一种高氮无磁不锈钢及其制造方法技术

一种高氮无磁不锈钢及其制造方法，属于材料科学技术领域中的不锈钢材料。该不锈钢成分重量百分数为：14.00＜Cr≤15.00，0.047≤C≤0.055，0.35＜N≤0.40，18.00≤Mn≤18.50，0.30≤Si≤0.45，0.001≤P≤0.015，0.001≤S≤0.012，余量为Fe。制造方法为：非真空感应熔炼，电渣重熔，快锻机开坯锻造，径锻机终锻成型锻造，水冷处理。优点在于，通过控制Cr元素的质量百分比保证高氮无磁不锈钢具有良好的耐晶间腐蚀性能，通过控制N元素的质量百分比保证高氮无磁不锈钢具有良好的耐局部腐蚀性能，同时保证高氮无磁不锈钢具有足够的奥氏体单相区宽度、良好的室温拉伸性能和稳定低于1.01的相对磁导率。

【技术实现步骤摘要】
一种高氮无磁不锈钢及其制造方法
本专利技术属于不锈钢材料
，特别是涉及一种高氮无磁不锈钢及其制造方法。
技术介绍
无磁钢是当今国内外深度超过1000米的陆地、海洋油气井钻采过程中的重要部件，其相对磁导率低于1.01。将其工业锻造圆钢坯料加工制造成中空的厚壁管材，为随钻测量(MWD)仪器提供磁屏蔽的环境，隔绝大地磁场对一起的干扰，从而保证大深度钻探方向的精确性。同时，无磁钻铤还与旋转导向(RSS)系统联动，可以实现全井段定向钻进,并根据钻探要求实时调整井眼轨迹。由于井下苛刻的服役环境，还要求无磁钢材料具有极高的抗拉强度、屈服强度和耐蚀性能，同时还需要兼顾经济性。从上世纪开始，无磁钢材料经历了Cr-Mn-Ni-N成分体系、Cr-Mn-N成分体系、Cr-Mn-Ni-Mo-N成分体系等三代的发展。最早使用的Cr-Mn-Ni-N成分体系奥氏体无磁钢，由于当时收到N合金化冶炼技术落后的限制，只能采用部分Mn、N元素代Ni的方法一定程度低降低原材料成本。随着含N奥氏体不锈钢工业化冶炼技术的进步，N元素含量在该成分体系中的比重稳步提升，直至出现了第二代全部以Mn、N元素代Ni的Cr-Mn-N成分体系的奥氏体无磁钢，其力学性能和无磁性均十分优良。在后续的服役过程中，发现第二代Cr-Mn-N奥氏体不锈钢虽然力学性能优异，但其在苛刻腐蚀性介质中的耐局部腐蚀性能存在不足，因此在该成分基础上，通过添加一定量的Mo元素来改善其耐蚀性能，同时加入了一定量的Ni元素来保证合金体系的奥氏体稳定性，这也就产生了国际上最主流的第三代Cr-Mn-Ni-Mo-N成分体系的高氮无磁不锈钢。因其相对低的原材料成本和优良的力学、耐蚀性能很快成为制造高性能无磁钻铤的主流材料，广泛应用于许多油气钻采工程项目中。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供种一种高氮无磁不锈钢及其制造方法，与现有高氮无磁不锈钢材料相比，对Cr、N元素的含量范围和热加工工艺进行了优化；使其具有更高的耐晶间腐蚀性能和奥氏体稳定性，使其在锻后具备优良的室温韧性、硬度和极低的相对磁导率。本专利技术的一种高氮无磁不锈钢的各元素重量百分比为：14.00＜Cr≤15.00，0.047≤C≤0.055，0.35＜N≤0.40，18.00≤Mn≤18.50，0.30≤Si≤0.45，0.001≤P≤0.015，0.001≤S≤0.012，余量为Fe。本专利技术的一种高氮无磁不锈钢的制造方法，包含以下工艺步骤：(1)依据下列元素重量百分比熔炼钢水：14.00＜Cr≤15.00，0.047≤C≤0.055，0.35＜N≤0.40，18.00≤Mn≤18.50，0.30≤Si≤0.45，0.001≤P≤0.015，0.001≤S≤0.012，余量为Fe；(2)采用非真空感应熔炼+电渣重熔的方法制得钢坯；(3)钢坯通过高温热处理炉加热并保温；(4)钢坯出炉后立即经过快锻机锻造为圆钢坯，圆钢坯的端面直径根据成品径锻钢坯的尺寸和终锻变形量实际计算；(5)圆钢坯通过高温热处理炉回炉保温；(6)圆钢坯经过回炉处理后出炉，立即经过径锻机锻造为成品钢坯；(7)径锻完成后将成品钢坯进行水冷处理。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进：进一步，步骤(3)中所述高温热处理炉加热温度为1180℃～1200℃，保温时间为5h以上。进一步，步骤(4)中所述快锻机锻造的终锻温度为1090℃～1110℃。进一步，步骤(4)中所述成品径锻钢坯为圆柱体，端面直径为250mm～300mm。进一步，步骤(5)中所述回炉保温的加热温度为1150℃～1190℃，加热时间为2h。进一步，步骤(6)中所述径锻机锻造的终锻变形温度为900℃～930℃，总变形量为20％～25％，径锻时间小于10min。进一步，步骤(7)中所述径锻完成后至水冷处理之间成品钢坯的时间间隔不得超过5min。本专利技术的有益效果是：通过控制Cr元素的质量百分比保证本专利技术的一种高氮无磁不锈钢具有良好的耐晶间腐蚀性能，通过控制N元素的质量百分比保证本专利技术的一种高氮无磁不锈钢具有良好的耐局部腐蚀性能，同时保证本专利技术的一种高氮无磁不锈钢具有足够的奥氏体单相区宽度、良好的室温拉伸性能和稳定低于1.01的相对磁导率。附图说明图1为本专利技术一种高氮无磁不锈钢在不同的Cr含量条件下的奥氏体单相区温度上限对比图。图2为本专利技术一种高氮无磁不锈钢在不同的Cr含量条件下的奥氏体单相区温度下限对比图。图3为本专利技术一种高氮无磁不锈钢在不同的Cr含量条件下的奥氏体单相区温度区间变化趋势图。图4为本专利技术一种高氮无磁不锈钢在不同的N含量条件下的奥氏体单相区温度上限对比图。图5为本专利技术一种高氮无磁不锈钢在不同的Cr含量条件下采用ASTMA262方法进行晶间腐蚀测试的结果统计图。图6为本专利技术一种高氮无磁不锈钢在不同的Cr含量条件下的相对磁导率变化趋势图。图7为本专利技术一种高氮无磁不锈钢在不同的N含量条件下的相对磁导率变化趋势图。图8为本专利技术一种高氮无磁不锈钢在不同的N含量和终锻温度下的室温屈服强度变化趋势图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。实施例1：Cr元素含量对本专利技术一种高氮无磁不锈钢奥氏体单相区温度上限的影响奥氏体具有良好的高温变形能力，同时具有非常低的磁导率，因此必须保证本专利技术一种高氮无磁不锈钢具有良好的奥氏体稳定性、单一性。Cr元素可以显著提高耐蚀性能，但Cr元素是一种铁素体稳定元素，其含量的提高不利于奥氏体组织的稳定性，因此不能盲目提高Cr含量。为考察奥氏体单相区在不同Cr元素含量条件的变化趋势，采用专用的材料热力学计算软件对不同的Cr元素含量对本专利技术一种高氮无磁不锈钢的奥氏体单相区温度上限的影响进行了计算和对比。表1本专利技术一种高氮无磁不锈钢样品H-1至H-5的Cr元素含量及奥氏体相区上限温度计算结果。样品编号H-1H-2H-3H-4H-5Cr含量wt.％13.514.014.515.015.5奥氏体上限温度1355℃1304℃1274℃1249℃1219℃结果表明：在本专利技术一种高氮无磁不锈钢的热力学体系中，当Cr元素含量为13.5％时，N含量为0.30％的无磁不锈钢的奥氏体单相区温度上限为1355℃(表1)。随着Cr元素含量的升高，无磁不锈钢的奥氏体单相区温度上限逐渐降低，奥氏体单相区高温范围被压缩(图1)。当Cr元素含量增加到为15.5％时，N含量为0.30％的无磁不锈钢的奥氏体单相区温度上限下降到1219℃，奥氏体单相区高温范围的温度区间被压缩了136℃。这不利于高温范围内奥氏体的单一性和稳定性。实施例2：Cr元素含量对本专利技术一种高氮无磁不锈钢奥氏体单相区温度下限的影响为考察奥氏体单相区在不同Cr元素含量条件的变化趋势，采用专用的材料热力学计算软件对不同的Cr元素含量对本专利技术一种高氮无磁不锈钢的奥氏体单相区温度下限的影响进行了计算和对比。表2本专利技术一种高氮无磁不锈钢样品H-1至H-5的Cr元素含量及奥氏体相区下限温度计算结果样品编号H-1H-2H-3H-4H-5Cr含量wt.％13.514.014.515.015.5奥氏体下限温度923℃911℃899℃889℃878℃结果表明：在本专利技术一种高氮无磁不锈钢的热力学体系中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高氮无磁不锈钢，其特征在于，各元素重量百分比为：14.00＜Cr≤15.00，0.047≤C≤0.055，0.35＜N≤0.40，18.00≤Mn≤18.50，0.30≤Si≤0.45，0.001≤P≤0.015，0.001≤S≤0.012，余量为Fe。

