一種高強(qiáng)高硬耐海洋腐蝕無(wú)磁鋼的熱處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高強(qiáng)高硬耐海洋腐蝕無(wú)磁鋼的熱處理方法，屬于合金材料領(lǐng)域，依次包括以下步驟：（1）熔煉后的耐蝕防磁鋼在溫度不大于500℃時(shí)進(jìn)入熱處理爐內(nèi)；（2）升溫到600～650℃，升溫速率為80～100℃/h，恒溫2～3小時(shí)；（3）升溫到1050～1080℃，升溫速率為80～100℃/h，恒溫5～6小時(shí)；固溶處理.經(jīng)焊接組合及機(jī)加工后進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理，其過(guò)程如下：（1）升溫到600～630℃，升溫速率為100～120℃/h，恒溫2～3小時(shí)；（2）升溫到820～850℃，升溫速率為100～120℃/h，恒溫6～8小時(shí)隨爐冷至室溫，結(jié)束。本發(fā)明是一種既無(wú)磁，也防海洋腐蝕且具備較高強(qiáng)度和硬度的新無(wú)磁鋼的熱處理方法。
【專利說(shuō)明】一種高強(qiáng)高硬耐海洋腐蝕無(wú)磁鋼的熱處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于合金材料制備領(lǐng)域，尤其涉及海洋石油勘探用材料，特別是海洋石油勘探測(cè)井車滾筒用耐海洋腐蝕防磁鋼的制備。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，國(guó)內(nèi)外石油工業(yè)測(cè)井車、測(cè)井拖撬等設(shè)備滾筒均用ZG3Mnl9Cr4無(wú)磁鋼制造，無(wú)磁鋼的冶煉及加工技術(shù)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)十分成熟。但是，該材料在使用過(guò)程中強(qiáng)度和耐磨性不能滿足使用要求，特別是在海洋環(huán)境下工作，其耐腐蝕的能力顯著不足，不僅影響了滾筒的外觀質(zhì)量，同時(shí)極大的影響了滾筒的使用壽命，導(dǎo)致測(cè)井車滾筒更換頻率的增加。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明的目的在于:提出一種既無(wú)磁，也防海洋腐蝕且具備較高強(qiáng)度和硬度的新無(wú)磁鋼的熱處理方法。
[0004]本發(fā)明目的通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
一種高強(qiáng)高硬耐海洋腐蝕無(wú)磁鋼的熱處理方法，依次包括以下步驟:
(1)熔煉后的耐蝕防磁鋼在溫度不大于500°C時(shí)進(jìn)入熱處理爐內(nèi)；
(2)升溫到600~650°C，升溫速率為80~100°C/h，恒溫2~3小時(shí)；
(3)升溫到1050~1080°C，升溫速率為80~100°C/h，恒溫5~6小時(shí)；固溶處理； 經(jīng)焊接組合及機(jī)加工后進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理，其過(guò)程如下:
(1)升溫到600~630°C，升溫速率為100~120°C/h，恒溫2~3小時(shí)；
(2)升溫到820~850°C，升溫速率為100~120°C/h，恒溫6~8小時(shí)隨爐冷至室溫，結(jié)束。
[0005]作為選擇，依次包括以下步驟:
(1)熔煉后的耐蝕防磁鋼在溫度不大于500°C時(shí)進(jìn)入熱處理爐內(nèi)；
(2)升溫到600~650°C，升溫速率為80~100°C/h，恒溫2小時(shí)；
(3)升溫到1050~1080°C，升溫速率為80~100°C/h，恒溫5小時(shí)；固溶處理；
經(jīng)焊接組合及機(jī)加工后進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理，其過(guò)程如下:
(1)升溫到600~630°C，升溫速率為100~120°C/h，恒溫2小時(shí)；
(2)升溫到820~850°C，升溫速率為100~120°C/h，恒溫6小時(shí)隨爐冷至室溫，結(jié)束。
