CN111519093A - 一种耐低温高强度马氏体不锈钢锻件材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢材锻造技术领域，公开了一种耐低温高强度马氏体不锈钢锻件材料，化学组成以质量百分比计，由以下化学成分组成：碳C0.09～0.14；硅Si0.20～0.40；锰Mn0.50～0.90；铬Cr11.80～13.00；镍Ni0.45～0.60；钼Mo0.15～0.30；磷P≤0.020；硫S≤0.015；矾V0.03～0.10；钛Ti≤0.05；气体元素含量氮≤200ppm；其余为Fe及残余元素。与现有技术相比，本发明加入少量镍来获得优异的韧性和耐低温性能，加入少量的钼并适当控制钒、钛等合金成分范围来提高并稳定材料强度，其机械性能达到：抗拉强度≥690MPa，屈服强度≥552MPa，延伸率≥18%，断面收缩率≥35%，‑46℃的冲击值AKv≥30J。

Description

一种耐低温高强度马氏体不锈钢锻件材料

技术领域

本发明涉及锻造钢材技术领域，尤其涉及一种耐低温高强度马氏体不锈钢锻件材料，其满足美国石油协会API 6A等产品标准PSL3级马氏体不锈钢的要求。

背景技术

随着世界能源形势日趋紧张，部分寒冷地区、富含硫化氢、二氧化碳的油气田以及海洋油气田也进入了开采阶段，这些环境的采油设备对材料的耐腐、耐压、抗冲击等要求较高，市场上对此类环境采油设备的需求量越来越大，耐低温耐腐蚀的高强度不锈钢锻件有着广泛的市场前景。

目前油气开采技术还是美国最先进，美国石油协会API所制定的标准成了世界通用标准，只有符合API标准要求的产品才能打开世界市场，短期内只有开发出既符合API标准且成本经济的高性能马氏体不锈钢锻件才能占领更多的市场。

市场上马氏体不锈钢主要存在的不足是：成本低的普通Cr13系列马氏体不锈钢的耐低温性能差，不能同时满足耐低温和耐腐蚀、高强度的要求。

美国石油协会API 6A PSL3G级及以下马氏体不锈钢要求的主要化学成分范围(质量百分比％)为：碳C≤0.15、硅Si≤1.50、锰Mn≤1.00、铬Cr：11.00～14.00、磷P≤0.025、硫S≤0.025。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种耐低温高强度马氏体不锈钢锻件材料，该材料符合API规定的石油和天然气钻采设备所用原料的化学成分和机械性能的要求，同时也能保证在低温环境下的冲击韧性要求，控制了材料成本，提高材料的适用范围，不仅能用于石油、天然气钻采方面设备的制造，而且可以用于其他工程领域。

技术方案：本发明提供了一种耐低温高强度马氏体不锈钢锻件材料，化学组成以质量百分比计，由以下化学成分组成：

碳C：0.09～0.14；

硅Si：0.20～0.40；

锰Mn：0.50～0.90；

铬Cr：11.80～13.00；

磷P≤0.020；

硫S≤0.015；

镍Ni：0.45～0.60；

钼Mo：0.15～0.30；

矾V：0.03～0.10；

钛Ti≤0.05；

气体元素含量氮[N]≤200ppm；

其余为Fe及残余元素；

硬度在207-237HBW范围时，机械性能达到：抗拉强度≥690MPa，屈服强度≥552MPa，延伸率≥18％，断面收缩率≥35％，-46℃的冲击值AKv≥30J。

进一步地，所述马氏体不锈钢锻件材料的制造方法为：

步骤1：钢坯制造；

将符合上述化学组成的钢液经过电炉冶炼并真空脱气处理或真空精炼；具体实现过程：冶炼加炉料时根据原始炉料的质量情况适当控制配碳和合金量，控制氧化还原反应的程度，做到既能把有害的杂质元素尽可能的氧化去除，又能保证有益元素的充分回收利用，以控制成本，最后还原后的钢液经过真空处理，再接通氩气在保护气氛下进行控制浇注，形成一定纯净度的钢坯；

步骤2：材料锻造；

将步骤1中的钢坯进行锻造，始锻温度1150℃，并根据钢坯材料的大小确定合理的保温时间，保温时间按钢坯有效厚度30min-40min/25mm计算；终锻温度850℃，锻造过程采用轻-重-轻的锻造工艺，形成锻件；锻后空冷至250～500℃再进炉退火处理；

步骤3：性能热处理；

1)所述锻件去除表面缺陷后，低于250℃装炉，控制升温速度加热至850℃，保温1-2小时，继续升温至950～1000℃，保温后进淬火液快速冷却，淬火液淬火前温度为20～50℃；

2)淬火后锻件温度40～100℃进炉进行回火，第1次回火温度700～740℃，保温后出炉空冷至650℃以下水冷，直接冷至室温后再进炉进行第2次回火，回火温度650～720℃，保温后出炉风冷。

