专利名称：新型无磁钻铤用钢及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种新型无磁钻铤用钢及制备方法，属于奥氏体钢技术领域。
背景技术：
目前，在石油、天然气、煤层气的钻探过程中，经常使用无磁钻铤，该材料具有极低的磁导率，良好的机械性能和抗腐蚀性，其用途是为测井仪器提供一个不受钻柱磁场影响的测量环境。使用时将高灵敏传感器安装在无磁钻铤的内孔中，随普通钻杆、钻铤下到井底，钻井过程中将井眼磁方位角、井下钻压、扭矩以及地层电阻率、中子等测井信息传输到地面，使司钻和地质专家能有效地"看"到井下实时发生的情况，从而提高钻探的成功率、保证钻井的质量。
无磁钻铤外径尺寸小79. 4 小279. 4mm，长度9150mm或9450mm，选用奥氏体型不锈钢，由于组织是单一奥氏体组织，其基体为面心立方晶体结构，具有良好的耐蚀性、低温韧性、压力加工和无磁性。目前市场上所使用的无磁钢材料都是高镍铬不锈钢，其成分中镍含量较高，导致其价格昂贵；加工处理后机械性能指标低，无法满足正常钻井的需要。特别是近阶段随着超深水平井、大位移井和海洋深海钻井技术的发展，油田对井眼轨迹的控制提出了更高的要求。无磁钻铤用钢的强度、硬度、磁性能等技术指标均提出了更苛刻的要求。采用常规奥氏体型化学成分和加工方法生产的产品无法满足钻探要求。
发明内容
本发明的目的是要制造一种价格低廉，加工性能好，工艺易操作、抗晶间腐蚀的新型无磁钻铤用钢，并提供该无磁钻铤用钢的制备方法。
该新型无磁钻铤用钢，为Cr-Ni-Mn-N系合金，牌号022Crl6Ni2Mn20N的奥氏体不锈钢，其化学成分按重量计为C《0.03%， Si《1.00%， Mnl8 22%， P《0. 045%， S《0. 03%，Crl3. 0 18. 5%， Mo 0. 4 0. 8%， Ni 0. 4 3. 0%， N 0. 25 0. 60%， Nb《0. 10%。
所述新型无磁钻铤用钢，其化学成分优选值按重量计为C《0.03%， Si 0.2 0.6%，Mnl8.5 20%， P《0. 04%， S《0. 01%， Crl6. 5 18. 5%， MoO. 4 0. 8%， Nil.0 1.5%， N0. 45 0. 60%， Nb《0. 10%。
该奥氏体型不锈钢是由单一的奥氏体组织组成，&含量较高》12%，同时填加了镍、锰和氮等奥氏体形成元素，熔炼工艺采用电炉初炼钢水、氮氧脱碳精炼炉和电渣重熔炉三级精炼，熔炼过程中充分脱氧、脱碳、脱磷和脱硫，清除钢中的气体和非金属夹杂物，使钢的成分更加稳定和均匀。因此该钢种具有良好的耐蚀性、压力加工和无磁性。原材料采用廉价高碳铬铁代替低碳铬，用锰和氮代替部分镍，属于节镍型钢种，大幅度降低了不锈钢的成本。
本发明以废钢、高碳铬铁、低磷废钢、硅铁及其它金属为原料，熔炼浇注成铸锭，熔炼后需经以下锻造强化过程
(1) 开坯锻造将无磁钢铸锭放入台车加热炉中加热到1100 120(TC，保温6 8小时，在2500吨水压机或油压机上镦粗，再拔长到所需尺寸；
(2) 切头粗车在机床上将两端有裂纹的余料部分切除，并对外圆部分进行粗车；
(3) 锻打强化随后对工件进行强化锻打，锻造温度在650 85(TC时，首先轻锻、修光和精整；当温度降到350 65(TC，保持快速重锻形变强化处理，终锻温度控制在35(TC，锻后要迅速冷却，浇水冷却至30(TC以下。由于锻件内热外冷，有较好的"模壳效应"，有利于压实内部材料，使材料组织成分致密，防止晶粒粗大。靠位错、缠结、晶粒畸变等微观组织变异使强化后的机械性能指标大幅度提高。锻造比》3;
开坯锻造温度最好在1150 120(TC，锻造强化温度优选在750 85(TC，形变强化处理温度优选在400 650。C;
(4) 试验分析无损探伤合格后，在钻铤锻件上锯切试样，进行机械性能、晶间腐蚀试
验和磁性能等项目检测，符合产品API美国石油学会和中国石油天然气行业标准要求。
该新型无磁钻铤用钢的有益效果是
