一种阀箱用不锈钢合金及制造方法

摘要

一种阀箱用不锈钢合金及制造方法，该方法为选取原料为脱磷铁水57~62重量份、铁合金28~32重量份、不锈钢废钢6-15重量份，采用电弧炉冶炼加炉外真空精炼的方法完成钢锭的初始冶炼，模铸成型后，制备成自耗电极，随后进行电渣重熔处理。将得到的电渣钢锭在650~700℃进行退火，随后去除钢锭坯料头部及尾部废料，并粗加工钢锭外表面，使任何表面均无氧化皮残留；然后钢锭进行加热，进行锻造，总锻造比大于等于8，并将毛坯进行锻后热处理；最后将锻件进行固溶处理，水冷至120℃以下，在580~640℃进行时效处理。本发明得到的合金在压裂工况下具备良好的腐蚀疲劳强度极限，且热加工性能良好。

说明书

技术领域

本发明属材料科学领域，特别涉及到不锈钢合金及制造方法。

背景技术

沉淀硬化型不锈钢合金由于拥有高强度、高韧性、良好的耐腐蚀性能和高腐蚀疲劳强度极限等综合特性，是近年来各国材料技术领域研究和开发应用的热点。目前，沉淀硬化性不锈钢合金已广泛应用于航空、航天、航海、核电等军工领域，体现出了极大的应用价值和良好的发展前景；在一些民用领域热门行业，各国科学家也在积极探索使用沉淀硬化型不锈钢，并研究其制造技术，如石油化工领域的油气田压裂用阀箱。

目前，油气田压裂用阀箱普遍采用中等碳含量低合金钢或中合金钢制造(合金元素总含量≤8wt%)。其热加工性能及冷加工性能优异，制造技术相对简单，但由于常规合金耐腐蚀性能有限，已经很难满足油气田压裂恶劣工况连续作业要求，阀箱使用寿命总体较低。

在现有技术条件下，为了提高阀箱使用寿命，采取的主要方法为：选取中等碳含量低合金钢或中合金钢，提高其强韧性和淬透性，并通过热处理工艺提高其耐腐蚀性能；或者在提高基体材料强韧性的基础上，通过物理化学处理或者表层涂敷技术，提高表面耐蚀性，从而提高阀箱内腔耐冲蚀性能和耐腐蚀性能。

在专利CN201310350280中，为了满足压裂用阀箱设计力学性能需求，公开有一种32CrNi3MoV的材料，采用电弧炉冶炼、钢包精炼、双真空处理的冶炼工艺，两镦两拔工艺方法，最终热处理采用正火+淬火+二次高温回火的热处理工艺方法，得晶粒度大于8级的回火索氏体组织。其特征在于抗拉强度Rm＞1050MPa，屈服强度Rp0.2＞900MPa，延伸率A＞18％，夏比冲击AKV2(-40℃)＞34J，HBS＞280。

在专利CN201310395608中，为了提高压裂用阀箱材料强韧性，公开有一种C0.26-0.35wt%、Cr1.0~1.2wt%、Ni2.5-4.0wt%等组元的材料，其特征在于抗拉强度Rm达到1000~1100MPa，屈服强度Rp0.2达到900~1000MPa，延伸率达到14~20%，断面收缩率40~55%，夏比冲击AKV(-40℃)平均达到34~78J。

在专利CN201310400956中，为了进一步提高压裂用阀箱材料强韧性和淬透性，公开有一种：C0.25~0.3wt%，Cr1.8~2.2wt%，Ni4.05~4.25wt%等组元的材料，其特征在于抗拉强度Rm＞1200MPa，屈服强度Rp0.2＞1100MPa，延伸率A＞15％，断面收缩率Z＞50％，夏比冲击AKV(-40℃)＞78J，晶粒度＞8级。

在专利CN201320627761中，为了提高压裂用阀箱常规合金钢的耐冲蚀性能和腐蚀性能，公开了一种阀箱材料软氮化的方法。

在专利CN201310135428中，为了改善压裂用阀箱常规合金钢表面应力状态，公开了一种阀箱自增强处理的方法。

以上的专利文件中，阀箱用常规合金钢材料与生产工艺还是存在着如下一些问题：

1、现有的阀箱常规合金钢，为了提高其强韧性，通常采取显微组织控制的方法，如文献3中的阀箱材料抗拉强度提高至1200MPa以上，屈服强度1100MPa以上，冲击吸收功78J以上，但由于基体耐腐蚀性能有限，其腐蚀疲劳强度极限较低；