[0006]作為選擇，依次包括以下步驟:
(1)熔煉后的耐蝕防磁鋼在溫度不大于500°C時(shí)進(jìn)入熱處理爐內(nèi)；
(2)升溫到600~650°C，升溫速率為80~100°C/h，恒溫3小時(shí)；
(3)升溫到1050~1080°C，升溫速率為80~100°C/h，恒溫6小時(shí)；固溶處理；
經(jīng)焊接組合及機(jī)加工后進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理，其過(guò)程如下:
(1)升溫到600~630°C，升溫速率為100~120°C/h，恒溫3小時(shí)；
(2)升溫到820~850°C，升溫速率為100~120°C/h，恒溫8小時(shí)隨爐冷至室溫，結(jié)束。[0007]作為選擇，依次包括以下步驟:
(1)熔煉后的耐蝕防磁鋼在溫度不大于500°C時(shí)進(jìn)入熱處理爐內(nèi)；
(2)升溫到600~650°C，升溫速率為80~100°C/h，恒溫2.5小時(shí)；
(3)升溫到1050~1080°C，升溫速率為80~100°C/h，恒溫5.5小時(shí)；固溶處理；
經(jīng)焊接組合及機(jī)加工后進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理，其過(guò)程如下:
(1)升溫到600~630°C，升溫速率為100~120。。/h，恒溫2.5小時(shí)；
(2)升溫到820~850°C，升溫速率為100~120°C/h，恒溫7小時(shí)隨爐冷至室溫，結(jié)束。
[0008]采用前述熱處理方法的高強(qiáng)高硬耐海洋腐蝕無(wú)磁鋼，各組分及其重量百分比為:
C 0.25% ~0.35%,
Si 0.7% ~1.00%,
Mn 0.50% ~1.50%,
Cr 17.00% ~19.00%,
Ni 11.00% ~13.00%，
Mo 2.00% ~2.50%,
V 0.45% ~0.55%,`
Ti 0.13% ~0.18%,
Nb 0.10% ~0.15%,
RE 0.13% ~0.18%,
Fe 61.59% ~67.74%。
[0009]所述Fe包括微量雜質(zhì)，如P、S等，含量通?？刂圃?.04%以下。
[0010]作為選擇，各組分及其重量百分比為:
C:0.30%, S1:0.80%, Mn:0.85%, Cr:18.00%, N1:12.00%, Mo:2.00%, V:0.50%, Nb:0.15%, T1:0.15%, RE:0.15%, Fe:65.1%。
[0011]作為選擇，各組分及其重量百分比為:
C:0.28%, S1:0.83%, Mn:1.20%, Cr:18.8%, N1:11.5%, Mo:2.25%, V:0.53%, Nb:0.13%,T1:0.14%, RE:0.16%, Fe:64.18%。
[0012]作為選擇，各組分及其重量百分比為:
C:0.34%, S1:0.90%, Mn:1.45%, Cr:17.4%, N1:12.8%, Mo:2.45%, V:0.48%, Nb:0.12%,T1:0.17%, RE:0.18%, Fe:63.71。
[0013]前述高強(qiáng)高硬耐海洋腐蝕無(wú)磁鋼的鑄造方法，依次包括以下步驟:
將原料鐵加入熔煉爐中升溫熔化，熔煉爐選擇中頻感應(yīng)爐，熔化溫度在14500C _1550°C，充分融化后向熔煉爐中依次加入原料鎳、錳鐵、鉻鐵、鑰鐵、釩鐵和鈮鐵，控制各組分元素含量配比達(dá)到所需，熔清后，爐溫達(dá)到1550 - 1580°C時(shí)，脫氧、脫氫、脫氮，將脫氧劑壓到爐內(nèi)深處，再加入鈦鐵，金屬液面此時(shí)用覆蓋劑蓋嚴(yán)，隔斷外界空氣，稀土硅鐵合金加入鋼包內(nèi)。
[0014]作為選擇，所述加入的原料鎳、錳鐵、鉻鐵、鑰鐵、釩鐵和鈮鐵，料塊直徑50 -80mmo
[0015]作為選擇，所述加入的鈦鐵直徑3-5mm。
[0016]作為選擇，所述加入的稀土娃鐵合金直徑2_5mm。[0017]作為選擇，所述脫氧劑采用鋁絲、S1-Ca合金或SiC。