1. 具有较强的抗晶间腐蚀性能，完全满足GB/T4334-2008和ASTM A262-08检测奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感度的标准方法；
2. 机械性能指标抗拉强度高于API标准10 20。/。，冲击功达到150J以上，高于石油天然气行业标准两倍；
3. 具有良好的锻压、机械加工等性能，也可用于加工制造无磁稳定器、无磁加重钻杆、无磁承压钻杆、无磁悬挂短节等产品；
4. 磁性能好，相对磁导率U r可控制在1.005以下(标准l.Ol);
5. 原材料可采用废钢、高碳铬铁、低磷废钢、硅铁及其他金属为原料，来源充足，价格低廉；
6. 即使进行深加工，也会保持良好的磁性能。
具体实施方式
以下介绍本发明的实施例。实施例l:小79. 4X9800mm无磁钻铤用钢化学成分按重量计为C 0.03%， SiO. 2%， Mnl8.5%， P0.036%， SO. 008%， Crl6. 5%， MoO. 40%， Nil.0%， N 0. 45%， NbO. 10%。以废钢、 高碳铬铁、低磷废钢、硅铁及其它金属为原料，采用电炉初炼钢水、氮氧脱碳精炼炉、电渣 重熔炉三级精炼，熔炼浇注成铸锭后，锻造强化，包括以下步骤
(1) 开坯将无磁钢铸锭3吨锭型，放入台车加热炉中加热到115(TC后，保温6小时，在 2500吨水压机或油压机上镦粗成小1200mm，再拔长到小500 X 1500mm;
(2) 切头粗车在机床上将两端有裂纹的余料部分切除，按图纸要求对外圆部分进行粗 车见光，锯切成三段小500 X 500mm;
(3) 锻打强化将锻坯放入台车加热炉中加热到115(TC后，在大吨位锻锤上首先对锻件 进行拔长成小150X5000mm。随后对工件进行强化锻打，锻造温度在80(TC时，进行轻锻、修 光、精整，保证加工余量20%;当温度降到60(TC以下时，保持快速重锻，保证尺寸符合小 90X9800mm，终锻温度控制在35(TC ，锻后要迅速浇水冷却至30(TC以下，锻造比为30;
(4) 试验分析无损探伤合格后，在钻铤锻件上锯切试样，进行机械性能、晶间腐蚀试验 和磁性能等项目检测，测试结果屈服强度980Mpa、抗拉强度1050Mpa、伸长率32%、断面收 縮率52%、冲击功160J、布氏硬度340HBW;晶间腐蚀试验结果合格；相对磁导率1.0016。
实施例2:小165. IX9800mm无磁钻铤用钢化学成分按重量计为:C 0.02%， Si 0.40%， Mn 19.0%， P0.032%， SO. 006%， Crl7. 0%， MoO. 60%， Nil. 26%， NO. 55%， Nb 0.09%。原料经 熔炼工艺浇注成铸锭后，锻造强化包括以下步骤
(1) 开坯将无磁钢铸锭3吨锭型，放入台车加热炉中加热到120(TC后，保温7小时，在 2500吨水压机或油压机上镦粗成小1200mm，再拔长到小500 X 1500mm;
(2) 切头粗车在机床上将两端有裂纹的余料部分切除，按图纸要求对外圆部分进行粗 车见光；
(3) 锻打强化将锻坯放入台车加热炉中加热到118(TC后，在大吨位锻锤上首先对锻件 进行拔长成小250X5000mm。随后对工件进行强化锻打，锻造温度在84(TC时，进行轻锻、修 光、精整，保证加工余量20%;当温度降到64(TC以下时，保持快速重锻，保证尺寸符合小 175X9800mm，终锻温度控制在35(TC ，锻后要迅速浇水冷却至30(TC以下，锻造比为8;
(4) 试验分析无损探伤合格后，在钻铤锻件上锯切试样，进行机械性能、晶间腐蚀试 验、磁性能等项目检测，测试结果屈服强度970Mpa、抗拉强度1040Mpa、伸长率28%、断面 收縮率54%、冲击功155J、布氏硬度336HBW;晶间腐蚀试验结果合格；相对磁导率1.0025。
实施例3:小279. 4X9800mm无磁钻铤用钢化学成分按重量计为C 0.02%， Si 0.6%，. 80%， Nil. 5%， NO. 60%， Nb 0.10%。原料经熔炼工 艺浇注成铸锭后，锻造强化包括以下步骤
