一種高強高硬耐海洋腐蝕無磁鋼的鑄造方法
【專利摘要】本發明公開了一種高強高硬耐海洋腐蝕無磁鋼的鑄造方法，屬于合金材料領域，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爐，熔化溫度在1450℃-1550℃，充分融化后向熔煉爐中依次加入原料鎳、鉻鐵、釩鐵和鈮鐵，控制各組分元素含量配比達到所需，熔清后，爐溫達到1550－1580℃時，脫氧、脫氫、脫氮，將脫氧劑壓到爐內深處，再加入鈦鐵，金屬液面此時用覆蓋劑蓋嚴，隔斷外界空氣，稀土硅鐵合金加入鋼包內。本發明是一種既無磁，也防海洋腐蝕且具備較高強度和硬度的新無磁鋼的鑄造方法。
【專利說明】一種高強高硬耐海洋腐蝕無磁鋼的鑄造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于合金材料制備領域，尤其涉及海洋石油勘探用材料，特別是海洋石油勘探測井車滾筒用耐海洋腐蝕防磁鋼的制備。
【背景技術】
[0002]目前，國內外石油工業測井車、測井拖撬等設備滾筒均用ZG3Mnl9Cr4無磁鋼制造，無磁鋼的冶煉及加工技術在國內已經十分成熟。但是，該材料在使用過程中強度和耐磨性不能滿足使用要求，特別是在海洋環境下工作，其耐腐蝕的能力顯著不足，不僅影響了滾筒的外觀質量，同時極大的影響了滾筒的使用壽命，導致測井車滾筒更換頻率的增加。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于:提出一種既無磁，也防海洋腐蝕且具備較高強度和硬度的新無磁鋼的鑄造方法。
[0004]本發明目的通過下述技術方案來實現:
一種高強高硬耐海洋腐蝕無磁鋼的鑄造方法，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到所需，熔清后，爐溫達到1550 - 1580°C時，脫氧、脫氫、脫氮，將脫氧劑壓到爐內深處，再加入鈦鐵，金屬液面此時用覆蓋劑蓋嚴，隔斷外界空氣，稀土硅鐵合金加入鋼包內。
[0005]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
[0006]作為選擇，所述加入的鈦鐵直徑3_5mm。
[0007]作為選擇，所述加入的稀土娃鐵合金直徑2_5mm。
[0008]作為選擇，所述脫氧劑采用鋁絲、S1-Ca合金或SiC。
[0009]前述高強高硬耐海洋腐蝕無磁鋼進一步的熱處理方法，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時進入熱處理爐內；
(2)升溫到600?650°C，升溫速率為80?100°C/h，恒溫2?3小時；
(3)升溫到1050?1080°C，升溫速率為80?100°C/h，恒溫5?6小時；固溶處理.經焊接組合及機加工后進行穩定化熱處理，其過程如下:
Cl)升溫到600?630°C，升溫速率為100?120°C /h，恒溫2?3小時；
(2)升溫到820?850°C，升溫速率為100?120°C /h，恒溫6?8小時隨爐冷至室溫，結束。
[0010]采用前述鑄造方法的高強高硬耐海洋腐蝕無磁鋼，各組分及其重量百分比為:
C0.25% ?0.35%,
Si0.7% ?1.00%,Mn0.50% ~1.50%,
Cr17.00% ~19.00%,
Ni11.00% ~13.00%，
Mo2.00% ~2.50%,
V0.45% ~0.55%,
Ti0.13% ~0.18%,
Nb0.10% ~0.15%,
RE0.13% ~0.18%,
Fe61.59% ~67.74%。
[0011]所述Fe包括微量雜質，如P、S等，含量通常控制在0.04%以下。
[0012]作為選擇，各組分及其重量百分比為:
C:0.30%, Si:0.80%, Mn:0.85%, Cr:18.00%, Ni:12.00%, Mo:2.00%, V:0.50%, Nb:
0.15%, T1:0.15%, RE:0.15%, Fe:65.1%。
[0013]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%。
[0014]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。
[0015]本申請發明人針對現有無磁鋼的使用考察和了解以及對失效滾筒的分析研究，得出了防磁鋼滾筒首先應保證有較高的強韌性和耐磨性，以及無磁性，然后再解決耐蝕性。本發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定化處理。保證了導磁率小于1.05高斯，強度和硬度完全符合滾筒使用要求。
[0016]上述化學成份中，Fe是鐵的化學符號；C是碳的化學符號，是耐蝕防磁鋼中的主要成份；Si是硅的化學符號；Mn是錳的化學符號；Cr是鉻的化學符號，是耐蝕防磁鋼中的主要成份；Ni是鎳的化學符號，是耐蝕防磁鋼中的主要成份；Mo是鑰的化學符號，是耐蝕防磁鋼中的主要成份^是釩的化學符號；Ti鈦的化學符號；Nb是鈮的化學符號；RE是混合稀土的化學符號。