进一步地，所述步骤2中轻-重-轻的锻造工艺为先轻打压合表面缺陷，再重打击碎粗大的铸态组织，后快速轻打整形，锻后快速空冷至250～500℃温度装炉进行退火。

进一步地，所述淬火液为水基淬火液或油。

进一步地，所述第1次回火以及第2次回火的实际保温时长：按工件有效厚度1h/25mm计算。

有益效果：

1、本发明的材料的化学成分既可以满足美国API 6A的马氏体不锈钢的化学成分要求，同时还可以满足中国国家标准GB和美国材料学会ASTM及美国钢铁协会AISI的马氏体不锈钢的化学成分要求，扩大了材料的适用范围。

2、本发明的马氏体不锈钢锻件材料的机械性能为：调质处理后硬度在207-237HBW范围时，机械性能达到：抗拉强度≥690MPa，屈服强度≥552MPa，延伸率≥18％，断面收缩率≥35％，-46℃的冲击值AKv≥30J。

3、本发明的锻件材料为马氏体不锈钢，是在传统的12Cr13马氏体不锈钢基础上，通过加入少量的镍来获得优异的韧性和低温性能，加入少量的钼适当缩小合金成分范围来提高并稳定材料的强度。

4、本发明公开的技术方案，通过成分配方设计、熔炼及浇注控制，锻造工艺、性能热处理工艺的优化，使得马氏体不锈钢锻件原料，具有强度高、耐低温性能好的优势。获得的马氏体不锈钢锻件原料可被广泛应用于油气开采、化工设备、能源等领域。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的介绍。

本发明设计钢材锻造技术领域，公开了一种耐低温高强度马氏体不锈钢锻件材料，该钢材既可以满足美国API 6A的马氏体不锈钢的化学成分要求，同时还可以满足中国国家标准GB和美国材料学会ASTM及美国钢铁协会AISI的马氏体不锈钢的化学成分要求，扩大了材料的适用范围。而且还将成本考虑在内，在降低成本的同时使其满足优异的韧性和低温、高强度性能，其调质处理后硬度在207-237HBW范围时，机械性能达到如下性能：抗拉强度≥690MPa，屈服强度≥552MPa，延伸率≥18％，断面收缩率≥35％，-46℃的冲击值AKv≥30J。

该钢材的化学成分范围(以质量百分比％计)为：

碳C：0.09～0.14，硅Si：0.20～0.40，锰Mn：0.50～0.90，铬Cr:11.80～13.00，镍Ni：0.45～0.60，钼Mo:0.15～0.30，磷P≤0.020，硫S≤0.015，矾V0.03～0.10，钛Ti≤0.05，气体元素含量氮[N]≤200ppm，其余为Fe及残余元素。

本发明通过控制Ni、Mo、N、V、Ti等元素含量，降低P、S等含量，提升材料综合力学性能，用来制造适用范围更广的锻件。

Ni为奥氏体形成元素，可提高基体的韧性，从而改善材料的低温力学性能。Mo能提高淬透性及回火稳定性，对材料的强度有很大的提高。V可以细化晶粒，提高强度及韧性，少量的V就能显著提高强度及韧性，但一般热处理条件下，V增加又会降低钢的淬透性，降低热处理后的材料性能。N作为强奥氏体形成元素，可以替代部分Ni来降低成本，同时N的加入能显著提高不锈钢的强度及耐蚀性能，但过多的N会和钢中的其它原始反应生产脆性的氮化物，割裂基体降低材料的韧性；Ti与C、N有很强的亲和力，能生成TiC和TiN弥散分布提高强度，但粗大的TiN会严重降低材料的低温韧性，P是钢中的有害元素，会增加钢的冷脆性。综上所述，该钢材控制了Ni、Mo、N、V、Ti等元素含量，降低P、S等含量，提升材料综合力学性能。

该马氏体不锈钢锻件材料的制造方法包括如下步骤：

步骤1：钢坯制造：将满足上述钢材的化学成分范围(以质量百分比％计)的钢液经过真空精炼或真空脱气后，并通过控制浇注，保证钢坯的内在质量。具体实现过程：冶炼加炉料时根据原始炉料的质量情况适当控制配碳和合金量，本实施方式中，适当控制配碳量可以在已有的碳C：0.09～0.14基础上增加0.1-0.4，控制氧化还原反应的程度，做到既能把有害的杂质元素尽可能的氧化去除，又能保证有益元素的充分回收利用，以控制成本，最后还原后的钢液经过真空处理，再接通氩气在保护气氛下进行控制浇注，形成一定纯净度的钢坯。

本实施方式中，钢坯制造为市面上常见的钢坯制造方法，过程一样，不是本发明需要保护的重点，此处不作赘述。

步骤2：材料锻造：将步骤1中的钢坯进行锻造，始锻温度1150℃，过高的温度容易造成过热甚至过烧，根据步骤1中钢坯坯料的大小确定合理的保温时间，防止保温时间过长引起晶粒粗大，保温时间可以根据钢坯有效厚度30min-40min/25mm计算。终锻温度850℃，终锻温度过高易形成粗大晶粒，过低则开裂风险增大，锻造过程采用轻-重-轻的锻造工艺，即先轻打压合表面缺陷，再重打击碎粗大的铸态组织，最后快速轻打整形，形成锻件，改善锻件形状和质量。锻后空冷至250～500℃再进炉退火处理，既能进一步细化锻件的晶粒，又能防止锻件因应力开裂。空冷结合锻造过程的控制，为锻件热处理后良好的力学性能奠定基础。

