溫加熱開坯，鋼坯經(jīng)表面精整后通過徑鍛機(jī)一火成材。如圖1所示，在徑鍛成材的過程中，先將鋼坯加熱至1120土2(TC，升溫速度為80tV小時(shí)，保溫時(shí)間為23小時(shí)，再通過80%變形量的預(yù)鍛(圖l中的a段)之后，停鍛待溫度降至80(TC，約0.2小時(shí)左右，然后在不高于80(TC的條件下，進(jìn)行20%變形量的徑鍛成材(圖l中的b段)，約0.1小時(shí)左右。鍛后的鋼材在空氣中自然冷卻(圖l中的c段)。表3本發(fā)明實(shí)施例l一7的無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼的化學(xué)成分(wt%)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>試驗(yàn)例1:對本發(fā)明實(shí)施例l一7的無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼進(jìn)行力學(xué)性能測試，其結(jié)果見表4。表4本發(fā)明實(shí)施例l一7的無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼的力學(xué)性能<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>試驗(yàn)例2:按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4334.5《不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法》對本發(fā)明的無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼的耐晶間腐蝕性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果顯示本發(fā)明不銹鋼的耐晶間腐蝕合格率達(dá)90%以上。試驗(yàn)例3:對本發(fā)明實(shí)施例1—7的無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼的宏觀、微觀質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表5。表5本發(fā)明實(shí)施例1—7的無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼的宏觀、微觀質(zhì)量檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>結(jié)合表3、表4和表5可以看出，采用上述化學(xué)成分設(shè)計(jì)及制造工藝得到的無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼，其力學(xué)性能己達(dá)到或超過了國際相同產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明不銹鋼的純潔度、均質(zhì)化程度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過使用要求，為延長鋼材使用壽命提供了保障。該不銹鋼的重要物理性能磁導(dǎo)率合格，具有穩(wěn)定的無磁性，且比使用要求優(yōu)一個(gè)數(shù)量級，其抗腐蝕性能力較強(qiáng)，主要技術(shù)指標(biāo)耐晶間腐蝕合格率達(dá)90%以上，能夠滿足石油無磁鉆鋌用鋼的使用要求。權(quán)利要求1、一種無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼，其特征在于，所述無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼的化學(xué)成分以重量比計(jì)包括C^0.12%、SK1.50%、Mn:14.516.5%、S吼0腦、P^0.030o/o、Cr:15.116.0%、Ni￡0.90%、Mo^0.70%、Nb^0.35%、N:0.250.50%，余量為Fe和不可避免雜質(zhì)。2、權(quán)利要求l所述的無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼的制造方法，該方法包括冶煉、鍛造開坯、表面精整、徑鍛成材，其特征在于，冶煉采用電爐直接成錠；鋼坯經(jīng)80%變形量的預(yù)鍛之后，停鍛待溫度降至80(TC，在不高于80(TC的條件下，進(jìn)行20%變形量的徑鍛成材。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼的制造方法，其中所述冶煉為電爐一LFV精煉或電爐一AOD精煉一LFV精煉。4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼的制造方法，其中所述鍛造開坯采用快鍛或徑鍛開坯。5、根據(jù)權(quán)利要求2所述的無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼的制造方法，其中在所述徑鍛成材過程中，先將鋼坯加熱至1120±20°C，升溫速度為8(TC/小時(shí)，保溫時(shí)間為23小時(shí)。全文摘要本發(fā)明提供了一種無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼及其制造方法。所述無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼的化學(xué)成分以重量比計(jì)包括C≤0.12％、Si≤1.50％、Mn14.5～16.5％、S≤0.010％、P≤0.030、Cr15.1～16.0％、Ni≤0.90％、Mo≤0.70％、Nb≤0.35％、N0.25～0.50％，余量為Fe和不可避免雜質(zhì)。將上述鋼種通過電爐+精煉的冶煉工藝，并采用超低溫大變形鍛造工藝，制得本發(fā)明的無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼。該無磁性強(qiáng)韌化不銹鋼原料成本低廉、生產(chǎn)工藝簡單、具有穩(wěn)定的無磁性及加工強(qiáng)硬化系數(shù)，并且其抗腐蝕性能較強(qiáng)，耐晶間腐蝕合格率達(dá)90％以上，能夠滿足石油無磁鉆鋌用鋼的使用要求。文檔編號C22C38/58GK101311290SQ20071009382公開日2008年11月26日申請日期2007年5月24日優(yōu)先權(quán)日2007年5月24日發(fā)明者姚長貴,廖洪軍,杉張,敏王,輝羅申請人:寶山鋼鐵股份有限公司