專利名稱：：無磁鉆具用鋼及其生產方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于煉鋼、鍛造
技術領域：
，特別涉及一種無》茲鉆具用鋼及其生產方法。(二)
背景技術：
石油開采的可控定向鉆采技術需要精確地控制鉆孔的方位，通常是靠磁性指南針或其它磁性儀表來定位，若把鐵磁部件放在這些定位儀表附近，就會干擾定位，因此，在每#>鉆柱上必須安裝一個或幾個無》茲性鉆具以利定向鉆采。在磁性指南針所處的位置附近配置無磁鉆鋌，其目的不是給磁性指南針提供一個無磁場的環(huán)境，而是使磁性指南針擺脫貼近的鐵磁性鉆柱的影響。如果磁性指南針處于鐵磁性鉆柱的水眼中，由于鐵磁性鉆具的磁導率極高，水眼部分的地球磁場強度趨于零，磁性指南針便不能正確指示南北極。磁性指南針處于無磁鉆鋌水眼中時，由于鉆鋌無磁性(按物理學定義是順磁性的)，即無磁鉆鋌的磁導率與空氣的磁導率大致相同，水眼空間的地》茲場與當?shù)卦瓉淼牡卮艌鱿嗤?，磁性指南針便可以正常指示當?shù)卦瓉淼牡卮艌龇较?。制備無磁鉆具的用鋼在加工和使用過程中相對》茲導率應小于1.010,同時要有較高的結構強度、沖擊韌性，較好的耐磨性。檢索發(fā)現(xiàn)國外鉆井公司使用過蒙乃爾合金、鈹銅合金、鈥合金、鉻鎳不銹鋼來制造無磁鉆具，但造價較高，稀缺金屬鎳的用量大。中國專利CN1100176A釆用Cr-Mn-N系奧氏體不銹鋼，以Mn代Ni(化學成份見表l),在鋼中加RE來細化晶粒、提高鋼的屈服強度、通過改變夾雜物的形狀來改善鋼的熱塑性，提高鋼的鍛造性能。但存在以下問題RE加入量過大，易在鋼中產生大量的稀土氧化物夾雜，反而降低了鋼的塑性和抗晶間腐蝕性能；Si含量偏高，會使鋼中N的溶解度降低并助長5鐵素體的生成，使鋼的相對磁導率超標；Nb含量偏高，易形成很多條、塊狀Nb的碳、氮化物析出，且碳量較高時，在Nb的碳、氮化物周圍導致Cr的碳、氮化合物析出，P爭低鋼的抗晶間腐蝕性能。其中實施例的含C量為0.10-0.13%，按此成份生產的鋼，一般檢測晶間腐蝕性能是不會合格的。表1.CN1100176A無磁鉆鋌用鋼化學成分表<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>日本專利公開2004-156086(化學成份見表2)公開了一種鋼的屈服強度大于960MPa的高強度無磁鋼，該專利中錳含量偏低，錳、鎳、氮都是擴大奧氏體區(qū)的元素，可提高錳含量、降低鎳含量，也可繼續(xù)提高鋼中的氮含量來使鋼保持奧氏體；該專利通過向鋼中添加稀缺金屬鎳和銅來防止凝固過程中氮的析出，不利于降^^鋼的成本；該專利鋼中Cu的范圍為0.35-2.00%,若鋼中Cu>l.00%,則對鋼的熱加工塑性產生不利影響。表2.日本專利公開2004-156086無磁不銹鋼化學成份<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>中國專利CN101311290A釆用Cr-Mn-N系奧氏體不銹鋼，鋼中的鎳含量偏低，同時沒有提高鋼中錳含量來控制鋼的鎳當量，若鋼中錳、鎳、氮的含量均控制在范圍的中下線時，則鋼的鎳當量小于16,會在鋼中出現(xiàn)鐵素體，導致鋼的相對磁導率大于1.010。