步骤3：性能热处理：步骤2中锻件去除表面缺陷后，低温下装炉(低于250℃)，控制升温速度加热至850℃，保温1-2小时，继续升温至950～1000℃，保温后快速冷却，淬火液(本实施方式使用的是水基淬火液或油)淬火前温度为20～50℃。淬火后工件温度40～100℃进炉进行回火，保证工件马氏体充分转变又防止工件因应力开裂，第1次回火温度700～740℃，保温后，出炉空冷至650℃以下水冷，冷至室温后再进炉进行第2次回火，回火温度650～720℃，保温后，出炉风冷。2次回火过程中，实际保温时长可以按工件有效厚度1h/25mm计算。

下面进行几组实例进行对比试验，化学成分实例如表1(改进前)和表2(改进后)：

表1改进前化学成分实例(质量百分比％)

表2改进后(本发明)化学成分实例(质量百分比％)

热处理后锻件试棒(100X100*250)机械性能及冲击韧性见表3(改进前)和表4(改进后)：

表3改进前机械性能及冲击韧性实例

表4改进后(本发明)机械性能及冲击韧性实例

从上述两张表数据可以看出：Y1-Y5为未进行控制的普通12Cr13马氏体不锈钢，在同样的热处理条件下，强度稍低一点，但低温冲击性能明显偏低。可见，在传统的12Cr13马氏体不锈钢基础上，通过加入少量的镍Ni来获得优异的韧性和低温性能，加入少量的钼Mo并适当控制钒、钛等合金成分范围来提高并稳定材料的强度。

试制样按照美国ASTMA370-18版标准进行检测，性能超过了API 6A等标准对马氏体不锈钢的要求。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种耐低温高强度马氏体不锈钢锻件材料，其特征在于，化学组成以质量百分比计，由以下化学成分组成：

碳C：0.09～0.14；

硅Si：0.20～0.40；

锰Mn：0.50～0.90；

铬Cr：11.80～13.00；

磷P≤0.020；

硫S≤0.015；

镍Ni：0.45～0.60；

钼Mo：0.15～0.30；

矾V：0.03～0.10；

钛Ti≤0.05；

气体元素含量氮[N]≤200ppm；

其余为Fe及残余元素；

硬度在207-237HBW范围时，机械性能达到：抗拉强度≥690MPa，屈服强度≥552MPa，延伸率≥18%，断面收缩率≥35%，-46℃的冲击值AKv≥30J。

2.根据权利要求1所述的耐低温高强度马氏体不锈钢锻件材料，其特征在于，所述马氏体不锈钢锻件材料的制造方法为：

步骤1：钢坯制造；

将符合上述化学组成的钢液经过电炉冶炼并真空脱气处理或真空精炼；具体实现过程：冶炼加炉料时根据原始炉料的质量情况适当控制配碳和合金量，控制氧化还原反应的程度，做到既能把有害的杂质元素尽可能的氧化去除，又能保证有益元素的充分回收利用，以控制成本，最后还原后的钢液经过真空处理，再接通氩气在保护气氛下进行控制浇注，形成一定纯净度的钢坯；

步骤2：材料锻造；

将步骤1中的钢坯进行锻造，始锻温度1150℃，并根据钢坯材料的大小确定合理的保温时间，保温时间按钢坯有效厚度30min-40min/25mm计算；终锻温度850℃，锻造过程采用轻-重-轻的锻造工艺，形成锻件；锻后空冷至250～500℃再进炉退火处理；

步骤3：性能热处理；

1）所述锻件去除表面缺陷后，低于250℃装炉，控制升温速度加热至850℃，保温1-2小时，继续升温至950～1000℃，保温后进淬火液快速冷却，淬火液淬火前温度为20～50℃；

2）淬火后锻件温度40～100℃进炉进行回火，第1次回火温度700～740℃，保温后出炉空冷至650℃以下水冷，直接冷至室温后再进炉进行第2次回火，回火温度650～720℃，保温后出炉风冷。

3.根据权利要求2所述的耐低温高强度马氏体不锈钢锻件材料，其特征在于，所述步骤2中轻-重-轻的锻造工艺为先轻打压合表面缺陷，再重打击碎粗大的铸态组织，后快速轻打整形，锻后快速空冷至250～500℃温度装炉进行退火。

4.根据权利要求2所述的耐低温高强度马氏体不锈钢锻件材料，其特征在于，所述淬火液为水基淬火液或油。

5.根据权利要求2所述的耐低温高强度马氏体不锈钢锻件材料，其特征在于，所述第1次回火以及第2次回火的实际保温时长：按工件有效厚度1h/25mm计算。