2、现有的阀箱常规合金钢，通过预应力处理，如文献5中自增强后的表面残余应力为压应力，但在次表面出现了较大的拉应力，这导致了产品使用时表现出很大的不稳定性，部分阀箱产品使用寿命甚至低于正常水平；

3、现有的阀箱常规合金钢，为了提高表面耐腐蚀性能，通常采取氮化方法，在表面形成耐腐蚀性能好的金属层，但由于渗氮层与基体金属各种物理性能差别很大，在交变应力作用下很难实现协调变形，且缺口敏感性大，容易产品裂纹并快速扩展至基体中；

为了避免常规合金钢上述不足，从根本上提高阀箱材料的耐腐蚀性能，现有技术中还公开了一种阀箱用17-4PH不锈钢，表现出了较好的使用性能。但该阀箱用17-4PH不锈钢含有较高的Cr和Cu，在热加工过程中，变形抗力大，还经常出现Cu富集，或者形成大量脆性金属间化合物，造成产品在热加工过程中易开裂，成材率低。

发明内容

本发明的目的在于针对上述缺陷，提出一种新的阀箱用不锈钢合金及制造方法，该合金在压裂工况下具备良好的腐蚀疲劳强度极限，且热加工性能良好。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种阀箱用不锈钢合金，其特征在于：

该合金中包括的各元素的重量百分比如下：

C0.04~0.10wt%、Cr13.0~17.0wt%、Ni5.0~7.0wt%、Mn≤1.0wt%、Mo0.30~2.0wt%、Si0.30~0.8wt%、Cu0.50~3.50wt%、Al≤0.08wt%、Nb0.15~0.45wt%、V≤0.20wt%、P≤0.015wt%、S≤0.010wt%、Sn≤0.010wt%、Sb≤0.005wt%、As≤0.005wt%、H≤1.8ppm、O≤20ppm、N≤80ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。

具体制造方法如下：

1、选取原料为脱磷铁水57~62重量份、铁合金28~32重量份、不锈钢废钢6-15重量份，采用电弧炉冶炼加炉外真空精炼的方法完成钢锭的初始冶炼，模铸成型后，将钢锭去除头部及尾部废料，制备成自耗电极，随后进行电渣重熔处理。将得到的电渣钢锭在650~700℃进行退火，随后去除钢锭坯料头部及尾部废料，并粗加工钢锭外表面，使任何表面均无氧化皮残留；

2、采用台阶式加热法对第1步中得到的钢锭进行加热，然后进行锻造，总锻造比大于等于8，并将毛坯进行锻后热处理；

3、根据阀箱毛坯尺寸，将不锈钢合金锻件进行粗加工；通过台阶式加热，在1020~1070℃将锻件进行固溶处理，水冷至120℃以下，在580~640℃进行时效处理。

所述的第2步中锻造台阶式加热保温的具体步骤为：将钢锭加热到600~650℃，保温3~5h，加热到830~860℃，保温4~6h，加热到1210~1250℃，保温10~12h。

所述的第2步中锻造阀箱用不锈钢合金锻造时采用3火次成型；第一火次锻造时，锻造加热温度1230~1250℃，保温10~12h；第二火次锻造时，锻造加热温度1220~1240℃，保温4~6h；第三火次锻造时，锻造加热温度1210~1230℃，保温3~5h。

所述的第2步中锻造阀箱用不锈钢合金锻造时，在每个锻造火次对温度均进行实时监控，若毛坯温度低于960℃，必须回炉加热保温。

所述的第2步中热处理的方法为：将锻件毛坯放入550~680℃的加热炉中进行保温处理，保温时间按≥6min/mm计算，随炉冷却到400℃以下出炉，空冷至室温。

所述的第3步中固溶处理台阶式加热保温的具体步骤为：将钢锭加热到600~650℃，保温3~5h，加热到830~860℃，保温4~6h，加热到1020~1070℃，保温12~14h。

所述的第3步中固溶处理水冷至120℃以下，具体步骤为：将1020~1070℃加热并未完成保温后的钢锭快速放入循环冷却水池中，5~30min后出水，在空气中静置1~10分钟，再放入循环冷却水池中，5~30min后出水，在空气中静置1~10分钟，再放入循环冷却水池中5min以上，出水并测量温度，若在空气中静置1~10min后表面最高温度＞120℃，则再次入水，直至表面温度满足要求。

所述的第3步中时效处理具体步骤为：水冷后的不锈钢合金锻件毛坯加热到300~400℃，保温2~5h，加热到580~640℃，保温18~30h，水冷至120℃以下，再次加热到300~400℃，保温2~5h，加热到580~640℃，保温10~20h，炉冷至450℃以下，出炉并空冷至室温。