鋼的碳含量設定小于等于0.12%,實施例中的碳含量均大于O.06%,按其實施例生產的鋼，檢測晶間腐蝕性能不合格。該專利中Nb含量為不大于0.35%，實施例中的鈮為0.29-0.32%,此情況會形成很多條、塊狀Nb的碳、氮化物析出，在Nb的碳、氮化物周圍導致Cr的碳、氮化合物析出，降低鋼的抗晶間腐蝕性能。該專利生產的不銹鋼為中、高氮不銹鋼，其制造工藝采用電爐-LFV精煉或電爐-A0D精煉-LFV精煉，但其在熔煉后期采用真空精煉會降低氮在鋼中的溶解度，導致鋼中氮大量析出，因此該冶煉工藝與該專利鋼的特性是矛盾的，不利于降低成本、提高質量。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提供一種無f茲鉆具用鋼及其生產工藝，生產成本低，制得的鋼滿足無磁鉆具的要求。本發(fā)明采用的技術方案如下無磁鉆具用鋼，其化學成分除鐵以外還包括以下重量百分比的成分C《0.06%、Mnl7.00—23.00%、Si《0.80%、P《0.025%、S《0.015%、Cr12.00-20.00%、Mo<1.0%、N0.20-1.20%、Ni《2.30%、Al<0.025%;且滿足Ni當量-Ni+O.60Mn+0.18Cr+9.69(C+N)-0.llSi2>16的條件。所述無石茲鉆具用鋼還包括以下重量百分比的成分Nb<0.20%、Cu<1.00%、B<0.0035%。進一步，以下成分重量百分含量為Mnl8.00-21.00%、Cr13.00-18.00%、Mo0.25-0.亂N0.30-0.80%、NiO.25-1.20%。為獲得較低的磁導率必須采用奧氏體不銹鋼。在化學成分設計上，本發(fā)明采用Cr-Mn-N系不銹鋼，以Mn代替大部分的Ni，并加入一定量的N來穩(wěn)定奧氏體，當鋼的Ni當量二Ni+0.60Mn+0.18Cr+9.69(C+N)-0.llSi2>16時，就可以穩(wěn)定奧氏體，確保相對^磁導率小于1.010。奧氏體不銹鋼自高溫奧氏體狀態(tài)急冷到室溫所獲得的奧氏體組織處于亞穩(wěn)狀態(tài)，其奧氏體穩(wěn)定程度受鋼的成分所制約。當繼續(xù)冷至室溫以下或經受冷變形時，將可能有馬氏體組織產生，這種類型的馬氏體包括oc'和s兩種類型，前者為體心正方結構，呈鐵J茲性。后者為密集六方結構，無磁性。馬氏體轉變是一種無擴散相變，通過剪切機構由大規(guī)模有規(guī)則的原子排列的變化，在很短的時間內完成這種轉變，快冷和形變是馬氏體轉變的外部條件，奧氏體的穩(wěn)定程度是其馬氏體轉變的內在條件。無磁鉆具在使用過程中，受到拉、壓、扭轉等應力，易使鋼形變產生馬氏體，會使無磁鉆具因相對磁導率超過1.010而使無磁鉆具的使用失去作用。對于每種成份的奧氏體不銹鋼均存在Ms和Md兩個相變點，Ms是在冷卻過程開始產生馬氏體相變的最高溫度，Md是形變誘發(fā)馬氏體轉變的最高溫度，通常是以其應變量30%冷變形后產生50%cc'的溫度作為標識，即Md(30)。兩者均受鋼中的合金元素含量的影響。Ms和Md(30)的經驗計算公式如下Ms(cx')=1305-61.1(%Ni)-41.7(%Cr)-33.3(%Mn)-27.8(0/。