專利名稱：具有高機(jī)械強(qiáng)度和耐蝕性的馬氏體不銹鋼及其相關(guān)制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有由其組成和熱處理得到高機(jī)械強(qiáng)度和耐蝕性的超馬氏體不銹鋼，其制品在作業(yè)相(Working phase)運(yùn)行期間受到熱處理。本發(fā)明還涉及其制品，特別是在碳?xì)浠衔镱I(lǐng)域中，用于鉆井、生產(chǎn)和管道輸送的管件的制備方法。
現(xiàn)有技術(shù)不銹鋼的一個(gè)特別應(yīng)用領(lǐng)域是，在碳?xì)浠衔镱I(lǐng)域中，用于鉆井、生產(chǎn)和管道輸送的管件，其中借助鋼的組成來(lái)保證必須的機(jī)械強(qiáng)度和耐蝕性，這是熟知的。然而，由于高含量的硫酸和/或二氧化碳，常常甚至存在高含量的氯化物和在高溫下，越來(lái)越頻繁地開(kāi)采所謂酸或酸類的碳?xì)浠衔?烴)沉積，使得選擇合適的材料越來(lái)越難。
在這方面，許多油業(yè)公司和設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)都試圖防止管道作業(yè)循環(huán)中可能的破裂造成最外面的意外事件(它將造成巨大的生產(chǎn)損失和環(huán)境災(zāi)難)，對(duì)采用的材料機(jī)械強(qiáng)度和耐蝕性作了非常嚴(yán)格的限制。
在本發(fā)明的不銹鋼中，或者是雙相或者是奧氏體鐵素體類，從每一種奧氏體類均質(zhì)鋼的機(jī)械強(qiáng)度和耐蝕性的觀點(diǎn)出發(fā)，其中同時(shí)存在鐵素體相和奧氏體相，兩者的比例范圍使其能夠賦予鋼令人感興趣的特性。然而市售和使用的這類材料由于必須向基質(zhì)合金添加高含量的成分而價(jià)格高昂。多年來(lái)，在鉆井管件制造和碳?xì)浠衔锏纳a(chǎn)和管道輸送的管件制造方面，申請(qǐng)人也在EP93106675.7專利申請(qǐng)中，公開(kāi)和要求保護(hù)一種超級(jí)雙煉的鋼類(super-duplex kind steel)用于酸環(huán)境下可使用的制品。構(gòu)成鉆井管件和碳?xì)浠衔锏纳a(chǎn)和管道輸送的一個(gè)主要市場(chǎng)部分是使用奧氏體鋼的管件。所述管件基本在“溫和”環(huán)境下使用，該環(huán)境的特征是高含量的二氧化碳和氯化物，沒(méi)有或僅僅存在微量的硫化氫。
馬氏體鋼的成本低于不銹鋼，并且它的使用有許多優(yōu)點(diǎn)。遺憾的是它的使用受到硫化氫脆裂靈敏度的限制。
為了克服這個(gè)馬氏體鋼局限性的問(wèn)題，已試驗(yàn)或者采用熔合高于13％的鉻或者結(jié)合鉻和鉬來(lái)得到令人欣慰的結(jié)果。有時(shí)也添加一定量需用于完全轉(zhuǎn)化成馬氏體的鎳來(lái)確保完全奧氏體化。
本發(fā)明文本指出，所形容的“超馬氏體”的鋼具有高于14wt％(重量百分比)的鉻含量，或者Cr＞12％和Mo＞1％的Cr/Mo結(jié)合體，如果需要可添加高于0.5％的鎳，而這些金屬元素的存在正是確保奧氏體處理、接著冷卻之后，鋼完全轉(zhuǎn)化成馬氏體。
關(guān)于其它元素對(duì)馬氏體不銹鋼的影響，可以在專利技術(shù)文獻(xiàn)中找到。
例如，我們記得JP-A-120337/91，其中為了增加Ni/Cr奧氏體鋼的耐蝕能力討論了Mo、Mn和S含量的影響。特別指出Mn的最大限制等于0.5％，當(dāng)這種元素在鋼中存在時(shí)由于后者的蝕斑會(huì)降低耐蝕能力。減少鋼內(nèi)錳的百分比，對(duì)鋼的可鍛性有不利影響的硫含量必須同時(shí)降低到非常低的數(shù)值(低于奧氏體鋼的0.002％-0.005％正常數(shù)值的0.002％)。
認(rèn)為其在鋼內(nèi)百分?jǐn)?shù)是重要的其他元素是氮，因?yàn)榱蚧瘹涓g產(chǎn)生鋼的脆裂靈敏度的增大可歸因于氮含量超過(guò)0.002％。正是這個(gè)原因，很容易理解，為什么本技術(shù)領(lǐng)域繼續(xù)研究這個(gè)問(wèn)題試圖找到新種類的鋼，使之更令人感興趣并且使用時(shí)既有所要求的特性又有合乎需要的制造成本。
