專利名稱：雙相不銹鋼合金及其用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種不銹鋼合金，尤其是一種雙相不銹鋼合金，其具有鐵素體-奧氏體基體并在含氯化物的環(huán)境中具有高的耐腐蝕性，在高溫中使用具有好的組織穩(wěn)定性和熱加工性，高的耐腐蝕性和好的機械性能，如高的極限強度，好的延展性和強度，其尤其適用于在石油和天然氣勘探中配線的應(yīng)用，如鋼絲，用作滑線的繩索和線，鋼索和測井電纜。
背景技術(shù)：
由于當諸如石油和天然氣的這些資源變得很少并且品質(zhì)很差時這些自然資源的取用更加受限制，因此努力發(fā)現(xiàn)新的資源或由于提取和后續(xù)工序象運輸和原料的進一步加工、資源的維護和測量操作的成本非常高而至今仍沒有被開采的資源。
深海海底的石油和天然氣的勘探是一種既定技術(shù)。從水面上控制設(shè)備與物品在源頭往復(fù)的運輸和信號與能量的傳送。在很深的水域為了上述的應(yīng)用運輸距離可能達到10,000米之多。不銹鋼的鋼絲，繩索或電纜廣泛的應(yīng)用于石油和天然氣的海上勘探。
所謂的鋼索今天通常以這種方式制造，其包含若干單獨的電導(dǎo)線或諸如光導(dǎo)纖維電纜的電纜，其中它們整個被一層或若干層螺旋形伸長的鋼絲覆蓋。鋼品位的選擇主要決定于為了滿足強度、極限強度和延展性結(jié)合適當?shù)哪透g性尤其是在石油和天然氣勘探的條件下的要求。
使用受到限制主要由于在石油和天然氣工業(yè)中反復(fù)使用的抗疲勞強度，尤其是當用作滑線，鋼索或測井電纜和在反復(fù)卷曲和通過一個所謂滑輪進行運輸中的應(yīng)用。原料的使用限制在所使用的鋼絲原料的極限強度區(qū)域。冷變形程度即關(guān)于延展性通常被優(yōu)化。尤其是奧氏體原料不能滿足實際應(yīng)用的要求。
最近幾年，當耐腐蝕性金屬材料的使用環(huán)境已經(jīng)變得很苛刻時，要求提高材料的耐腐蝕性和機械性能。雙相鋼合金，被確認為至今所用鋼合金如高合金奧氏體鋼，鎳基合金或其他高合金鋼的替代物，其沒有從研制中被排斥。當周圍隔離的塑性材料如聚亞氨酯在反復(fù)卷曲期間很快損壞和報廢時，線，索或繩暴露于高的機械性能和高腐蝕性環(huán)境中，對抗腐蝕性有很高的要求。因此最近的研制針對用加強線作為最外層。
此外，為了一定的冷變形程度，有一個比現(xiàn)有技術(shù)所達到的強度更高的要求。
現(xiàn)今使用的雙向合金的缺點是在鋼中存在硬脆金屬間偏析，如西格瑪相，尤其是在加工期間或后續(xù)工作期間的熱處理之后。這導(dǎo)致更硬的材料具有更壞的加工性能和最終更壞的耐腐蝕性而且可能裂紋擴展。
此外，為了提高雙相不銹鋼的耐腐蝕性，要求增加鐵素體和奧氏體相的PRE值同時不削弱材料的組織穩(wěn)定性或加工性能。如果在兩相中分析沒有均等的活性合金要素，那末一相將變的對瘤狀或裂縫腐蝕敏感。因此，更多的腐蝕敏感相將控制合金的抗蝕性而大部分合金相控制組織穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種雙相不銹鋼合金，其具有高的耐腐蝕性和好的機械性能如高的沖擊強度，好的延展性和強度。
本發(fā)明進一步的目的是提供一種雙相不銹鋼合金，其尤其適于用在石油和天然氣的勘探中的配線的應(yīng)用如鋼絲，用作所謂滑線的繩索和線，鋼索和測井電纜。因此，本發(fā)明的目的是提供一種雙相不銹鋼合金，其具有鐵素體-奧氏體基體并在含氯化物的環(huán)境中具有高的耐腐蝕性，在高溫中使用，好的組織穩(wěn)定性和熱加工性。
本發(fā)明所述的材料，具有大量的合金元素，呈現(xiàn)出良好的加工性能，因此，適用于鋼絲的生產(chǎn)。
本發(fā)明所述合金能有利的在滑線的應(yīng)用作為隔離線，和用作所謂的編線，那里若干直徑相同或不同的鋼絲被弄在一起。
用本發(fā)明的合金來實現(xiàn)這些目的，其包括(重量％)。


圖1示出從“綠色之死(green death)”溶液中的改良的美國材料實驗協(xié)會(ASTM)G48C測試中測試熔煉體得出的與雙相鋼SAF2507和SAF2906相比的CPT值。
