本发明属于铁基合金领域，具体涉及一种用于海洋钻井平台仪表阀阀芯的合金材料及制作方法。
背景技术：
：随着我国国民经济发展的快速增长，石油需求快速增加，陆上和浅海油田增产潜力相对较小，石油、天然气进口量逐年增大，石油供应对外依存度过大已经成为影响国家经济安全运行的重要因素之一。目前，我国油气勘探开发集中在浅海、近海区域，深海开发技术能力与国际水平差距较大,深海油气开发装备是一个高技术、先进制造业的代表，目前被国外公司高度垄断。由于缺少国内企业的竞争，采购和后期维护成本极高的情况给国产化钻井装备提供了有利的机遇。我国石油钻采装备企业必将实现我国在深海钻井装备关键设备全面重大的突破，这将打破西方国家对钻井平台关键设备的垄断，结束我国依赖进口国外高端海洋钻井装备来满足深海钻井作业的需要，同时将促进我国石油勘探开发领域的装备水平和竞争力上一个新台阶。也需要我们对于海洋钻井平台的各个部件进行更加细致的研究。然而，金属材料在海洋环境中因Cl-及多种海生物的影响会产生严重腐蚀，给海洋工程带来巨大的经济损失。虽然不锈钢在各工业领域中的应用范围不断扩大，特别是在海洋开发、石油及化工方面的应用更趋广泛。但普通不锈钢在海水介质中，因Cl—与金属离子结合健较强，因而易侵入金属表面的钝化膜，使钝化膜受到破坏，从而产生点腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀破裂。海洋钻井平台的仪表阀是海洋钻井平台上的精密仪器，是一种管路附件，它是用来改变通路断面和介质流动方向，控制输送介质流动的一种装置。仪表阀的密封性能是指仪表阀各密封部位阻止介质泄漏的能力，它是仪表阀最重要的技术性能指标。如果仪表阀出现泄漏，会造成物料损失，污染环境，严重时还会造成事故。对于易燃易爆、有毒或有放射的介质，泄漏更是不能允许的，因而仪表阀必须具有可靠的密封性能；同时，海洋作业的过程中，海洋平台材料容易被地磁磁化，仪表设备非常精密，如果被磁化，将严重影响仪表的准确性。因此，仪表阀的材料对于海洋钻井平台而言十分重要；但是，在海洋钻井平台这一仍在不断完善的技术中，海洋钻井平台仪表阀的材料在很大程度上处于摸索和不断试验阶段，如何选择和制造良好的不被磁化、耐磨损的海洋钻井平台仪表阀材料制备不易损坏泄露的阀芯，是当前一个急需解决的问题。技术实现要素：为了克服上述不足，本发明的目的在于提供一种用于海洋钻井平台仪表阀阀芯的合金材料及制作方法，综合考虑各成分的成本，优化各成分之间的比例，找到性价比最高的材料组方，加入稀土金属，能够有效地解决上述问题。为了解决上述技术问题，本发明采取如下的技术方案：一种用于海洋钻井平台仪表阀阀芯的合金材料，仪表阀阀芯为柱塞型结构，其中，合金材料含有的化学元素成分及其质量百分比为：C为0.05％～0.10％，Mn为1.0％～2.0％，S为0.03％～0.04％，P为0.03％～0.04％，Si为0.60％～1.50％，Cr为17.0％～19.0％，N为i9.0％～12.0％，Ti为0.30％～0.60％，Mg为0.40％～1.0％，A为l1.90％～2.20％，Be为0.60％～1.50％，W为0.60％～1.50％，Pb为1.30％～1.70％，Li为0.60％～1.50％，Ru为0.30％～0.40％，Zn为0.60％～1.50％，RE为0.20％～0.90％，其余为Fe。进一步地，RE包括0.10％～0.45％的Nd和0.10％～0.45％的La。更进一步地，合金材料按质量百分比计含有原料组分为：C：0.08％，Mn：2.0％，S：0.035％，P：0.035％，Si：1.0％，Cr：18.0％，Ni：12.0％，Ti：0.36％，Mg：0.50％，Al：2.0％，Be：0.65％，W：0.65％，Pb：1.38％，Li：0.65％，Ru：0.35％，Zn：0.68％，Nd：0.15％，La：0.35％，其余为Fe。