[0017]一.成份的設計:
1)鉻(Cr):是本發明材料中獲得耐腐蝕性的主要元素，它在氧化介質中能使鋼很快生成一層氧化膜，防止金屬基體繼續破壞，當鉻含量大于13%時與鎳、鑰元素結合使鋼耐腐蝕性能發生一個突躍式的突變。
2)鎳(Ni):是本發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定奧氏體組織，從而獲得強度高、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械性能及工藝性能。
[0018]3)鑰(Mo):能增加本發明材料的鈍化作用和耐腐蝕性能，特別在氯離子介質中鉻的鈍化作用不夠的情況下作用更為明顯。[0019]4)釩(V)是本發明材料中的特選元素與碳反應形成碳化合物，這類化合物在本發明材料中以細小的顆粒形成晶核，可細化鋼的晶粒，提高沖擊韌性，增加回火穩定性，并有強烈二次硬化作用。釩的碳化合物是金屬碳化合物中最硬最耐磨的，因此可提高本發明材料的耐磨性。經熱處理后的釩碳化合物以細小的顆粒彌散分布在奧氏體晶粒內來提高本發明材料的蠕變和持久強度。但釩含量過高會增加鋼的脆性，因此釩的含量控制在0.45%~
0.55%。
[0020]5)鈦(Ti)是本發明材料中的新增元素能細化鋼的晶粒，以碳化合物的形式存在，能提高淬透性和回火穩定性，并有二次硬化作用。經熱處理后的鈦碳化合物能析出彌散分布的拉氏相TiFe2而起到時效強化作用，提高本發明材料的蠕變和持久強度。但鈦的含量過高會降低鋼的流動性，嚴重影響鋼的鑄造質量，因此鈦的含量控制在0.13%~0.18%。
[0021]6)鈮(Nb)是本發明材料中的特選元素，進入固溶體中，固溶強化作用很強，當固溶于奧氏體時顯著提高鋼的淬透性，細化晶粒，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度，由于細化晶粒的作用能提高鋼的沖擊韌性并降低脆性轉變溫度，在奧氏體中能起到固定鋼中碳的沉淀硬化作用，提高鋼的蠕變強度及屈服強度。由于鈮稀缺昂貴，所以含量控制在0.10%~0.15%。
[0022]7)混合稀土(RE):稀土有工業“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、改善鑄態組織，高熔點的稀土化合物在鋼液中形成固態質點.成為結晶核心，加快鋼液的凝固速度.細化晶粒使鑄態柱狀晶變細枝間碳化 物變小、改善碳化物不均勻性。實驗表明。本發明材料中加入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，有效改善鑄造組織和冶金質量，提高鋼的強韌性和耐磨性。
[0023]8)碳(C):是本發明中提高材料強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度和耐磨性，因而在不影響材料導磁率的情況下碳含量選定在0.25-0.35%。
[0024]本發明的有益效果:
1)無磁性:導磁率小于1.05高斯；
2)耐腐蝕:完全能承受海水及海上空氣的腐蝕；
3)有較高的綜合機械性能:強度和硬度均能滿足滾筒使用要求；
4)有良好的加工性能:焊接性能和機械加工性能。
[0025]5)現場應用:于2010年5月試驗樣品件用于測試至今還未出現銹蝕剝落和變形以及明顯的磨損痕跡，使用周期相比現有材料會達到大幅度提高。
[0026]機械性能表
【權利要求】
1.一種高強高硬耐海洋腐蝕無磁鋼的鑄造方法，其特征在于依次包括以下步驟: 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到所需，熔清后，爐溫達到1550 - 1580°C時，脫氧、脫氫、脫氮，將脫氧劑壓到爐內深處，再加入鈦鐵，金屬液面此時用覆蓋劑蓋嚴，隔斷外界空氣，稀土硅鐵合金加入鋼包內。
2.如權利要求1所述的高強高硬耐海洋腐蝕無磁鋼的鑄造方法，其特征在于:所述加入的原料鎳、錳鐵、鉻鐵、鑰鐵、釩鐵和鈮鐵，料塊直徑50 - 80mm。
3.如權利要求1所述的高強高硬耐海洋腐蝕無磁鋼的鑄造方法，其特征在于:所述加入的鈦鐵直徑3-5mm。
4.如權利要求1所述的高強高硬耐海洋腐蝕無磁鋼的鑄造方法，其特征在于:所述加入的稀土娃鐵合金直徑2_5mm。
5.如權利要求1所述的高強高硬耐海洋腐蝕無磁鋼的鑄造方法，其特征在于:所述脫氧劑采用鋁絲、S1-Ca合金或SiC。
【文檔編號】C22C33/04GK103600041SQ201310577030
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月18日 優先權日:2013年11月18日
【發明者】馬玉川 申請人:樂山力盾鑄鋼有限公司