(1) 开坯将无磁钢铸锭7吨锭型，放入台车加热炉中加热到120(TC后，保温8小时，在 2500吨水压机或油压机上镦粗成小1500mm，再拔长到小550 X 3000mm;
(2) 切头粗车在机床上将两端有裂纹的余料部分切除，按图纸要求对外圆部分进行粗 车见光；
(3) 锻打强化将锻坯放入台车加热炉中加热到120(TC后，在大吨位锻锤上首先对锻件 进行拔长成小320X4500mm。随后对工件进行强化锻打，锻造温度在85(TC时，进行轻锻、修 光、精整，保证加工余量20%;当温度降到65(TC以下时，保持快速重锻，保证尺寸符合小 290X9800mm，终锻温度控制在35(TC ，锻后要迅速浇水冷却至30(TC以下，锻造比为3;
(4) 试验分析无损探伤合格后，在钻铤锻件上锯切试样，进行机械性能、晶间腐蚀试 验、磁性能等项目检测，测试结果屈服强度920Mpa、抗拉强度1050Mpa、伸长率33%、断面 收縮率56%、冲击功160J、布氏硬度333HBW;晶间腐蚀试验结果合格；相对磁导率1.0026。
权利要求
1.一种新型无磁钻铤用钢，为Cr-Ni-Mn-N系合金，其化学成分按重量计为C≤0.03％，Si≤1.0％，Mn18～22％，P≤0.045％，S≤0.03％，Cr13.0～18.5％，Mo0.4～0.8％，Ni0.4～3.0％，N0.25～0.60％，Nb≤0.10。
2. 根据权利要求l所述的无磁钻铤用钢，其特征在于其化学成分按重量计为C《0.03%， Si《0.2 0.6%， Mnl8. 5 20%， P《0. 04%， S《0. 01%， Crl6. 5 18.5%， Mo0.4 0.8%， Nil.0 1.5%， NO. 45 0. 60%， Nb《0. 10。
3. 一种新型无磁钻铤用钢的制备方法，包括熔炼和锻造强化，其特征在于所述锻造强化步骤如下(1) 开坯锻造将无磁钢铸锭加热至1100 120(TC，保温6 8小时；(2) 切头粗车切除料头裂纹，粗车外圆；(3) 锻造强化锻造温度650 85(TC时，轻锻精整；温度至350 65(TC ，快速重锻形变强化处理，锻后快冷，锻造比》3;(4) 试验分析无损探伤合格后，取样进行机械性能、晶间腐蚀和磁性能等项目检测。
4. 根据权利要求3所述的无磁钻铤用钢的制备方法，其特征在于所述熔炼工艺采用电炉初炼钢水、氮氧脱碳精炼炉、电渣重熔炉三级精炼。
5. 根据权利要求3所述的无磁钻铤用钢的制备方法，其特征在于所述开坯锻造温度在1150 120(TC，所述锻造强化温度在750 85(TC。
6. 根据权利要求3所述的无磁钻铤用钢的制备方法，其特征在于所述形变强化处理温度在400 65(TC 。
7. 根据权利要求3所述的无磁钻铤用钢的制备方法，其特征在于所述形变强化处理锻后迅速浇水冷却至30(TC以下。
全文摘要
本发明公开了一种新型无磁钻铤用钢及制备方法，无磁钻铤用钢化学成分按重量计为C≤0.03％，Si≤1.0％，Mn18～22％，P≤0.045％，S≤0.03％，Cr13.0～18.5％，Mo0.4～0.8％，Ni0.4～3.0％，N0.25～0.6％，Nb≤0.10。以废钢、高碳铬铁、低磷废钢、硅铁等为原料，采用电炉初炼钢水、氮氧脱碳精炼炉、电渣重熔炉三级精炼，浇注成铸锭，并经开坯拔长、切头粗车、锻造强化等步骤。该用钢具有较强的抗晶间腐蚀性能，完全满足GB/T 4334-2008和ASTM A262-08检测奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感度的标准方法；抗拉强度高于API标准10～20％，冲击功达到100J以上，高于石油天然气行业标准两倍；磁性能好，相对磁导率μr可控制在1.005以下(标准1.01)；具有良好的锻压、机械加工等性能，也可用于加工无磁稳定器、无磁加重钻杆、无磁承压钻杆、无磁悬挂短节等产品。
文档编号C22C38/58GK101660109SQ20091030779
公开日2010年3月3日 申请日期2009年9月26日 优先权日2009年9月26日
发明者张建刚, 张清明, 牛战波, 谢世龙 申请人:河南神龙石油钻具有限公司