本发明的另一目的，在于提供一种用于海洋钻井平台仪表阀阀芯的合金材料的制作方法，其中，包括以下步骤：步骤S01:将待熔炼的Fe、Mn、Cr、Ni、Ti、Mg、Al、Be、W、Pb、Li、Ru、Zn、RE，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为980℃～1050℃条件下熔融；步骤S02:在金属熔融的条件下加入C、S、P、Si，搅拌均匀，并保温40min～50min；步骤S03:在惰性气体加压条件下降温至540℃回火，保温40min～50min，再升温至600℃退火，保温40min～50min，最后降温至室温，得到海洋钻井平台仪表阀阀芯合金材料成品。进一步地，在步骤S01中，烧结的温度为980℃～1000℃时，RE的组成为La。进一步地，在步骤S01中，烧结的温度为1000℃～1050℃时，RE的组成为Nd和La。更进一步地，在步骤S03中，加压的条件为40Mpa～50Mpa。更进一步地，在步骤S03中，熔融金属在惰性气体加压条件下降温速率为40℃/min～50℃/min。更进一步地，惰性气体为氦气或氙气。以下，对本发明中采用的合金材料的成分组成的限定理由进行说明，成分组成中涉及的％指质量％。合金材料的主要成分为：C：0.05％～0.10％，Mn：1.0％～2.0％，S：0.03％～0.04％，P：0.03％～0.04％，Si：0.60％～1.50％，Cr：17.0％～19.0％，Ni：9.0％～12.0％，上述C、Mn、S、P、Si、Cr和Ni形成奥氏体不锈钢的主体，奥氏体不锈钢具有优异的耐蚀性、成型性、相容性以及在很宽温度范围内的强韧性，但其强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化，故在上述C、Mn、S、P、Si、Cr和Ni为主体的材料中添加0.30％～0.60％的Ti、0.60％～1.50％的Be和0.60％～1.50％的W，以增加合金材料的硬度，同时加入稀土金属以改变合金材料耐磨性、韧性和抗氧化性，使阀芯的使用寿命及抗氧化性进一步提高，另外，在上述合金材料的基础上加入0.40％～1.0％的Mg、1.90％～2.20％的Al、1.30％～1.70％的Pb、0.60％～1.50％的Li、0.30％～0.40％的Ru和0.60％～1.50％的Zn，用以进一步改善合金的柔韧性和延展性，起到减缓阀芯与阀门其他部件的摩擦损耗的作用。本发明的优点是：1.本发明通过C、Mn、S、P、Si、Cr、Ni组合为主体形成奥氏体不锈钢材阀芯材料，增加了阀芯的耐腐蚀，耐磨的能力，Cr赋予镍在氧化条件下的抗蚀能力，以及高温下的抗氧化、抗硫化的能力；加Mn提高镍在还原性介质中的耐蚀性，以及在充气的高速流动海水中均匀的钝性；在镍合金中同时加入Cr、S、P、Si元素，可同时改善其在氧化性介质和还原性介质中的耐蚀性；2.本发明通过C、Mn、S、P、Si、Cr、Ni组合为主体形成奥氏体不锈钢材阀芯材料无磁性，同时添加Ti，使得制备的阀芯材料不会被地磁磁化，故所制备的仪表阀门阀芯装备到仪表阀门设备中能提高仪表的准确性；3.本发明通过加入适含量的复合稀土，可明显改善金属坯材的晶型结构，使之坚韧，冷加工性能改善，并可以最大限度地获得稀土元素收得率，并使其在合金内层中均匀分布，明显增加其强度，耐磨性，抗腐蚀性，增加阀芯的吸附性和摩擦力；4.本发明合金对仪表阀阀芯材料中添加Mg、Al、Pb、Li、Ru、Zn，不仅增加了阀芯材料的柔韧性和延展性，起到减缓阀芯与阀门其他部件的摩擦损耗的作用，增加了阀芯的使用寿命，节约了大量的资源，节约成本。具体实施方式以下给出本发明的具体实施例，用来对本发明作进一步详细说明。