【技术特征摘要】
1.一种高氮无磁不锈钢，其特征在于，各元素重量百分比为：14.00＜Cr≤15.00，0.047≤C≤0.055，0.35＜N≤0.40，18.00≤Mn≤18.50，0.30≤Si≤0.45，0.001≤P≤0.015，0.001≤S≤0.012，余量为Fe。2.一种权利要求1所述的高氮无磁不锈钢的制造方法，其特征在于，工艺步骤为：(1)依据下列元素重量百分比熔炼钢水：14.00＜Cr≤15.00，0.047≤C≤0.055，0.35＜N≤0.40，18.00≤Mn≤18.50，0.30≤Si≤0.45，0.001≤P≤0.015，0.001≤S≤0.012，余量为Fe；(2)采用非真空感应熔炼+电渣重熔的方法制得钢坯；(3)钢坯通过高温热处理炉加热并保温；(4)钢坯出炉后经过快锻机锻造为圆钢坯，圆钢坯的端面直径根据成品径锻钢坯的尺寸和终锻变形量实际计算；(5)圆钢坯通过高温热处理炉回炉保温；(6)圆钢坯经过回炉处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈华鹏，周茂华，罗定祥，郎宇平，陈海涛，冯翰秋，陈晋阳，王利伟，杨再春，彭声通，杨亚光，姚斌，何玉东，
申请(专利权)人：钢铁研究总院，攀钢集团江油长城特殊钢有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11