[發(fā)明專利]一種深海低溫工程用高強(qiáng)度不銹鋼及其制造方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610141371.0
• 申請(qǐng)日: 2016-03-11
• 公開（公告）號(hào): CN105779901B
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王長(zhǎng)軍;梁劍雄;劉振寶;楊志勇;孫永慶;李文輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 鋼鐵研究總院
• 主分類號(hào): C22C38/44
• 分類號(hào): C22C38/44;C22C38/02;C22C38/04;C22C38/06;C21D8/06;C21D6/00
• 代理公司: 北京華誼知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11207
• 代理人: 劉月娥

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于不銹鋼技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種深海低溫工程用高強(qiáng)度不銹鋼及其制造方法，適用于深海鉆采或打撈設(shè)備的結(jié)構(gòu)件與緊固件等。

背景技術(shù)

深海蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源、礦產(chǎn)資源和生物資源，是各國爭(zhēng)奪經(jīng)濟(jì)制高點(diǎn)的重要戰(zhàn)略目標(biāo)。很多國家都把控制和占有這些資源的措施列入國家發(fā)展計(jì)劃，以期搶得“藍(lán)色公土”的占有權(quán)。

由于深海環(huán)境復(fù)雜苛刻(低溫、高溫—熱液區(qū)、高壓、極端微生物腐蝕等)，因而對(duì)服役材料的綜合力學(xué)性能與耐腐蝕性能提出了更高要求。目前相比于國外發(fā)達(dá)國家，我國海洋資源開發(fā)技術(shù)、科學(xué)研究長(zhǎng)期以來處于相對(duì)落后水平，在國際深海資源爭(zhēng)奪戰(zhàn)中已失去先機(jī)，其中最大的技術(shù)瓶頸即為深海裝備配套材料的研發(fā)問題，以深海油氣鉆采為例，目前國內(nèi)螺桿鉆具壽命僅為80小時(shí)，鉆鋌壽命僅為200-500h，震擊器震擊次數(shù)僅為100次。同時(shí)，深海打撈工具如磨銑類打撈工具，其平均使用壽命更僅為 6h，所選用材料在強(qiáng)度、低溫韌性、耐蝕性等方面均暴露了嚴(yán)重問題，這已顯著制約了國家在深海資源的開發(fā)與利用。因而急需研制一種適用于深海低溫工況下使用的承力材料，以提升國家在深海資源開采的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的為通過合金成分、冶煉方式以及配套的熱處理工藝設(shè)計(jì)，制造出一種適用于深海低溫工程用的高強(qiáng)度不銹鋼材料，以解決目前國內(nèi)深海鉆采或打撈設(shè)備結(jié)構(gòu)件與緊固件的選材瓶頸問題。

本發(fā)明鋼的化學(xué)成分按重量百分比為：C：＜0.05％、Cr：12.2～13％、Ni：8.0～8.5％、 Mo：2.1～2.5％、Al：＜0.3％、N：＜0.0015％、Si：＜0.1％、Mn：＜0.01％、P：＜0.005％、 S：＜0.001％余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。

基于上述合金成分配比，經(jīng)熱處理后，發(fā)明鋼具備了優(yōu)異的強(qiáng)韌性匹配以及優(yōu)良的耐鹽霧腐蝕性能：在室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到1200MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到1100MPa，延伸率超過19％，斷面收縮率超過70％的前提下，發(fā)明鋼的室溫夏比V型沖擊功達(dá)到250J 以上，-100℃沖擊功仍保持在210J以上。同時(shí)，根據(jù)《GBT 10125-2012人造氣氛腐蝕試驗(yàn)-鹽霧試驗(yàn)》的檢測(cè)方法，發(fā)明鋼的耐鹽霧年腐蝕率也控制在0.1mm/a以下，達(dá)到了金屬材料耐蝕性Ⅲ級(jí)(耐蝕)標(biāo)準(zhǔn)。

本發(fā)明各元素的作用及配比依據(jù)如下：

碳：碳作為間隙固溶原子，雖可以提高鋼的基體強(qiáng)度，但在強(qiáng)度升高的同時(shí)會(huì)損害鋼的塑韌性與焊接性。此外，鋼中碳元素的存在會(huì)導(dǎo)致基體在時(shí)效過程中析出Cr₂₃C₆等碳化物，顯著降低鋼的耐海水腐蝕性能。綜合考慮，本發(fā)明鋼的碳控制在0.05％以內(nèi)。

氮：氮與碳的作用類似，一方面作為間隙固溶原子，提高強(qiáng)度的同時(shí)會(huì)損害鋼的塑韌性與焊接性。另一方面，由于本發(fā)明鋼中含有鋁等氮化物形成元素，其會(huì)與氮高溫形成AlN夾雜物，顯著降低鋼的塑韌性，特別是低溫沖擊韌性。此外，AlN也可形成點(diǎn)蝕源，降低鋼的耐點(diǎn)蝕性能。因而本發(fā)明鋼的氮含量要求控制在0.0015％以內(nèi)。

鉻：鉻是本發(fā)明鋼具備耐蝕性的最重要合金元素，鋼中隨著鉻含量的升高，耐環(huán)境腐蝕性能與抗氧化性能明顯提高，已有研究表明引起耐蝕性突變的鉻含量下限約為 12％。此外，鋼中鉻元素的存在還可以提高回火抗力，以保持位錯(cuò)強(qiáng)化與固溶強(qiáng)化效應(yīng)。因而本發(fā)明鋼的鉻含量范圍為12.2～13％。

鎳：鎳作為本發(fā)明鋼最重要的合金元素之一，主要有兩個(gè)方面作用：首先鎳作為奧氏體形成元素，可以擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，降低鋼中δ鐵素體含量。其次在時(shí)效處理時(shí)鎳還會(huì)在基體中與鋁形成γ′-Ni₃Al與β-NiAl等金屬間強(qiáng)化相，顯著提高鋼的強(qiáng)度。但過高的鎳含量會(huì)使鋼的M_s點(diǎn)溫度顯著降低，導(dǎo)致基體組織中殘余奧氏體含量增多而降低鋼的強(qiáng)度。綜合考慮，本發(fā)明鋼的鎳含量范圍為8.0～8.5％。

鉬：鉬作為鐵素體形成元素可顯著提高鋼的淬透性，在馬氏體鉻鎳不銹鋼中，鉬除了改善鋼的耐蝕性外，在時(shí)效過程中還可以形成具有六方晶體結(jié)構(gòu)的Mo₂C碳化物，從而提高鋼的回火穩(wěn)定性與二次硬化效應(yīng)。但過高的鉬含量會(huì)促進(jìn)δ鐵素體的形成，對(duì)鋼帶來不利影響。綜合考慮，本發(fā)明鋼的鉬含量為2.1～2.5％。