一种高强韧中氮无磁不锈钢及其制造方法技术

一种高强韧中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：14.0＜Cr≤15.5，0.02＜C≤0.05，0.40＜N≤0.45，18.0＜Mn≤20.0，0.5＜Ni≤4.0，0.5＜Mo≤1.0，0.05＜Si≤0.40，0.001＜P≤0.015，0.001＜S≤0.012，余量为Fe。工艺包括：采用电炉+氩氧脱碳炉外精炼+电渣重熔的方法制得铸锭，铸锭通过高温热处理炉加热并保温，铸锭保温结束出炉后立即经过径锻机锻造为中间坯，将中间坯进行水冷处理，将水冷处理后的中间坯经过径锻机二次锻造成为成品钢坯，锻后空冷。优点在于，抗拉强度、屈服强度和硬度显著提升，还保证了足够的室温和高温延伸率，耐点蚀性能和室温冲击韧性显著提升。

A High Strength and Toughness Medium Nitrogen Non-magnetic Stainless Steel and Its Manufacturing Method

【技术实现步骤摘要】
一种高强韧中氮无磁不锈钢及其制造方法
本专利技术属于材料科学
中的不锈钢材料，特别是涉及一种高强韧中氮无磁不锈钢及其制造方法。
技术介绍
无磁不锈钢是当今国内外陆地、海洋油气定向钻采过程的重要部件，根据国内外相关材料标准的要求，其相对磁导率应低于1.01。用这种材料加工而成的无磁钻铤部件可以为随钻测量(MWD)仪器提供磁屏蔽的环境，避免大地磁场对定向钻探过程的干扰，从而保证定向钻进方向的精确性。同时，在无磁钻铤与旋转导向(RSS)系统的共同作用下,还可以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，还要求无磁不锈钢材料具有很高的强度、耐晶间腐蚀性能，以保证无磁钻铤部件长期稳定的服役寿命。同时还需要兼顾经济性。无磁不锈钢是从传统的Cr-Ni不锈钢发展而来的。在Cr-Ni不锈钢成分体系的基础上，利用Mn和N元素部分或者全部替代了价格相对较高的Ni元素作为奥氏体稳定化元素，大幅度降低了原材料成本。同时由于N元素显著的间隙强化作用和极高的点蚀当量，对不锈钢基体的强度和耐蚀性能也有了一定的提升。在过去的几十年中，随着对性能和成本需求的差异，无磁不锈钢材料大致经历了Mn和N部分代Ni、Mn和N全部代Ni以及Mo-Ni合金化等三代材料体系的发展。目前国内外生产、使用量最大的是中氮无磁不锈钢(N含量约为0.25-0.4％)，同时还有一部分高氮无磁不锈钢(N含量约为0.6-0.8％)和少量高耐蚀高氮无磁不锈钢(N含量约为0.6-0.8％同时提高耐蚀元素含量)。这几大类无磁不锈钢种具有差异显著的N和Cr关键元素含量、奥氏体单相平衡设计原则和力学耐蚀性能指标，属于不同的钢种体系。分别应用于腐蚀介质、地质构造、钻井类型完全不同的陆地和海洋油气钻采服役环境中。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高强韧中氮无磁不锈钢及其制造方法，与现有N含量为0.25-0.4％的中氮无磁不锈钢材料相比，提升了N元素含量、加入了Mo、Ni元素，并对冶炼工艺和径锻机的锻造工艺进行了优化，使其具有更高的抗拉强度、屈服强度、冲击韧性和硬度，同时具有更高的耐点蚀性能。本专利技术的一种高强韧中氮无磁不锈钢的各元素重量百分比为：14.0＜Cr≤15.5，0.02＜C≤0.05，0.40＜N≤0.45，18.0＜Mn≤20.0，0.5＜Ni≤4.0，0.5＜Mo≤1.0，0.05＜Si≤0.40，0.001＜P≤0.015，0.001＜S≤0.012，余量为Fe。本专利技术的一种高强韧中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：14.0＜Cr≤15.5，0.02＜C≤0.05，0.40＜N≤0.45，18.0＜Mn≤20.0，0.5＜Ni≤4.0，0.5＜Mo≤1.0，0.05＜Si≤0.40，0.001＜P≤0.015，0.001＜S≤0.012，余量为Fe；(2)采用电炉+氩氧脱碳炉外精炼+电渣重熔的方法制得铸锭；(3)铸锭通过高温热处理炉加热并保温；(4)铸锭保温结束出炉后立即经过径锻机锻造为中间坯；(5)将中间坯进行水冷处理；(6)将水冷处理后的中间坯经过径锻机二次锻造成为成品钢坯。(7)锻后空冷。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和保温温度为1080℃～1120℃。进一步，步骤(4)中所述径锻机锻造的终锻温度为950℃～1000℃。进一步，步骤(5)中所述水冷处理后中间坯的表面温度为550℃～600℃。进一步，步骤(6)中所述径锻机二次锻造的开锻温度为500℃～550℃，最小变形量为15％。