Si)-1667(%C+%N)Md(oc')(30/50)=413-9.5(%Ni)—13.7(%Cr)—8.1(%Mn)—9.2(%Si)-18.5(%Mo)-462(%C+%N)Ms和Md點越低，發(fā)生馬氏體相變越難，以保證鉆鋌能在低于室溫下長期使用而不易產生vf茲性。由上式可見，C和N是最有效的穩(wěn)定奧氏體的元素，C和N都是強烈的奧氏體形成元素，C隨著含量的增高，降^f氐鋼的晶間腐蝕和點蝕性能，故C含量越低越好；當C〉0.06時，鋼的抗晶間腐蝕性能就不合格，本專利控制鋼中C《0.06%。Mn與Ni都是奧氏體形成元素，但Mn穩(wěn)定奧氏體的效果為Ni的一半，本專利設定Mn的范圍為17.00-23.00%，實際應用中可提Mn降Ni,來降低成本，同時Mn能提高不銹鋼的強度，最佳Mn的重量百分含量為18-21°/。Si元素的固溶有強化基體的作用。作為脫氧劑是有用的，但如果過量添力口會使鋼中N的溶解度降低并助長5鐵素體的生成，易使鋼的相對磁導率超標，所以不能大量含有。因此本專利設定Si重量百分含量容許上限為0.80%。P易偏析到晶界，使鋼產生低溫脆性，是一種雜質元素，所以含量越低越好。因要兼顧制造成本，且因高錳鋼的冶煉特性，本專利設定P的重量百分含量容許上限為0.025%。S對鋼的熱加工塑性和耐腐蝕性產生不良影響，且易產生硫化錳偏析，是一種雜質元素，所以其含量是越低越好。因要兼顧制造成本，本專利設定S的重量百分含量容許上限為0.015%。Cr是縮小奧氏體相區(qū)的元素，易導致鋼中產生鐵素體而使鋼的相對磁導率超標，同時Cr也是不銹鋼的基本元素，有著很好的抗腐蝕性能，具體添加時應根據鋼中Mn、Ni、N等擴大奧氏體相區(qū)的元素含量來確定Cr的重量百分含量，以確保本專利鋼為單一奧氏體組織。本專利設定Cr的重量百分含量在12.00-20.00%,最佳控制范圍在13-18%。Mo可提高鈍化膜的強度，增強耐局部腐蝕性，如點蝕、縫隙腐蝕，特別是在卣鹽或海水中有氯離子的情況下，還有一定的固溶強化作用，Mo降低鋼中奧氏體的穩(wěn)定性，且降低N在鋼中的溶解度，不能添加過多，適宜的Mo重量百分含量控制在《1.0%,最佳控制范圍在0.25-0.80%。N在增加鋼的耐點蝕性能、提高鋼奧氏體的穩(wěn)定性方面作用最大，減少奧氏體向馬氏體轉變，并能顯著降低層錯能，提高加工硬化率，提高N含量即可相應降低碳含量,應盡量提高鋼的N含量。本專利把N重量百分含量控制在0.20-1.20%之間,最佳控制范圍在0.30—0.80%。Ni能穩(wěn)定奧氏體，改善鋼的低溫韌性，提高耐蝕性，抑制鋼水凝固時氮氣的排放，Ni屬于稀缺物資，價格較高，兼故使用性能和制造成本，本專利設定Ni的重量百分含量《2.30%,最佳控制范圍在0.25-1.20%。Al對鋼的熱加工塑性、耐腐蝕性、韌性等會產生不利影響，要盡量少用。本專利設定Al的重量百分含量容許上限為0.025%。Nb是強碳化物形成元素，能減少Cr與C形成碳化物在晶界析出，提高鋼抗晶間腐蝕的性能，但添加過多會在鋼中形成大量的Nb(C,N)化合物，降低鋼的塑、韌性。本專利把Nb重量百分含量控制在《0.20%。Cu能提高鋼中N的固溶度，抑制凝固時氮氣排放，Cu對耐腐蝕性的提高有幫助，但添加過多，會降低鋼的熱加工塑性，同時增加成本。