[0018]本申請(qǐng)發(fā)明人針對(duì)現(xiàn)有無(wú)磁鋼的使用考察和了解以及對(duì)失效滾筒的分析研究，得出了防磁鋼滾筒首先應(yīng)保證有較高的強(qiáng)韌性和耐磨性，以及無(wú)磁性，然后再解決耐蝕性。本發(fā)明耐蝕防磁不銹鋼成份中，不但加入了防磁及耐腐蝕的主要合金鉻、鎳、鑰，還為了提高強(qiáng)度和耐磨性特意加入釩、鈦、鈮及微量的稀土和較高的碳含量。針對(duì)滾筒在使用中的特殊情況，采用了 1050-1080度固溶處理和回火穩(wěn)定化處理。保證了導(dǎo)磁率小于1.05高斯，強(qiáng)度和硬度完全符合滾筒使用要求。
[0019]上述化學(xué)成份中，F(xiàn)e是鐵的化學(xué)符號(hào)；C是碳的化學(xué)符號(hào)，是耐蝕防磁鋼中的主要成份；Si是硅的化學(xué)符號(hào)；Mn是錳的化學(xué)符號(hào)；Cr是鉻的化學(xué)符號(hào)，是耐蝕防磁鋼中的主要成份；Ni是鎳的化學(xué)符號(hào)，是耐蝕防磁鋼中的主要成份；Mo是鑰的化學(xué)符號(hào)，是耐蝕防磁鋼中的主要成份^是釩的化學(xué)符號(hào)；Ti鈦的化學(xué)符號(hào)；Nb是鈮的化學(xué)符號(hào)；RE是混合稀土的化學(xué)符號(hào)。
[0020]一.成份的設(shè)計(jì): 1)鉻(Cr):是本發(fā)明材料中獲得耐腐蝕性的主要元素，它在氧化介質(zhì)中能使鋼很快生成一層氧化膜，防止金屬基體繼續(xù)破壞，當(dāng)鉻含量大于13%時(shí)與鎳、鑰元素結(jié)合使鋼耐腐蝕性能發(fā)生一個(gè)突躍式的突變。
2)鎳(Ni):是本發(fā)明材料中獲得奧氏體的主要元素，鋼中加入鎳用以形成并穩(wěn)定奧氏體組織，從而獲得強(qiáng)度高、韌性好、可焊好以及防磁的材料。與鉻配合使用以提高鋼的耐腐蝕性能和機(jī)械性能及工藝性能。
[0021]3)鑰(Mo):能增加本發(fā)明材料的鈍化作用和耐腐蝕性能，特別在氯離子介質(zhì)中鉻的鈍化作用不夠的情況下作用更為明顯。
[0022]4)釩(V)是本發(fā)明材料中的特選元素與碳反應(yīng)形成碳化合物，這類化合物在本發(fā)明材料中以細(xì)小的顆粒形成晶核，可細(xì)化鋼的晶粒，提高沖擊韌性，增加回火穩(wěn)定性，并有強(qiáng)烈二次硬化作用。釩的碳化合物是金屬碳化合物中最硬最耐磨的，因此可提高本發(fā)明材料的耐磨性。經(jīng)熱處理后的釩碳化合物以細(xì)小的顆粒彌散分布在奧氏體晶粒內(nèi)來(lái)提高本發(fā)明材料的蠕變和持久強(qiáng)度。但釩含量過(guò)高會(huì)增加鋼的脆性，因此釩的含量控制在0.45%~
0.55%。
[0023]5)鈦(Ti)是本發(fā)明材料中的新增元素能細(xì)化鋼的晶粒，以碳化合物的形式存在，能提高淬透性和回火穩(wěn)定性，并有二次硬化作用。經(jīng)熱處理后的鈦碳化合物能析出彌散分布的拉氏相TiFe2而起到時(shí)效強(qiáng)化作用，提高本發(fā)明材料的蠕變和持久強(qiáng)度。但鈦的含量過(guò)高會(huì)降低鋼的流動(dòng)性，嚴(yán)重影響鋼的鑄造質(zhì)量，因此鈦的含量控制在0.13%~0.18%。
[0024]6)鈮(Nb)是本發(fā)明材料中的特選元素，進(jìn)入固溶體中，固溶強(qiáng)化作用很強(qiáng)，當(dāng)固溶于奧氏體時(shí)顯著提高鋼的淬透性，細(xì)化晶粒，有二次硬化作用。微量的鈮可以在不影響鋼塑性和韌性的情況下提高鋼的強(qiáng)度，由于細(xì)化晶粒的作用能提高鋼的沖擊韌性并降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，在奧氏體中能起到固定鋼中碳的沉淀硬化作用，提高鋼的蠕變強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度。由于鈮稀缺昂貴，所以含量控制在0.10%~0.15%。
[0025]7)混合稀土(RE):稀土有工業(yè)“味精”美稱，稀土元素十分活潑，幾乎能與所有元素起作用，常以脫氧劑和生核劑形成加入鋼液中，凈化鋼液、改善鑄態(tài)組織，高熔點(diǎn)的稀土化合物在鋼液中形成固態(tài)質(zhì)點(diǎn).成為結(jié)晶核心，加快鋼液的凝固速度.細(xì)化晶粒使鑄態(tài)柱狀晶變細(xì)枝間碳化物變小、改善碳化物不均勻性。實(shí)驗(yàn)表明。本發(fā)明材料中加入0.13%的稀土基本上能除掉鋼液中的S，能奪取FeS和其它金屬硫化物中的硫，改善非金屬夾雜物形態(tài)，有效改善鑄造組織和冶金質(zhì)量，提高鋼的強(qiáng)韌性和耐磨性。
