专利名称：一种油气管线用高强韧超级马氏体不锈钢及其制备方法
技术领域：
本发明涉及金属材料领域，尤其涉及超级马氏体不锈钢。
背景技术：
石油和天然气属国家战略资源，特别是随着我国工业化进程的加快和人民生活水 平的日益提高，相应的对能源的需求量也急剧增长，能源短缺已成为制约国家经济发展的 主要因素之一。为了缓解我国日益严重的油气供需比矛盾及进一步拓展石油、天然气的开 采区域，我国已将石油、天然气的重点开采区域从中东部向西部以及海洋领域转移。然而， 该类区域的油气开采条件与以往的开采区域具有很大的差异，例如新疆多为深井和超深井 (塔里木平均井深达5000多米)，井下开采环境较为恶劣且环境温度也逐渐升高。由于使 用的套管在工作中不但要承受套管柱产生的拉力，还要承受地层蠕动等而产生的挫断力、 射孔带来的开裂力等，因此深井和超深井条件下对所用材料的强度和韧性也提出了更高的 要求。通常410或420马氏体不锈钢能满足一般油气井用套管和油管所要求的强 度，却不能达到深井、超深井中所要求不低于759MPa的屈服强度，且韧性偏低，从而在 管道作业循环中常出现破裂造成意外事故。为了解决上述问题，提出改进型的马氏 体不锈钢，在机械强度、耐蚀性等方面有一定的提高，但是还不能取得令人满意的结 果。如CN1255569C和CN1257994C中需要添加昂贵的钛、稀土元素、镍的含量也较高， 因此成本相对较高。在CN1250761C中采用二次回火，增加了热处理工艺的复杂性。在 CN101078088 (200610046693. 3)中采用淬火+低温回火，进行稳定化时效处理的工艺，但是 需要长时间时效处理，增加了工业化生产周期。随着A0D/V0D精炼技术的发展，钢中碳含 量进一步降低(最低可降到0. 01% )，合金成分进一步优化成为可能，再采取适当的热处理 工艺，使钢的性能得到显著提高，因此本发明采用超级马氏体不锈钢的新型钢种可以替代 传统的410或420马氏体不锈钢。出于生产安全方面的考虑，在深井、超深井中往往使用双相不锈钢，一些特殊部件 甚至要求使用超级双相不锈钢。然而，超级马氏体不锈钢具有优异的综合力学性能，不会造 成没有必要的性能浪费，而且更主要的是相对于双相不锈钢和其它耐蚀合金它更经济。因 此，在石油天然气行业中推广使用超级马氏体不锈钢是可行的，进一步提高超级马氏体不 锈钢的强韧性可以扩大其在深井、超深井中的应用。
发明内容
考虑到现有技术的不完善，本发明的目的是提供一种油气管线用高强韧超级马氏 体不锈钢及其制造方法，可以满足在深井、超深井中使用的管材线材所要求的强度和韧性。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现—种油气管线用高强韧超级马氏体不锈钢及其制造方法，其特征在于，该超级马 氏体不锈钢的化学成分(质量％ )为C:0.01 0.03%、Si:0.5% l%、Mn:0.2% 2. 0%、Cr :11· 0% 17. 0%、Ni :5· 0% 8. 0%、Mo :0· 5% 3. 5%、P 彡 0. 015%、S (0. 035%,N 0. 02% 0. 08%,Nb :0. 02% 0. 5%、W :< 0. 1%、剩余部分由 Fe 及不可避
免杂质组成。上述的超级马氏体不锈钢具有以下力学性能屈服强度Rpa2彡759MPa，抗拉强度 Rm彡827MPa，延伸率A彡22%，硬度HRC彡30。具体各元素作用如下(I)Cr 的影响Cr是的主要合金元素，能够强化铁素体形成和缩小奥氏体相区，对耐蚀性起着决 定作用。在C含量一定的条件下，随着Cr含量的增加，在热处理后会形成部分高温铁素体 组织，这种铁素体的存在会影响钢的塑性，降低钢的强度并恶化钢的耐蚀性。在保证淬透性 的基础上，Cr含量的提高使钢的耐腐蚀性能增强，当Cr与Mo配合使用时，其耐蚀性更好。 因此Cr含量应当设置为10. 0% 20. 0%，优选范围应当为11.0% 17.0%。(2) Ni 的影响Ni是钢中重要的合金元素。Ni可以扩大Fe-Cr 二元合金奥氏体相区和奥氏体加 铁素体双相区，使C含量较低的钢具有很好的淬火能力，并且由于M的存在，可使钢的Cr 含量向高Cr方向移动，即钢中的Cr可以提高而不至形成单一的铁素体组织，提高了钢的耐 蚀性，M的另一个作用是降低钢中S-铁素体含量，效果明显。