实施例1原料组分：C：0.08％，Mn：2.0％，S：0.035％，P：0.035％，Si：1.0％，Cr：18.0％，Ni：12.0％，Ti：0.36％，Mg：0.50％，Al：2.0％，Be：0.65％，W：0.65％，Pb：1.38％，Li：0.65％，Ru：0.35％，Zn：0.68％，Nd：0.15％，La：0.35％，其余为Fe。C：0.08％、Mn：2.0％、S：0.035％、P：0.035％、Si：1.0％、Cr：18.0％、Ni：12.0％的组合为主体形成奥氏体不锈钢材阀芯材料，使得阀芯的耐腐蚀、耐磨的能力达到峰值，Cr：18.0％赋予镍在氧化条件下的抗蚀能力，以及高温下的抗氧化、抗硫化的能力；加Mn：2.0％提高镍在还原性介质中的耐蚀性，以及在充气的高速流动海水中均匀的钝性；在镍合金中同时加入S：0.035％、P：0.035％、Si：1.0％元素，可同时改善其在氧化性介质和还原性介质中的耐蚀性，Nd：0.15％，La：0.35％的加入可明显改善金属坯材的晶型结构，使之坚韧，冷加工性能改善，并可以最大限度地获得稀土元素收得率，并使其在合金内层中均匀分布，明显增加其强度，耐磨性，抗腐蚀性，增加阀芯的吸附性和摩擦力；添加Ti：0.36％到奥氏体不锈钢材材料中，进一步提高了材料的抗磁能力，使得制备的阀芯材料不会被地磁磁化，故所制备的仪表阀门阀芯装备到仪表阀门设备中能提高仪表的准确性；Mg：0.50％、Al：2.0％、Pb：1.38％、Li：0.65％、Ru：0.35％、Zn：0.68％，不仅增加了阀芯材料的柔韧性和延展性，起到减缓阀芯与阀门其他部件的摩擦损耗的作用，增加了阀芯的使用寿命。通过如下方法制备：(1)将待熔炼的Fe、Mn、Cr、Ni、Ti、Mg、Al、Be、W、Pb、Li、Ru、Zn、Nd、La，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为1010℃条件下熔融；(2)在金属熔融的条件下加入C、P、S、Si，搅拌均匀，并保温46min；(3)在氦气加压47Mpa条件下，以44℃/min的降温速率冷却至540℃，保温46min，再以44℃/min的升温速率升温至600℃保温46min退火，最后以44℃/min的降温速率降至室温得到海洋钻井平台仪表阀阀芯合金材料成品。在此冶炼工艺条件下制备的阀芯合金材料的各项金属性能都达到峰值，能够很好地将合金原料的各种性能优势组合，同时消除内应力对金属材料的不良影响，适合于在各种海洋条件下的仪表阀门阀芯材料使用，其抗腐蚀倍率是普通阀门阀芯材料的2.08倍，湿磨抗磨性能是普通阀门阀芯材料的1.28倍，硬度达到188HB，屈服强度为515MPa，最低形变温度为300℃。实施例2原料组分：C：0.05％，Mn：1.0％，S：0.03％，P：0.03％，Si：0.60％，Cr：17.0％，Ni：9.0％，Ti：0.30％，Mg：0.40％，Al：1.90％，Be：0.60％，W：0.60％，Pb：1.30％，Li：0.60％，Ru：0.30％，Zn：0.60％，La：0.20％，其余为Fe。C：0.05％、Mn：1.0％、S：0.03％、P：0.03％、Si：0.60％、Cr：17.0％、Ni：9.0％的组合为主体形成奥氏体不锈钢材阀芯材料，保证了阀芯的耐腐蚀、耐磨的能力，Cr：17.0％赋予镍在氧化条件下的抗蚀能力，以及高温下的抗氧化、抗硫化的能力；加Mn：2.0％提高镍在还原性介质中的耐蚀性，以及在充气的高速流动海水中均匀的钝性，此条件下C、Mn、S、P、Si、Cr、Ni的组合形成的奥氏体不锈钢材材料适合近海的水文条件；在合金中同时加入S：0.035％、P：0.035％、Si：1.0％元素，可同时改善其在氧化性介质和还原性介质中的耐蚀性，La：0.20％的加入可明显改善金属坯材的晶型结构，使之坚韧，冷加工性能改善，使其在合金内层中均匀分布，明显增加其强度，耐磨性，抗腐蚀性，增加阀芯的吸附性和摩擦力；添加Ti：0.36％到奥氏体不锈钢材材料中，进一步提高了材料的抗磁能力，能提高仪表的准确性；Mg：0.40％、Al：1.90％、Pb：1.30％、Li：0.60％、Ru：0.30％、Zn：0.60％的加入，不仅增加了阀芯材料的柔韧性和延展性，起到减缓阀芯与阀门其他部件的摩擦损耗的作用，增加了阀芯的使用寿命。