耐蝕性優(yōu)越的高強(qiáng)度非磁性鉆鋌用不銹鋼的開發(fā)
1、背景
近幾年，隨著全球能源使用量的不斷增加，對石油的需求量提高，新油田的開采、勘探活躍。最近石油的開采不僅從陸地垂直開采，而且增加了從陸地向海灘油田開采和海上基地多種開采的傾斜開采。這種傾斜開采使用的是非磁性鉆鋌（NMDC：Non-MagneticDrillCollar）。鉆鋌大多搭載為掌握鉆頭前端位置信息的地磁測定器和地下信息（氣體、巖質(zhì)等）的電子儀器。因此要求非磁性的同時，NMDC的壁厚要薄壁化，而且要求強(qiáng)度更高的材料。此外，地下也有硫化氫活躍的場所等，在開采泥水中含有高濃度的氯化鈉和氯化鉀等氯化物，所以，要求鉆鋌具有優(yōu)良的抗嚴(yán)酷腐蝕環(huán)境的耐蝕性。為了滿足這些要求，優(yōu)化Cr-Mn系奧氏體系無錫不銹鋼的化學(xué)組成和制造條件，開發(fā)了兼?zhèn)涓邚?qiáng)度和良好的耐蝕性的非磁性鉆鋌用不銹鋼“DNM140”。但是，由于開采環(huán)境日益變化，開采深度的增加等，使用環(huán)境更為嚴(yán)酷，要求鉆鋌必須具有更高的耐蝕性。
本研究中，為了開發(fā)比DNM140耐蝕性更好的非磁性鉆鋌用無錫不銹鋼，以DNM140為基礎(chǔ)，對增加提高耐蝕性元素Mo、N含量的合金，進(jìn)行了以碳氮化物析出行為、溫態(tài)加工后的力學(xué)性能和耐蝕性為主的調(diào)查，研究了對非磁性鉆鋌的應(yīng)用。
2、開發(fā)鋼及試驗(yàn)方法
2.1開發(fā)鋼
表1是這次用于評價的開發(fā)鋼及DNM140的化學(xué)成分。開發(fā)鋼以DNM140為基礎(chǔ)，Mo為2.1%、N為0.53%，與DNM140相比，Mo、N含量增加。開發(fā)鋼和DNM140兩個鋼種都含有大量的氮，所以要求提高鋼水中的氮溶解度，而且在澆鑄時，為了不引起吹氮，需要增大凝固時的奧氏體相的量。關(guān)于鋼水中的氮固溶度，有幾篇介紹增加Cr、Mn含量提高氮固溶度的論文，開發(fā)鋼和DNM140都積極添加了Cr、Mn。
由用熱力學(xué)計(jì)算軟件Thermo-Calc以Fe為基礎(chǔ)計(jì)算的橫坐標(biāo)為N含量的開發(fā)鋼相圖和橫坐標(biāo)為溫度的開發(fā)鋼相圖可以看出，開發(fā)鋼的相結(jié)構(gòu)中有大量的氮溶解度大的奧氏體相，并且凝固后不存在氣體相，所以，預(yù)計(jì)可以獲得沒有氣泡缺陷的優(yōu)質(zhì)鋼錠。此外，在約1200-1550K的溫度范圍，是奧氏體單相，預(yù)計(jì)在約1123K以下除Cr2N外，M23C6、σ相等作為穩(wěn)定相存在。
表1開發(fā)鋼和DNM140的化學(xué)成分%
材料CMnNiCrMoNPRE
開發(fā)鋼0.0415.63.618.52.10.5334.2
DNM1400.0415.73.318.70.90.5129.7
PRE=Cr+3.3Mo+16N
2.2試驗(yàn)方法
兩個鋼種均用真空高頻感應(yīng)爐，制作成50kg鋼錠，采用熱鍛造加工成30mm方的形狀后，在1373-1423K保持3.6ks后進(jìn)行水冷的固溶化熱處理，進(jìn)行了觀察組織和硬度測量。此外，為了調(diào)查碳氮化物的析出行為，在1372K×3.6ks固溶化熱處理后，用873-1173K實(shí)施900~3600s的敏化熱處理，觀察其組織，并對一部分試樣測量了孔蝕電位。另一方面，為了調(diào)查奧氏體相的穩(wěn)定性，進(jìn)行60%的冷態(tài)壓縮加工，測量了其導(dǎo)磁率。溫加工材的評價是在1373K×3.6ks固溶化熱處理后，在適當(dāng)?shù)臏囟?、斷面收縮率，用600t動力壓力機(jī)進(jìn)行正擠壓加工。然后，調(diào)查了耐晶間腐蝕性、耐鹽酸腐蝕性、拉伸特性和沖擊特性。觀察和測量方法如下。對50kg鋼錠的狀態(tài)進(jìn)行了宏觀觀察，兩個鋼種均沒有發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷和氣泡缺陷。
1）組織觀察
對固溶化熱處理材，從延伸鍛造方向采取試樣，鏡面研磨后用酸性苦味酸乙醇溶液腐蝕，用光學(xué)顯微鏡觀察了腐蝕面。此外，對一部分敏化熱處理材用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察晶界析出的碳氮化物。
2）硬度測量
采用維氏硬度試驗(yàn)機(jī)，按JISZ2241的規(guī)定進(jìn)行。
3）導(dǎo)磁率
采用直徑5mm，長度5mm的試樣，用VSM（VibratingSampleMagnetometer）在外部磁場16kA/m（200Oe）進(jìn)行測量。
4）耐晶間腐蝕性
敏化熱處理材按JISG0571的規(guī)定，進(jìn)行10%草酸腐蝕試驗(yàn)。用10%草酸水溶液，90s電解腐蝕后，用光學(xué)顯微鏡觀察其組織。對溫加工材按JISG0575的規(guī)定，實(shí)施硫酸-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)。
5）耐孔蝕性
耐孔蝕性采用JISG0577規(guī)定的方法，在303K、3.5%氯化鈉溶液中測量了陽極極化曲線，將孔蝕成長引起的電流密度超過10-4A/cm2的電位（V’c100）作為孔蝕電位測量。
6）拉伸特性
由正擠壓加工的試驗(yàn)用料制作平行部的直徑5mm，長度30mm的試樣，按JISZ2241的規(guī)定實(shí)施了室溫下的拉伸試驗(yàn)。
7）沖擊特性
由正擠壓加工的試驗(yàn)用料制作JIS4號試樣（2mmV型缺口試樣），按JISZ2242的規(guī)定實(shí)施了室溫下的夏比沖擊試驗(yàn)。
8）耐鹽酸腐蝕性
由正擠壓加工的試驗(yàn)用料制作直徑10mm，長度30mm的試樣，在10%鹽酸中浸漬6h，測量了其腐蝕減量。
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開發(fā)鋼
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DNM140
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相對導(dǎo)磁率，16kA/m
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1.002
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1.002
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開發(fā)鋼
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DNM140
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0.2%屈服強(qiáng)度，MPa
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974
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967
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極限抗拉強(qiáng)度，MPa
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1072
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1107
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伸長率，%
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29.7
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29.8
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夏比沖擊功，J/cm2
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261
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260
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材料
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C
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Mn
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Ni
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Cr
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Mo
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N
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DNM140-HCR
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0.03
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16
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3.6
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19
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2.0
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0.53
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DNM140-HRC
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0.2%屈服強(qiáng)度，MPa
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1021
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極限抗拉強(qiáng)度，MPa
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1111
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伸長率，%
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29.5
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夏比沖擊功，J/cm2
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290
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