然而，过高的镍将使钢转变 成奥氏体组织而失去淬透性。此外，M含量过多，冷却时会导致残余奥氏体的形成，从而得 不到全马氏体组织，使时效后的强度降低。由于镍的价格较高导致生产成本升高。所以将 Ni的含量设为3.0% 10. 0%，更优选的是5.0% 8.0%。(3)Mo 的影响Mo的主要作用是增加回火稳定性和强化二次硬化效应，同时增加钢的强度和提高 耐点蚀性能，并且不降低韧性。由于Mo是铁素体形成元素且改善回火稳定性，所以将Mo的 含量设为0. 5% 3. 5%。(4) C 的影响C是一种扩大奥氏体相区元素，与Ni的作用相似，其对钢的力学性能影响主要表 现为强度和硬度随C含量的增加而提高，韧性随C含量的增加而降低，当C含量超过0. 1 % 时导致钢的耐腐蚀能力急剧恶化，因此为满足高强度、高韧性和良好的耐蚀性，最根本的途 径是降低碳含量。而超低碳可以减少Cr的碳化物的形成，有利于保持钢的韧性和耐蚀性。 因而碳含量应当设置为0. 01 % 0. 1 %，为减少Ni的使用量，C含量不低于0. 01 %，优选的 范围应当是0.01% 0. 03%。(5) N 的影响N的影响类似于C，它是促奥氏体形成元素，是一种廉价的强化元素，其强化效果 高于碳。N可以明显增加钢的屈服强度，在某些条件下可提高耐蚀性，并且对钢的回火脆性 也有重要的影响，所以将N的含量设为0. 02 0. 08%。(6) S 的影响S是影响钢的抗氢致裂纹能力和抗硫化物应力腐蚀断裂能力的主要元素。其导致 钢各向异性，在横向和厚度方向上韧性恶化，影响管线钢的低温冲击韧性。因此，硫含量是 管线钢要求最为苛刻的指标，所以将S的含量设为0. 035%以下。
(7) P 的影响P能显著降低钢的低温冲击韧性，提高钢的脆性转变温度，使钢管发生冷脆。当P 含量大于0.015%时，磷的偏析也会急剧增加。因此将P的含量设为0.015%以下。(8) Si 的影响Si的主要作用是脱氧，当含量低于0.5%时使脱氧效果变差，含量高于时降低 钢的刚度和耐蚀性，因此将Si的含量设为0. 5% 1%。(9) Mn 的影响Mn通过固溶强化来提高钢的硬度，Mn的含量< 2. 0%时，钢的强度随Mn含量的增 加而提高，而冲击韧性下降的趋势甚小，且不影响其脆性转变温度，因此将Mn的含量设为 0. 2% 2. 0%。(10) Nb、W微量元素的影响Nb、W是作为提高钢强韧性的微合金化元素而加入到钢中，通过晶粒细化和沉淀硬 化来影响钢的性能。它们可以产生显著的晶粒细化及中等程度的沉淀强化作用，并可改善 低温韧性。它们可以与C形成稳定的碳化物，避免“贫铬”现象产生，可以提高抗腐蚀性。所 以Nb含量为0. 02% 0. 5%，W含量小于0. 1%。上述一种油气管线用高强韧超级马氏体不锈钢的制造方法，其特征在于⑴冶炼、铸造；(2)锻造或热轧成型初始成型温度为1100°C 1200°C，终成型温度900°C IOOO0C ；(3)淬火工艺淬火温度960°C 1050°C，保温时间0. 5 lh，空冷；(4)回火工艺回火温度570°C 650°C，升温速率10 20°C /min，保温时间2
4h，空冷至室温。本发明超级马氏体不锈钢经淬火和回火处理后在室温下的典型组织为低碳回火 板条马氏体和逆变奥氏体复相组织，如图1所示。低碳回火板条马氏体本身具有很高的强 度和韧性，更重要的是，细小弥散分布于回火板条马氏体之间的逆变奥氏体相是很好的、韧 性相。因此，超级马氏体不锈钢具有很高的强度和良好的韧性。通过添加钨铌等元素细化 回火马氏体的晶粒来改善超级马氏体不锈钢的性能。本发明与现有技术相比，具有如下有益效果1.本发明中关于化学成分质量百分配比的设计避免使用许多贵金属，降低了生产 成本，使产品的价格受原材料价格波动的影响小。2.本发明生产的超级马氏体不锈钢所需热处理工艺简单，能有效的缩短工业化生 产时间，提高生产效率。3.本发明生产的超级马氏体不锈钢同时具备高的强度和韧性，更加适用于深井， 超深井油气管线材和原油，天然气的输送设备。
图1为发明钢经过1000°C X0. 5h水冷淬火+630°C X2h回火冷却至室温后的光