通过如下方法制备：(1)将待熔炼的Fe、Mn、Cr、Ni、Ti、Mg、Al、Be、W、Pb、Li、Ru、Zn、La，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为980℃条件下熔融；(2)在金属熔融的条件下加入C、P、S、Si，搅拌均匀，并保温40min；(3)在氦气加压40Mpa条件下，以40℃/min的降温速率冷却至540℃，保温40min，再以40℃/min的升温速率升温至600℃保温40min退火，最后以40℃/min的降温速率降至室温得到海洋钻井平台仪表阀阀芯合金材料成品。在此冶炼工艺条件下制备的阀芯合金材料的材料硬度高，同时消除内应力对金属材料的不良影响，适合于在近海条件下的仪表阀门阀芯材料使用，其抗腐蚀倍率是普通阀门阀芯材料的2.05倍，湿磨抗磨性能是普通阀门阀芯材料的1.26倍，硬度达到186HB，屈服强度为511MPa，最低形变温度为295℃。实施例3原料组分：C：0.10％，Mn：2.0％，S：0.04％，P：0.04％，Si：1.50％，Cr：19.0％，Ni：12.0％，Ti：0.60％，Mg：1.0％，Al：2.20％，Be：1.50％，W：1.50％，Pb：1.70％，Li：1.50％，Ru：0.40％，Zn：1.50％，Nd：0.45％，La：0.45％，其余为Fe。C：0.10％、Mn：2.0％、S：0.04％、P：0.04％、Si：1.50％、Cr：19.0％、Ni：12.0％的组合为主体形成奥氏体不锈钢材阀芯材料，保证了阀芯的耐腐蚀、耐磨的能力，Cr：19.0％赋予镍在氧化条件下的抗蚀能力，以及高温下的抗氧化、抗硫化的能力；加Mn：2.0％提高镍在还原性介质中的耐蚀性，以及在充气的高速流动海水中均匀的钝性，此条件下C、Mn、S、P、Si、Cr、Ni的组合形成的奥氏体不锈钢材材料适合远海的水文条件；在合金中同时加入S：0.04％、P：0.04％、Si：1.50％，可同时改善其在氧化性介质和还原性介质中的耐蚀性，Nd：0.45％，La：0.45％的加入可明显改善金属坯材的晶型结构，使之坚韧，冷加工性能改善，使其在合金内层中均匀分布，明显增加其强度，耐磨性，抗腐蚀性，增加阀芯的吸附性和摩擦力；添加Ti：0.60％到奥氏体不锈钢材材料中，进一步提高了材料的抗磁能力，能提高仪表的准确性；Mg：1.0％、Al：2.20％、Pb：1.70％、Li：1.50％、Ru：0.40％、Zn：1.50％的加入，不仅增加了阀芯材料的柔韧性和延展性，起到减缓阀芯与阀门其他部件的摩擦损耗的作用，增加了阀芯的使用寿命。通过如下方法制备：(1)将待熔炼的Fe、Mn、Cr、Ni、Ti、Mg、Al、Be、W、Pb、Li、Ru、Zn、Nd、La，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为1050℃条件下熔融；(2)在金属熔融的条件下加入C、P、S、Si，搅拌均匀，并保温50min；(3)在氙气加压50Mpa条件下，以50℃/min的降温速率冷却至540℃，保温50min，再以50℃/min的升温速率升温至600℃保温50min退火，最后以50℃/min的降温速率降至室温得到海洋钻井平台仪表阀阀芯合金材料成品。