本專利把Cu重量百分含量控制在<1.00%。B具有防止腐蝕彎曲特性減低的性能，但過量添加對鋼的熱加工塑性不利。本專利把B重量百分含量控制在《0.0035%。所述無^f茲鉆具用鋼的生產方法可如下進行按所述鋼的組成取相應成分進行鋼水的冶煉、精煉，然后鑄造鋼錠，開坯鍛造；之后于300-90(TC進行10-60%的形變強化；冷卻后即得所述無》茲鉆具鋼。為900-1130°C,開坯鍛比為3-8。所述方法優(yōu)選還包括電渣重熔，采用高壓電渣爐制造電渣錠，在電渣重熔時向熔煉室充入氮氣和/或加入氮化合金。通過此方法可方便的制得含氮0.6-1.2%的高氮無i茲鉆具用鋼。所述精煉時以氮氣為稀釋氣體和攪拌氣。本發(fā)明生產工藝原料為廢鋼、廢不銹鋼或經過脫磷預處理的鐵水和高碳鉻鐵，冶煉可采用電爐或感應爐冶煉高鉻、高碳的鋼水，大部分的高碳4各鐵和全部的Ni、Mo在熔化期加入，并控制鋼中P《0.025%。采用氬氧精煉或真空爐吹氧脫碳精煉鋼水，降低CO分壓，有利于降C保Cr。氬氧爐或真空爐吹氧脫碳精煉鋼水時，采用氮氣取代氬氣作為稀釋氣體和攪拌氣體，既增加鋼中的N含量，同時又降低了鋼的冶煉成本。當鋼中C達到0.08%時，氬氧爐要不斷降低氧氮比，或停吹氧，僅吹氮氣脫碳，把C降到要求的范圍以內；若使用真空吹氧精煉爐，可停吹氧，并提高真空度到0.020-0.266KPa,利用鋼水中的氧進行真空脫碳，把C降到要求的范圍以內；脫碳終點時氬氧爐一般有2%的鉻氧化，真空爐吹氧脫碳約有1%的鉻氧化，電解錳在氬氧爐脫碳后或真空爐吹氧脫碳后的還原期加入，用硅鐵和鋁還原。也可采用在電爐或感應爐冶煉鋼水時將錳鐵加入，然后進氬氧爐或真空爐吹氧脫碳，由于Mn的蒸汽壓較高，在真空精煉時，應控制真空度，以避免鋼中的Mn大量蒸發(fā)。把Mn配入鋼水中，脫碳終點時氬氧爐一般有3-5%的Mn氧化，真空爐吹氧脫碳約有1.5-4。/。的Mn氧化。還原期通過向鋼中吹氮氣加氮或向鋼加入氮化4各或氮化錳等氮化合金來加氮，加氮化合金的量一次不能過大，以免氮富集析出，降低氮的回收率；加氮后，氮氣攪拌的時間不能過長，否則也會降低氮的回收率。還原脫氧、成份合格后出鋼澆鑄鋼錠或電極坯。由于含錳量高，鋼液流動性好，澆注時易受空氣的二次氧化，因此應采用氮氣或氬氣保護澆注，同時鋼液對耐火材料沖刷、侵蝕厲害，若采用質量不好的耐火材料，易將耐火材料沖入鋼中，輕者降低鋼的純凈度，增加鋼中夾雜物，重者造成跑鋼、漏鋼等惡性事故。8度為1733K的鋼中的最大溶解度為0.67%,因此要想提高鋼中的N含量，只有從提高氮氣的分壓來考慮，如通過高壓下電渣重熔來增加鋼中的固溶N，防止鋼液凝固過程中N的析出。在電渣重炫時向熔煉室充入3.2-4.5MPa的氮氣，同時加氮化合金增氮，可生產出含氮0.6-1.2%的高氮無^茲鉆具用鋼。電渣重熔還具有提高鋼的純凈度、改善鋼的凝固組織和成份均勻性的特點，有利于提高鋼的質量和改善^f茲感強度梯度。無磁鉆具用鋼的化學成份設計好后，通過固溶強化，其強度僅能達到400MPa，而標準要求材料的屈服強度cj。.》689MPa，此鋼的基本組織是單相奧氏體，其強度很低，又不能進行相變強化，所以要達到所要求的強度只能是形變強化。