發(fā)明詳述本發(fā)明基于作者直覺(jué)，亦即改良超級(jí)馬氏體鋼類的機(jī)械強(qiáng)度和耐蝕性是可能的，起作用的僅僅是組分中以低量存在元素的量，而不是基本改進(jìn)主元素的含量和結(jié)合這些組分的改良，顯然，其次是以半成品和隨后以制品(特別是管件)得到鋼的熱機(jī)械轉(zhuǎn)化處理，采用精心控制條件進(jìn)行的工藝來(lái)處理。
申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)，可用熱處理方式處理本發(fā)明超級(jí)馬氏體鋼的制品，這也是本發(fā)明目的，熱處理后保持以下組成是可行的鋼內(nèi)硫的百分?jǐn)?shù)在0.002％-0.005％的常規(guī)范圍，Mn量的數(shù)值范圍0.5％-1％，控制C含量的數(shù)值低于0.05％和氮含量是0.06％-0.12％。精確控制鋼內(nèi)存在的C和N的量可允許較高的硫含量而并不損害鋼的可鍛性。具有本發(fā)明組成的鋼是自硬型(空氣硬化)的，并可從高于奧氏體/鐵素體轉(zhuǎn)化點(diǎn)的溫度，通過(guò)在空氣中簡(jiǎn)單的冷卻轉(zhuǎn)化成馬氏體。
自然也可使用水中淬火(硬化，hardening)，并非必須的，得到鋼的轉(zhuǎn)化。本發(fā)明鋼在引起碳化鉻沉淀的回火熱處理后可具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，還具有良好的韌度，并且可在硫化氫、氯化物和二氧化碳環(huán)境，甚至在壓力下都能耐蝕斑腐蝕和應(yīng)力腐蝕，條件是要進(jìn)一步調(diào)理使得Cr、Mo和N滿足以下公式(Cr+3.3Mo+16N)≥19特別是用本發(fā)明鋼經(jīng)過(guò)軋制或擠壓制造的管件，在含有硫化氫分壓高于0.50巴和氯化鈉含量為200g/l的環(huán)境下，于甚至超過(guò)150℃溫度時(shí)，仍然可耐應(yīng)力腐蝕，這些條件已超過(guò)眾多酸性油井甚至深井中通常發(fā)現(xiàn)的條件。
本發(fā)明還涉及鍛造制品，特別是無(wú)縫鋼管的制備方法。
按照本發(fā)明的基本特征，超級(jí)馬氏體鋼制品的制備方法的特征在于以下步驟(a)制備鋼錠或連續(xù)澆鑄的鋼棒，具有以下百分度(ponderal)組成C≤0.05；Cr，12-15；Ni，4-7；Mo，1.5-2；N，0.06-0.12；Mn，0.5-1；Cu＜0.3；P＜0.02；S≤0.005；Al＜0.02；Si≤1；其余是鐵和微量雜質(zhì)；進(jìn)一步的要求是Cr、Mo和N滿足以下公式(Cr+3.3Mo+16N)≥19(b)通過(guò)鋼錠或鋼棒的鍛造或軋制進(jìn)行第一次熱變形以便得到半成品；(c)將所述半成品加熱到1250-1350℃的范圍，通過(guò)熱軋制或擠壓再次變形直至得到所要求形狀和尺寸的產(chǎn)品；(d)可選地，在冷卻到室溫后，將制品進(jìn)行奧氏體化熱處理，將其在880-980℃溫度范圍保持15-90分鐘的時(shí)間周期；(e)將制品冷卻到低于90℃，然后在560-670℃溫度范圍保持30-300分鐘的時(shí)間周期來(lái)進(jìn)行回火熱處理。
步驟(d)和(e)的冷卻作業(yè)既可在空氣也可在水中冷卻來(lái)進(jìn)行。
下面實(shí)施例用來(lái)更好地說(shuō)明本發(fā)明，并指出氮含量對(duì)按照上述得到和處理的鋼特性的作用。
實(shí)施例1
制造一種鋼錠，具有以下ponderal百分度組成C，0.02；Cr，13.29；Ni，4.75；Mo，1.62；N，0.08；Mn，0.73；Si，0.27；P，0.014；S＜0.002；其余是鐵和微量雜質(zhì)。所得鋼錠以鍛造熱加工成直徑等于280mm的鋼棒。鋼棒之一加熱到1280℃，熱軋制直至形成直徑等于177.8mm，厚度等于10.36mm的管件。
所得管件在空氣中放置冷卻到室溫，然后進(jìn)行奧氏體化，采取溫度等于920℃并保持該溫度80分鐘，隨后空氣冷卻，繼之回火熱處理，亦即溫度等于620℃保持40分鐘。
如此得到的管件按照以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行腐蝕和應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)。
-ASTM G-31一般的腐蝕試驗(yàn)，在氯化鈉溶液200g/l和硫化氫分壓等于500毫巴以及溫度等于150℃。500小時(shí)后，測(cè)量平均腐蝕速度等于0.056mm/年。