在此冶炼工艺条件下制备的阀芯合金材料的材料抗地磁影响能力强，同时消除内应力对金属材料的不良影响，适合于在远海条件下的仪表阀门阀芯材料使用，其抗腐蚀倍率是普通阀门阀芯材料的2.02倍，湿磨抗磨性能是普通阀门阀芯材料的1.26倍，硬度达到186HB，屈服强度为510MPa，最低形变温度为296℃。实施例4原料组分：C：0.75％，Mn：1.50％，S：0.035％，P：0.035％，Si：1.05％，Cr：18.0％，Ni：10.50％，Ti：0.45％，Mg：0.70％，Al：2.05％，Be：1.05％，W：1.05％，Pb：1.50％，Li：1.05％，Ru：0.35％，Zn：1.05％，Nd：0.28％，La：0.28％，其余为Fe。C：0.75％、Mn：1.50％、S：0.035％、P：0.035％、Si：1.05％、Cr：18.0％、Ni：10.50％的组合为主体形成奥氏体不锈钢材阀芯材料，保证了阀芯的耐腐蚀、耐磨的能力，Cr：18.0％赋予镍在氧化条件下的抗蚀能力，以及高温下的抗氧化、抗硫化的能力；加Mn：1.50％提高镍在还原性介质中的耐蚀性，以及在充气的高速流动海水中均匀的钝性，此条件下C、Mn、S、P、Si、Cr、Ni的组合形成的奥氏体不锈钢材材料适合寒冷区域海洋的水文条件；在合金中同时加入S：0.035％、P：0.035％、Si：1.05％，可同时改善其在氧化性介质和还原性介质中的耐蚀性，Nd：0.28％，La：0.28％的加入可明显改善金属坯材的晶型结构，使之坚韧，冷加工性能改善，使其在合金内层中均匀分布，明显增加其强度，耐磨性，抗腐蚀性，增加阀芯的吸附性和摩擦力；添加Ti：0.45％到奥氏体不锈钢材材料中，进一步提高了材料的抗磁能力，能提高仪表的准确性；Mg：0.70％、Al：2.05％、Pb：1.50％、Li：1.05％、Ru：0.35％，Zn：1.05％的加入，不仅增加了阀芯材料的柔韧性和延展性，起到减缓阀芯与阀门其他部件的摩擦损耗的作用，增加了阀芯的使用寿命。通过如下方法制备：(1)将待熔炼的Fe、Mn、Cr、Ni、Ti、Mg、Al、Be、W、Pb、Li、Ru、Zn、Nd、La，加入水冷铜坩埚的真空室内，抽真空，在烧结温度为1000℃条件下熔融；(2)在金属熔融的条件下加入C、P、S、Si，搅拌均匀，并保温45min；(3)在氙气加压45Mpa条件下，以45℃/min的降温速率冷却至540℃，保温45min，再以45℃/min的升温速率升温至600℃保温45min退火，最后以45℃/min的降温速率降至室温得到海洋钻井平台仪表阀阀芯合金材料成品。在此冶炼工艺条件下制备的阀芯合金材料的材料抗寒能力强，同时消除内应力对金属材料的不良影响，适合于在寒冷区域海洋条件下的仪表阀门阀芯材料使用，其抗腐蚀倍率是普通阀门阀芯材料的2.03倍，湿磨抗磨性能是普通阀门阀芯材料的1.27倍，硬度达到185HB，屈服强度为511MPa，最低形变温度为297℃。实验例1抗磨性对比试验：本发明实施例1～4材料与普通仪表阀阀芯合金材料在射流式冲刷腐蚀磨损试验机上做浆料(石英砂+水)湿磨试验，并作材料的抗腐蚀试验，性能见表1。表1抗磨性及硬度对比试验结果实验例2将本发明实施例1～4材料与普通仪表阀阀芯材料相比较，其性能结果如下表2。表2性能比较实验例3将本发明实施例1～4材料与普通仪表阀阀芯材料磁性相比较，其性能结果如下表3。表3磁性比较合金材料磁性实施例1无磁性实施例2无磁性实施例3无磁性实施例4无磁性普通仪表阀阀芯合金材料弱磁性由上述试验例可见，本发明合金材料的各项性能均高于普通仪表阀阀芯合金材料，制备本发明合金的特殊材料用量少，相对成本低，更加适合用于海洋钻井平台仪表阀阀芯合金材料。以上仅为本发明的优选实施例及实验例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 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