本發(fā)明無磁鉆具用鋼為本質粗晶粒鋼，此鋼熱塑性較差，鍛造時易產生裂紋，此鋼的鍛造溫度在900-113(TC，在此溫度時熱塑性最好，這與鋼在該變形溫度下碳化物充分被固溶于基體中，組織均勻，再結晶開始啟動，晶粒尚未粗化有關。采用快鍛機或精鍛機或電液錘開坯鍛造并預留10-60%的量用于形變強化提高性能，開坯鍛比3-8，鍛造后空冷至形變強化的溫度。形變強化的溫度在300-900。C之間，通過在此溫度區(qū)間的溫加工，使鍛件內應力及位錯密度增大，使材料的屈服強度(1。.2由退火狀態(tài)的400MPa提高到800MPa。形變強化溫度若高于900°C,強化后屈服強度達不到要求，強化溫度若低于300。C，則強化時鍛件的變形抗力過大，易產生裂紋導致報廢。形變強化量[形變強化量=(形變強化前的面積-形變強化后的面積)/形變強化前的面積]在10-60%之間時，相對磁導率均能滿足要求，具體可視強化時的溫度而定，以使鍛件的機械性能滿足要求為準。形變強化后鍛件空冷、風冷或水冷至室溫。本發(fā)明無》茲鉆具用鋼屬于高錳、高鉻、高氮、低碳奧氏體Cr-Mn-N系不銹鋼，其工業(yè)化經濟生產工藝是采用高碳鉻鐵冶煉，通過電爐或感應爐等熔煉設備冶煉高鉻、高碳鋼水，采用氬氧爐或真空爐吹氧脫碳精煉鋼7jc鑄造鋼錠，獲得本發(fā)明無磁鉆具用鋼，而不需要采用價格相對較高的低碳或微碳鉻鐵來冶煉。采用氬氧爐冶煉可通過向鋼中吹氮氣給鋼增氮，減少采用氮化合金增氮的成本。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術，有以下優(yōu)點本發(fā)明的無磁鉆具用鋼奧氏體穩(wěn)定，滿足環(huán)境使用要求；其生產工藝更加經濟、科學。本發(fā)明的無;茲鉆具用鋼也適用于其它適用的領域。具體實施例方式以下以具體實施例來說明本發(fā)明的技術方案，但本發(fā)明的保護范圍不限于此在氬氧爐中冶煉本發(fā)明無磁性不銹鋼(鋼1、鋼2、鋼3、鋼4)和比較鋼(比較鋼1和比較鋼2),化學成份見表4,澆注3.5噸鋼錠，加熱至1080。C開坯鍛造，開坯鍛比5，鍛成①280mm的鍛件，空冷至形變強化溫度，形變強化，強化后空冷、風冷或水冷至室溫。形變強化工藝參數(shù)及鍛件性能檢測見表5，表中符號意義為Ni當量-Ni+O.60Mn+0.18Cr+9.69(C+N)-0.11Si2，Ni當量>16時記為《，Ni當量<16時記為x加工條件滿足形變強化溫度在300-900°C，變形量在10-60%條件時記為/，不滿足i己為x拉伸實驗按GB/T228-1987標準檢測晶間腐蝕按GB/T4334.5-1990標準檢測，完好記為《，孩t裂記為〇，斷裂記為x按SY/T5144-1997標準測相對^磁導率jur,標準要求應小于1.010按SY/T5144-1997標準測磁感強度梯度AB,AB<0.05j_iT記為V，AB>0.05juT記為x表4實施例鋼化學成份<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表5形變強化工藝參數(shù)及鍛件性能檢測序號使用鋼Ni當量強化溫度rc)強化量(%)加工條件00.2(MPa)0b(MPa)S4(%)(%)晶間腐蝕11r△B實施例l鋼178025V76591040621.003實施例2鋼258020V80