本发明的积极效果为：

1、本发明所得的不锈钢合金具有高的腐蚀疲劳强度极限，能使阀箱使用寿命提高100%以上。

2、本发明的阀箱用不锈钢合金是Cr含量较低，Ni含量居中的沉淀硬化型不锈钢，该系不锈钢热加工性能优异，产品合格率可达到95%以上，综合生产成本低；本发明制造的不锈钢阀箱产品平均使用寿命达到或超过17-4PH不锈钢阀箱产品平均使用寿命水平。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例一

1、选取原料重量组分为脱磷铁水57份、铁合金31份和不锈钢废钢12份，采用电弧炉冶炼加炉外真空精炼的方法完成钢锭的初始冶炼，模铸成型后，将钢锭去除头部及尾部废料，制备成自耗电极，随后进行电渣重熔处理。将得到的电渣钢锭在700℃进行退火，随后去除钢锭坯料头部及尾部废料，并粗加工钢锭外表面，使任何表面均无氧化皮残留。

2、采用台阶式加热法对第1步中得到的钢锭进行加热，具体步骤为：将钢锭加热到650℃，保温3h，加热到860℃，保温4h，加热到1250℃，保温10h。锻造时采用3火次成型；第一火次锻造时，终锻温度986℃；回炉，进行1240℃加热，保温4h，进行第二火次锻造，终锻温度971℃；回炉，在1210℃加热，保温5h，进行第三次锻造，终锻温度963℃。锻后在680℃进行50h热处理，随炉冷却到400℃以下出炉，空冷至室温。

3、根据阀箱毛坯尺寸，将不锈钢合金锻件进行粗加工；将钢锭加热到600℃，保温5h，加热到830℃，保温6h，加热到1020℃，保温14h。出炉后快速放入循环冷却水池中，冷却5min后出水，在空气中静置1分钟，再放入循环冷却水池中，30min后出水，在空气中静置2分钟，再放入循环冷却水池中42min以上，出水，在空气中静置10min后表面最高温度106℃，满足要求。随后将锻件毛坯加热到300℃，保温5h，加热到640℃，保温18h，水冷至120℃以下，再次加热到400℃，保温2h，加热到580℃，保温20h，炉冷至450℃以下，出炉并空冷至室温。

所得到的阀箱用不锈钢合金的各元素重量百分比为：

C0.10wt%、Cr13.85wt%、Ni6.71wt%、Mn0.82wt%、Mo0.35wt%、Si0.72wt%、Cu3.36wt%、Al0.023wt%、Nb0.42wt%、V0.07wt%、P0.007wt%、S0.004wt%、Sn0.005wt%、Sb0.005wt%、As0.005wt%、H1.2ppm、O14ppm、N63ppm，以及余量的Fe和不可避免的杂质组成。所得的阀箱用不锈钢合金的机械性能为：抗拉强度920MPa，屈服强度785MPa，延伸率20%，断面收缩率68%，低温-40℃冲击吸收功平均值112J。在20%HCI溶液环境下，0~450MPa交变应力条件下，其腐蚀疲劳寿命为1.23*10⁷。

实施例二

1、选取原料重量组分为脱磷铁水62份、铁合金29份和不锈钢废钢14份，采用电弧炉冶炼加炉外真空精炼的方法完成钢锭的初始冶炼，模铸成型后，将钢锭去除头部及尾部废料，制备成自耗电极，随后进行电渣重熔处理。将得到的电渣钢锭在650℃进行退火，随后去除钢锭坯料头部及尾部废料，并粗加工钢锭外表面，使任何表面均无氧化皮残留。

2、采用台阶式加热法对第1步中得到的钢锭进行加热，具体步骤为：将钢锭加热到600℃，保温5h，加热到830℃，保温6h，加热到1250℃，保温12h。锻造时采用3火次成型；第一火次锻造时，终锻温度960℃；回炉，进行1240℃加热，保温6h，进行第二火次锻造，终锻温度960℃；回炉，在1230℃加热，保温5h，进行第三次锻造，终锻温度972℃。锻后在550℃进行80h热处理，随炉冷却到400℃以下出炉，空冷至室温。

3、根据阀箱毛坯尺寸，将不锈钢合金锻件进行粗加工；将钢锭加热到650℃，保温3h，加热到860℃，保温4h，加热到1070℃，保温12h。出炉后快速放入循环冷却水池中，冷却30min后出水，在空气中静置10分钟，再放入循环冷却水池中，5min后出水，在空气中静置1分钟，再放入循环冷却水池中57min，出水，在空气中静置10min后表面最高温度91℃，满足要求。随后将锻件毛坯加热到400℃，保温2h，加热到580℃，保温30h，水冷至120℃以下，再次加热到300℃，保温5h，加热到640℃，保温12h，炉冷至450℃以下，出炉并空冷至室温。

