[发明专利]高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于不锈钢技术领域，特别是涉及一种高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢及其制造方法。

背景技术

无磁钻铤是当今高精度、高深度石油及天然气钻采设备重要的部件，是钻柱的主要组成部分之一，具有向钻头提供钻进的压力以及提高钻柱刚性的作用。目前常见的无磁钻铤由磁导率很低的不锈钢制造，管体横截面内外皆为圆形。由于勘探开发的需求，钻井设备的钻探速度不断加快，钻井的深度也不断增加，井下需要安装随钻测量仪器设备对钻探的垂直方向进行实时修正。由于所有磁性测量仪器在测量井眼方向时感应的是井眼的大地磁场，为防止高速钻探过程中产生的磁场对仪器设备工作状态的影响，测量仪器必须工作在一个无磁的环境下，利用磁导率极低的不锈钢材料制成的无磁钻铤可以实现无磁的工作环境，达到使磁性测量仪器正常工作的目的。

除极低的磁导率要求外，无磁钻铤材料的主要性能指标是强度和耐蚀性能，以及兼顾经济性。从上世纪30年代至今，无磁钻铤用材料的发展经过了300系不锈钢、蒙乃尔合金、含氮奥氏体不锈钢等几代材料。Cr-Mn-N系无磁不锈钢是目前世界上用于制造高性能无磁钻铤产品的主流材料。多年来，随着陆地和海洋油气资源钻采对材料性能要求的不断提高，该类型不锈钢的成分体系设计理念不断进步，其耐腐蚀性能、力学性能显著提高。

无磁钻铤用氮合金化奥氏体不锈钢中主要的合金元素为Cr、Mn、N，另外某些体系还含有少量的Mo和Ni，这几种关键元素在合金体系中的作用如下：

1)Cr的影响

Cr元素是提高Cr-Mn系奥氏体不锈钢耐蚀性能的元素之一。Cr含量的增加可以提高该型不锈钢耐氧化性介质和酸性氯化物介质中的耐蚀能力，还可以提高不锈钢在还原性介质、有机酸、尿素或者碱性介质中的耐蚀能力。Cr含量的增加还可以提高该型不锈钢耐晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀和某些条件下应力腐蚀等局部腐蚀性能。

2)Mn的影响

Mn元素加入到该型不锈钢中主要目的是代替昂贵的Ni元素使钢形成稳定的奥氏体组织并提高N元素在钢中的固溶度。Mn含量的过度增加会导致该型不锈钢低温韧性的恶化，在低温下出现韧性-脆性的转变。因此仅有Mn元素和N元素而无Ni元素的Cr-Mn系不锈钢无法获得优良的低温韧性。

3)Ni的影响

Ni元素的存在使该型不锈钢获得稳定的奥氏体组织，使其具有较好的强度和塑性，并使其具有优良的冷、热加工性能以及焊接和无磁性能。Ni元素的加入还可以显著改善该型不锈钢的韧性，通过抑制冷加工过程中的马氏体转变来降低其冷加工硬化倾向。Ni元素可以改善该型不锈钢的热加工性能，显著提高成材率。还可以通过Ni元素的增加来提高该型不锈钢在大多数介质中耐穿晶型应力腐蚀性能。但Ni元素会导致其晶间腐蚀敏感性增加，对耐点蚀和缝隙腐蚀性能无明显影响。

4)Mo的影响

Mo元素提高不锈钢耐蚀性能的能力是Cr元素的三倍以上。Mo元素的加入显著提高该型不锈钢在还原性介质如硫酸、磷酸以及一些有机酸或尿素环境中的耐点蚀、缝隙腐蚀性能，对强度的影响作用不显著。相反，Mo元素的加入会导致某些脆性析出物如sigma相或chi相的形成，严重恶化不锈钢的塑性和韧性。

5)N的影响

N元素的加入主要目的是作为固溶强化元素提高该型不锈钢的强度，同时不显著损害其塑性和韧性；N元素的加入也可以提高不锈钢的抗高温蠕变、疲劳和耐磨损性能，每加入0.1％的N元素可提高约60-100MPa的强度。N元素的强化作用通过固溶方式来实现。一般认为N元素以间隙固溶体的形式使奥氏体面心立方晶格产生最大的晶格畸变量，对位错有极大的钉扎作用，因此对奥氏体晶粒和晶界都能起到强化作用。另一方面，N元素还可以通过减小晶粒尺寸来提高不锈钢强度，其强度和晶粒尺寸的关系服从Hell-Petch公式。同时N元素的加入可以提高其耐蚀性能尤其是耐晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀性能。高N型Cr-Mn系不锈钢N含量在0.40％以上，同时具有高强度和高耐蚀性能。

在此不难看出，Cr、Mn、N、Mo和Ni等几种主要合金元素对Cr-Mn-N系奥氏体不锈钢的耐蚀性能和强度性能有直接的影响。因此在钢中的成分设计上要重点考虑以上几种元素的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能无磁钻铤用高氮奥氏体不锈钢及其制造方法，具有优良力学性能和耐蚀性能，如良好的室温屈服强度、抗拉强度、硬度、冲击韧性、优异的耐点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等性能，以及极低的磁导率。