本专利技术的有益效果是：通过提高N含量同时降低径锻机二次锻造温度，使本专利技术的一种高强韧中氮无磁不锈钢的抗拉强度、屈服强度和硬度显著提升，同时还保证了足够的室温和高温延伸率，通过提高Mo含量使本专利技术一种高强韧中氮无磁不锈钢的耐点蚀性能显著提升，通过提高Ni含量使本专利技术一种高强韧中氮无磁不锈钢的室温冲击韧性显著提升。附图说明图1为N含量和径锻机二次锻造温度对本专利技术一种高强韧中氮无磁不锈钢室温抗拉强度的影响示意图。图2为N含量和径锻机二次锻造温度对本专利技术一种高强韧中氮无磁不锈钢室温屈服强度的影响示意图。图3为N含量和径锻机二次锻造温度对本专利技术一种高强韧中氮无磁不锈钢室温延伸率的影响示意图。图4为N含量和径锻机二次锻造温度对本专利技术一种高强韧中氮无磁不锈钢室温布氏硬度的影响示意图。图5为Ni含量对本专利技术一种高强韧中氮无磁不锈钢室温冲击功的影响示意图。图6为N和Mo含量对本专利技术一种高强韧中氮无磁不锈钢点蚀当量PREN值的影响示意图。图7为N和Mo含量对本专利技术一种高强韧中氮无磁不锈钢点蚀电位的影响示意图。图8为N含量对本专利技术一种高强韧中氮无磁不锈钢热塑性的影响示意图。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：N含量和径锻机二次锻造温度对本专利技术一种高强韧中氮无磁不锈钢室温拉伸性能的影响为考察N含量和径锻机二次锻造温度对本专利技术一种高强韧中氮无磁不锈钢室温拉伸性能的影响，制备了不同N含量的高强韧中氮无磁不锈钢样品H-1～4(表1)并通过不同的终锻温度工艺对样品进行了热加工，终锻变形量均为15％。表1本专利技术一种高强韧中氮无磁不锈钢样品H-1～4的化学成分(wt.％)炉号H-1H-2H-3H-4Cr14.0114.0514.1214.08Mn18.0318.0618.1118.16N0.3120.3530.4110.442C0.0220.0250.0240.023Ni2.362.512.492.43Mo0.650.640.670.66P0.0110.0120.0070.009S0.0080.0050.0060.007Si0.370.320.340.33Fe余量余量余量余量室温抗拉强度测试结果表明：与现有N含量为0.25-0.4％的中氮无磁不锈钢材料相比，当本专利技术一种高强韧中氮无磁不锈钢的N含量增加到0.4％以上后，在不同终锻工艺条件下的室温抗拉强度均获得了显著提升(图1)，同时当终锻温度下降至600℃以下后，本专利技术一种高强韧中氮无磁不锈钢在不同N含量条件下的室温抗拉强度也均获得了显著提升。室温屈服强度测试结果表明：与现有N含量为0.25-0.4％的中氮无磁不锈钢材料相比，当本专利技术一种高强韧中氮无磁不锈钢的N含量增加到0.4％以上后，在不同终锻工艺条件下的室温屈服强度均获得了显著提升(图2)，同时当终锻温度下降至600℃以下后，本专利技术一种高强韧中氮无磁不锈钢在不同N含量条件下的室温屈服强度也均获得了显著提升。室温延伸率测试结果表明：与现有N含量为0.25-0.4％的中氮无磁不锈钢材料相比，当本专利技术一种高强韧中氮无磁不锈钢的N含量增加到0.4％以上后，在不同终锻工艺条件下的室温延伸率仅有略微下降(图3)，当终锻温度下降至600℃以下后，本专利技术一种高强韧中氮无磁不锈钢在不同N含量条件下的室温延伸率大幅度下降，因此为确保获得20％以上的室温延伸率，本专利技术一种高强韧中氮无磁不锈钢的终锻温度不宜低于550℃。实施例2：N含量和径锻机二次锻造温度对本专利技术一种高强韧中氮无磁不锈钢室温布氏硬度的影响为考察N含量和径锻机二次锻造温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强韧中氮无磁不锈钢，其特征在于，各元素重量百分比为：14.0＜Cr≤15.5，0.02＜C≤0.05，0.40＜N≤0.45，18.0＜Mn≤20.0，0.5＜Ni≤4.0，0.5＜Mo≤1.0，0.05＜Si≤0.40，0.001＜P≤0.015，0.001＜S≤0.012，余量为Fe。

【技术特征摘要】
1.一种高强韧中氮无磁不锈钢，其特征在于，各元素重量百分比为：14.0＜Cr≤15.5，0.02＜C≤0.05，0.40＜N≤0.45，18.0＜Mn≤20.0，0.5＜Ni≤4.0，0.5＜Mo≤1.0，0.05＜Si≤0.40，0.001＜P≤0.015，0.001＜S≤0.012，余量为Fe。2.一种权利要求1所述的高强韧中氮无磁不锈钢的制造方法，其特征在于，工艺步骤为：(2)采用电炉+氩氧脱碳炉外精炼+电渣重熔的方法制得铸锭；(3)铸锭通过高温热处理炉加热并保温；(4)铸锭保温结束出炉后立即经过径锻机锻造为中间坯；(5)将...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈华鹏，冯翰秋，陈海涛，郎宇平，
申请(专利权)人：钢铁研究总院，
类型：发明
国别省市：北京,11