594038701.002實施例3鋼382045V73590039691.007實施例4鋼475501598011003369V1.002實施例5鋼l50020770905377371.004V實施例6鋼292030X6357854372V1.005V實施例7鋼385055V79592037731.004實施例8鋼4600401040112030621.0067比較例1比較鋼1750307408904373X1.005比較例2比較鋼2X780257359003969〇1.013上述實驗數(shù)據表明，本發(fā)明通過控制鋼的化學成份和Ni當量來穩(wěn)定奧氏體，確保鋼的相對磁導率i^小于1.010，較現(xiàn)有技術有較大的改進，優(yōu)化了形變強化的溫度和變形量，通過提高錳含量，增加氮含量，降低鎳含量和碳含量，控制鋼的制造成本，提高鋼的強度和耐腐蝕性。本發(fā)明的無磁鉆具用鋼也適用于其它適用的領域。1權利要求1.無磁鉆具用鋼，其特征在于，其化學成分除鐵以外還包括以下重量百分比的成分C≤0.06％、Mn17.00-23.00％、Si≤0.80％、P≤0.025％、S≤0.015％、Cr12.00-20.00％、Mo≤1.0％、N0.20-1.20％、Ni≤2.30％、Al≤0.025％；且滿足Ni當量＝Ni+0.60Mn+0.18Cr+9.69(C+N)-0.11Si2≥16的條件。2.如權利要求1所述的無磁鉆具用鋼，其特征在于，所述無磁鉆具用鋼還包括以下重量百分比的成分Nb《0.20%、Cu《1.00%、B<0.0035%。3.如權利要求1或2所述的無》茲鉆具用鋼，其特征在于，以下成分重量百分含量為Mn18.00-21.00%、Cr13.00-18.00%、Mo0.25-0.80%、N0.30-0.80%、Ni0.25-1.20%。4.如權利要求1或2所述的無磁鉆具用鋼的生產方法，其特征在于，按所述鋼的組成擬目應成分進行鋼水的冶煉、精煉，然后鑄造鋼錠，開坯鍛造；之后于300-90(TC進行10-60%的形變強化；冷卻后即得所述無》茲鉆具鋼。5.如權利要求4所述的無磁鉆具用鋼的生產方法，其特征在于，所述方法還包括電渣重熔，采用高壓電渣爐制造電渣錠，向熔煉室充入氮氣和/或加入氮化合金。全文摘要無磁鉆具用鋼及其生產工藝，屬于煉鋼
技術領域：
。所述無磁鉆具用鋼，其化學成分除鐵以外還包括以下重量百分比的成分C≤0.06％、Mn17.00-23.00％、Si≤0.80％、P≤0.025％、S≤0.015％、Cr12.00-20.00％、Mo≤1.0％、N0.20-1.20％、Ni≤2.30％、Al≤0.025％；且滿足Ni當量＝Ni+0.60Mn+0.18Cr+9.69(C+N)-0.11Si²≥16的條件。本發(fā)明較現(xiàn)有技術提供了一種奧氏體穩(wěn)定，以適應使用要求和制造成本等要求為準，經濟、科學的生產方式。本發(fā)明的無磁鉆具用鋼也適用于其它適用的領域。文檔編號C21D7/00GK101597721SQ200910065390公開日2009年12月9日申請日期2009年7月8日優(yōu)先權日2009年7月8日發(fā)明者偉姚,李海濱,李榮秀,高全德,高宏生申請人:中原特鋼股份有限公司