学显微镜组织。图2为发明钢经过1000°C X0. 5h水冷淬火+630°C X2h回火冷却至室温后的扫描电镜组织。
具体实施例方式下面结合实施列对本发明作进一步说明。实施例1一种油气管线用高强韧超级马氏体不锈钢，其主要化学成分(质量％)为C: 0. 014%, Si 0. 19%, Mn 0. 59 %, Cr 13. 86 Ni 5. 06%, Mo 1. 92%, P 0. 013%, S 0. 015%, N 0. 06%, Nb 0. 06、W :0. 04%、剩余部分由Fe及不可避免杂质组成。上述超级马氏体不锈钢的制造方法包括将上述成分的材料冶炼、铸造，锻造或轧 制初始温度为1200°C，终成型温度950°C，再经热处理后即可成型；该热处理工艺包括(1) 淬火，加热至980°C保温0. 5小时，空冷；(2)回火，缓慢加热至590°C，保温2小时，然后空 气中冷却至室温，即可精加工，从而得到高强韧超级马氏体不锈钢。采用上述化学成分材料及方法得到的超级马氏体不锈钢力学性能如下RPa2 = 81 OMPa, Rm = 940MPa, A = 23. 5%，HRC = 26。实施例2一种油气管线用高强韧超级马氏体不锈钢，其主要化学成分(质量％)为C: 0. 024%, Si 0. 68 %, Mn 0. 74 %, Cr 12. 81 Ni 6. 41 Mo 2. 44%, P 0. 012%, S 0. 02%,N 0. 04%, Nb 0. 20%,ff 0. 03%、剩余部分由Fe及不可避免杂质组成。上述超级马氏体不锈钢的制造方法包括将上述成分的材料冶炼、铸造，锻造或轧 制初始温度为1200°C，终成型温度950°C，再经热处理后即可成型；该热处理工艺包括(1) 淬火，加热至1000°C保温0. 5小时，空冷；(2)回火，缓慢加热至620°C，保温2小时，然后空 气中冷却至室温，即可精加工，从而得到高强韧高耐蚀性的超级马氏体不锈钢。采用上述化学成分材料及方法得到的超级马氏体不锈钢力学性能如下RPa2 = 840MPa, Rm = 980MPa, A = 22%，HRC = 28。
权利要求
一种油气管线用高强韧超级马氏体不锈钢及其制造方法，其特征在于，该超级马氏体不锈钢的化学成分(质量％)为C0.01％～0.03％、Si0.5％～1.0％、Mn0.2％～2.0％、Cr11.0％～17.0％、Ni5.0％～8.0％、Mo0.5％～3.5％、P≤0.015％、S≤0.035％、N0.02％～0.08％、Nb0.02％～0.5％、W＜0.1％，剩余部分由Fe及不可避免杂质组成。
2.根据权利要求1所述的一种油气管线用高强韧超级马氏体不锈钢，其特征在 于，所述的超级马氏体不锈钢具有以下力学性能屈服强度Rpa2 ≥ 759MPa，抗拉强度 Rm彡827MPa，延伸率A≥22%，硬度HRC≤30。
3.—种权利要求1所述的油气管线用高强韧超级马氏体不锈钢的制造方法，其特征在于(1)冶炼、铸造；(2)锻造或热轧成型初始成型温度为1100°C 1200°C，终成型温度900°C 1000°C；(3)淬火工艺淬火温度960°C 1050°C，保温时间0.5 lh，空冷；(4)回火工艺回火温度570°C 650°C，升温速率10 20°C/min，保温时间2 4h，空冷至室温。
全文摘要
本发明涉及一种油气管线用高强韧超级马氏体不锈钢及其制造方法，该超级马氏体不锈钢的化学成分(质量％)为C0.01％～0.03％、Si0.5％～1％、Mn0.2％～2.0％、Cr11.0％～17.0％、Ni5.0％～8.0％、Mo0.5％～3.5％、P≤0.015％、S≤0.035％、N0.02％～0.08％、Nb0.02％～0.5％、W＜0.1％，剩余部分由Fe及不可避免杂质组成。该超级马氏体不锈钢的制造方法包括冶炼、铸造、锻造或轧制、淬火和回火等工艺步骤。此钢材可作为深井、超深井油气管线材料和原油、天然气的输送设备材料。
文档编号C22C38/58GK101956146SQ20101050508
公开日2011年1月26日 申请日期2010年10月12日 优先权日2010年10月12日
发明者乔圆圆, 王铎, 王鸿波, 邹德宁, 陈治毓, 韩英 申请人:西安建筑科技大学