-NACE TM-01-77-90方法A在改進(jìn)的氯化鈉溶液50g/l和0.5％乙酸，硫化氫分壓等于50毫巴。測(cè)定界限應(yīng)力，超過(guò)界限應(yīng)力就發(fā)生應(yīng)力腐蝕脆裂，等于屈服應(yīng)力的85％。
實(shí)施例2(對(duì)照)如實(shí)施例1所述制備鋼管件，不同之處在于鋼的組成是C，0.02；Cr，11.95；Ni，5.50；Mo，2.06；N，0.04；Mn，0.45；Si，0.18；P，0.019；S＜0.002；其余是鐵和微量雜質(zhì)。
如此得到的管件按照ASTM G-31和NACE TM-01-77-90標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行腐蝕和應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，分別得到腐蝕數(shù)值等于0.146mm/年和界限應(yīng)力數(shù)值等于屈服應(yīng)力的30％。
權(quán)利要求
1.一種超級(jí)馬氏體鋼，具有以下ponderal百分度組成C≤0.05；Cr，12-15；Ni，4-7；Mo，1.5-2；N，0.06-0.12；Mn，0.5-1；Cu＜0.3；P＜0.02；S≤0.005；Al＜0.02；Si≤1；其余是鐵和微量雜質(zhì)；進(jìn)一步的要求是Cr、Mo和N的百分度滿足以下公式(Cr+3.3Mo+16N)≥19
2.一種超級(jí)馬氏體鋼制品的制備方法，其特征在于以下步驟(a)制備鋼錠或連續(xù)澆鑄鋼棒，具有以下ponderal百分度組成C≤0.05；Cr，12-15；Ni，4-7；Mo，1.5-2；N，0.06-0.12；Mn，0.5-1；Cu＜0.3；P＜0.02；S≤0.005；Al＜0.02；Si≤1；其余是鐵和微量雜質(zhì)；進(jìn)一步的要求是Cr、Mo和N滿足以下公式(Cr+3.3Mo+16N)≥19(b)通過(guò)鋼錠或鋼棒的鍛造或軋制進(jìn)行第一次熱變形以便得到半成品；(c)將所述半成品加熱到1250-1350℃的范圍，通過(guò)熱軋制或擠壓再次變形直至得到所要求形狀和尺寸的產(chǎn)品；(d)可選地，在冷卻到室溫后，將制品在880-980℃溫度范圍保持15-90分鐘的時(shí)間周期進(jìn)行奧氏體化熱處理；(e)將制品冷卻到低于90℃，然后在560-670℃溫度范圍保持30-300分鐘的時(shí)間周期進(jìn)行回火熱處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于步驟(d)和(e)的冷卻作業(yè)在空氣中進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于步驟(d)和(e)的冷卻作業(yè)在水中進(jìn)行。
5.一種具有權(quán)利要求1組成的超級(jí)馬氏體鋼制品，其特征在于它們通過(guò)熱軋制得到，并且進(jìn)行熱處理，該熱處理包括在880-890℃溫度范圍進(jìn)行奧氏體化，隨后冷卻到低于90℃，和最后在560-670℃溫度范圍進(jìn)行回火。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的制品，其特征在于它們是無(wú)縫管件。
全文摘要
一種具有高機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕的超級(jí)馬氏體鋼,具有以下百分度組成:C≤0.05;Cr,12—15,Ni,4—7;Mo,1.5—2;N,0.006—0.12;Mn,0.5—1;Cu< 0.3;P< 0.02;S≤0.005;Al< 0.02;Si≤1;其余是鐵和微量雜質(zhì);進(jìn)一步的要求是Cr、Mo和N的百分度滿足以下公式:(Cr+3.3Mo+16N)≥19。所述鋼可得到具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和耐蝕性特性的制品。
文檔編號(hào)C22C38/00GK1185182SQ96194161
公開(kāi)日1998年6月17日 申請(qǐng)日期1996年5月28日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月31日
發(fā)明者朱思皮·卡米諾, 馬辛莫·巴特瑞 申請(qǐng)人:達(dá)爾米內(nèi)股份公司