所得到的阀箱用不锈钢合金的各元素重量百分比为：

C0.04wt%、Cr16.21wt%、Ni5.44wt%、Mn0.68wt%、Mo1.42wt%、Si0.35wt%、Cu0.47wt%、Al0.018wt%、Nb0.17wt%、V0.18wt%、P0.005wt%、S0.003wt%、Sn0.005wt%、Sb0.004wt%、As0.005wt%、H1.1ppm、O12ppm、N52ppm，以及余量的Fe和不可避免的杂质组成。所得的阀箱用不锈钢合金的机械性能为：抗拉强度910MPa，屈服强度760MPa，延伸率22%，断面收缩率71%，低温-40℃冲击吸收功平均值126J。在20%HCI溶液环境下，0~450MPa交变应力条件下，其腐蚀疲劳寿命为1.31*10⁷。

实施例三

1、选取原料重量组分为脱磷铁水60份、铁合金32份和不锈钢废钢7份，采用电弧炉冶炼加炉外真空精炼的方法完成钢锭的初始冶炼，模铸成型后，将钢锭去除头部及尾部废料，制备成自耗电极，随后进行电渣重熔处理。将得到的电渣钢锭在680℃进行退火，随后去除钢锭坯料头部及尾部废料，并粗加工钢锭外表面，使任何表面均无氧化皮残留。

2、采用台阶式加热法对第1步中得到的钢锭进行加热，具体步骤为：将钢锭加热到630℃，保温4h，加热到850℃，保温5h，加热到1230℃，保温12h。锻造时采用3火次成型；第一火次锻造时，终锻温度960℃；回炉，进行1220℃加热，保温6h，进行第二火次锻造，终锻温度960℃；回炉，在1210℃加热，保温5h，进行第三次锻造，终锻温度965℃。锻后在640℃进行60h热处理，随炉冷却到400℃以下出炉，空冷至室温。

3、根据阀箱毛坯尺寸，将不锈钢合金锻件进行粗加工；将钢锭加热到620℃，保温4h，加热到850℃，保温5h，加热到1050℃，保温11h。出炉后快速放入循环冷却水池中，冷却20min后出水，在空气中静置5分钟，再放入循环冷却水池中，25min后出水，在空气中静置5分钟，再放入循环冷却水池中45min，出水，在空气中静置10min后表面最高温度87℃，满足要求。随后将锻件毛坯加热到350℃，保温4h，加热到620℃，保温24h，水冷至120℃以下，再次加热到350℃，保温5h，加热到610℃，保温16h，炉冷至450℃以下，出炉并空冷至室温。

所得到的阀箱用不锈钢合金的各元素重量百分比为：

C0.06wt%、Cr15.38wt%、Ni6.10wt%、Mn0.43wt%、Mo0.76wt%、Si0.41wt%、Cu1.26wt%、Al0.015wt%、Nb0.26wt%、V0.13wt%、P0.008wt%、S0.005wt%、Sn0.005wt%、Sb0.005wt%、As0.005wt%、H1.4ppm、O14ppm、N58ppm，以及余量的Fe和不可避免的杂质组成。所得的阀箱用不锈钢合金的机械性能为：抗拉强度930MPa，屈服强度775MPa，延伸率21%，断面收缩率70%，低温-40℃冲击吸收功平均值119J。在20%HCI溶液环境下，0~450MPa交变应力条件下，其腐蚀疲劳寿命为1.27*10⁷。

本阀箱用不锈钢合金中各元素的功能如下：C是出于钢脱氧及确保强度。Cr可以确保钢的耐腐蚀性。Ni可以提高材料淬透性，从而提高强韧性的重要元素，并改善针对各种酸的耐蚀性。Mn可以脱氧、形成硫化物、增加淬透性及强韧性。Mo可以提高不锈钢耐蚀性，它能大幅度提高沉淀硬化型不锈钢的耐应力腐蚀能力。Cu可以提高不锈钢对酸的耐蚀性，并提高不锈钢的机加工性能。Al是重要的脱氧元素。Nb和V是可选择性添加一种或二种的元素，它们形成碳化物及氮化物，抑制不锈钢晶粒长大，同时强化基体。因此本发明的不锈钢合金具有高的腐蚀疲劳强度极限，能大大提高阀箱的使用寿命。