[0026]8)碳(C):是本發(fā)明中提高材料強(qiáng)度和硬度的主要元素，由于滾筒在使用中必須要有足夠的強(qiáng)度和耐磨性，因而在不影響材料導(dǎo)磁率的情況下碳含量選定在0.25-0.35%。
[0027]本發(fā)明的有益效果:
1)無(wú)磁性:導(dǎo)磁率小于1.05高斯；
2)耐腐蝕:完全能承受海水及海上空氣的腐蝕；
3)有較高的綜合機(jī)械性能:強(qiáng)度和硬度均能滿足滾筒使用要求；
4)有良好的加工性能:焊接性能和機(jī)械加工性能。
[0028]5)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用:于2010年5月試驗(yàn)樣品件用于測(cè)試至今還未出現(xiàn)銹蝕剝落和變形以及明顯的磨損痕跡，使用周期相比現(xiàn)有材料會(huì)達(dá)到大幅度提高。
[0029]機(jī)械性能表:___
【權(quán)利要求】
1.一種高強(qiáng)高硬耐海洋腐蝕無(wú)磁鋼的熱處理方法，其特征在于依次包括以下步驟: (1)熔煉后的耐蝕防磁鋼在溫度不大于500°C時(shí)進(jìn)入熱處理爐內(nèi)； (2)升溫到600~650°C，升溫速率為80~100°C/h，恒溫2~3小時(shí)； (3)升溫到1050~1080°C，升溫速率為80~100°C/h，恒溫5~6小時(shí)；固溶處理； 經(jīng)焊接組合及機(jī)加工后進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理，其過(guò)程如下: (1)升溫到600~630°C，升溫速率為100~120°C/h，恒溫2~3小時(shí)； (2)升溫到820~850°C，升溫速率為100~120°C/h，恒溫6~8小時(shí)隨爐冷至室溫，結(jié)束。
2.如權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)高硬耐海洋腐蝕無(wú)磁鋼的熱處理方法，其特征在于依次包括以下步驟: (1)熔煉后的耐蝕防磁鋼在溫度不大于500°C時(shí)進(jìn)入熱處理爐內(nèi)； (2)升溫至Ij600~650°C，升溫速率為80~100°C /h，恒溫3小時(shí)； (3)升溫到1050~1080°C，升溫速率為80~100°C/h，恒溫6小時(shí)；固溶處理； 經(jīng)焊接組合及機(jī)加工后進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理，其過(guò)程如下: (1)升溫到600~630°C，升溫速率為100~120°C/h，恒溫3小時(shí)； (2)升溫到820~850°C，`升溫速率為100~120°C/h，恒溫8小時(shí)隨爐冷至室溫，結(jié)束。
3.如權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)高硬耐海洋腐蝕無(wú)磁鋼的熱處理方法，其特征在于依次包括以下步驟: (1)熔煉后的耐蝕防磁鋼在溫度不大于500°C時(shí)進(jìn)入熱處理爐內(nèi)； (2)升溫至Ij600~650°C，升溫速率為80~100°C /h，恒溫2.5小時(shí)； (3)升溫到1050~1080°C，升溫速率為80~100°C/h，恒溫5.5小時(shí)；固溶處理； 經(jīng)焊接組合及機(jī)加工后進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理，其過(guò)程如下: (1)升溫到600~630°C，升溫速率為100~120。。/h，恒溫2.5小時(shí)； (2)升溫到820~850°C，升溫速率為100~120°C/h，恒溫7小時(shí)隨爐冷至室溫，結(jié)束。
【文檔編號(hào)】C21D8/00GK103602795SQ201310576266
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月18日
【發(fā)明者】馬玉川 申請(qǐng)人:樂(lè)山力盾鑄鋼有限公司