圖2示出從“綠色之死”溶液中的改良ASTM G48C測試后測試熔煉體得出的與雙相鋼SAF2507和SAF2906相比的CPT值。
圖3示出在溫度75度含2％HCl的條件下的重量損失平均值，毫米/每年。
圖4示出SAF2205型合金的沖擊強度和屈服點的數(shù)據(jù)。
圖5示出本發(fā)明所述合金的沖擊強度和屈服點的數(shù)據(jù)。
具體實施例方式
系統(tǒng)的研制工作已經(jīng)驚人的呈現(xiàn)出具有本發(fā)明所述的合金元素含量的合金滿足這些要求。
對于本發(fā)明合金元素的重要性。
碳在鐵素體和奧氏體兩者中具有限定的溶解度。這一限定的溶解度暗示存在碳化鉻偏析的危險，因此含量應(yīng)被限制為不超過0.03重量％，優(yōu)選不超過0.02重量％。
硅被用作煉鋼時的脫氧劑并提高生產(chǎn)和焊接時的流動性。然而，過高的Si含量將導(dǎo)致不良金屬間相的沉淀。由此，生產(chǎn)含量應(yīng)限于最大為0.5重量％，較佳限于最大為0.3％。
錳被加入以提高N在所述材料的溶解性。然而，發(fā)現(xiàn)錳對現(xiàn)有典型合金中的N溶解性僅有有限的影響。而有一些其它元素對該溶解性具有更高的影響。此外，錳可與含量較高的硫結(jié)合生成硫化錳，這是作為點腐蝕的起始點。因此，錳的含量應(yīng)當限制在一個有價值的范圍0-0.3重量％，優(yōu)選0.5-1.2重量％。
鉻是提高對大多數(shù)腐蝕類型的耐受性的極活性的元素。高含量的鉻進一步導(dǎo)致在所述材料中具有極好的氮溶解性。由此，是需要保持盡可能高的鉻含量以改進抗腐蝕性。為了得到極好的耐腐蝕性，鉻的含量至少應(yīng)為24.0重量％，優(yōu)選26.5-29.0重量％。然而，高含量的鉻增加了金屬間沉淀的趨勢，由此Cr含量應(yīng)當限制最大為30.0重量％。
鎳將用作奧氏體穩(wěn)定化元素并將以合適的量添加，以致于將得到所需含量的鐵素體。為了在奧氏體和鐵素體相之間得到40-65體積％的鐵素體，則要求添加4.9-10.0重量％范圍的鎳，優(yōu)選4.9-9.0重量％，尤其是6.0-9.0重量％。
鉬是在氯化物環(huán)境尤其在還原性酸條件中提高耐腐蝕性的活性元素。如果太高含量的鉬結(jié)合太高含量的鉻那末能增加金屬間沉淀的量。因此Mo的含量應(yīng)在3.0-5.0重量％的范圍內(nèi)，優(yōu)選3.6-4.9重量％，更好是4.4-4.9重量％。
氮是極活性的元素，其增加了材料的耐腐蝕性，組織穩(wěn)定性以及強度。另外，高氮含量增加了奧氏體在焊接后的修復(fù)性，其使得在焊縫處具有極好的性能。為了得到好的氮效應(yīng)，其含量應(yīng)至少為0.28重量％。如果氮含量高，那末由于超過N在熔體中的熔解性，孔隙度增加。由于這些原因，N含量應(yīng)當限制在最大為0.5重量％，并且優(yōu)選的添加量應(yīng)為0.35-0.45重量％N。
如果Cr和N的含量都過高，那末將導(dǎo)致Cr2N沉淀，其應(yīng)該被避免，由于其引起機械性能的損傷，尤其在熱處理期間，例如在焊接中。
硼被添加以增加材料的熱加工性能。太高硼含量對目前的焊接性能和耐腐蝕性有負面影響。因此，硼的含量應(yīng)該大于0小于0.0030重量％。
硫通過形成易溶解的硫化物而負面影響了耐腐蝕性。導(dǎo)致熱加工性變差，因此硫的含量應(yīng)當限制在最大為0.010重量％。
鈷被添加優(yōu)先增強組織穩(wěn)定性和耐腐蝕性。Co是一種奧氏體穩(wěn)定劑。為了實現(xiàn)它的結(jié)果在合金中至少加入0.5重量％，優(yōu)選至少1.0重量％。因為鈷是一種相對昂貴的元素，所以鈷的加入量應(yīng)該限制在最大為3.5重量％。
鎢增加反抗點和裂縫腐蝕的抗力。加入太多的鎢結(jié)合高的Cr和Mo含量將增加金屬間沉淀的危險。本發(fā)明中鎢的含量應(yīng)位于0-3.0重量％范圍內(nèi)，優(yōu)選的在0-1.8重量％之間。
銅被添加以增加在酸性環(huán)境中例如在硫酸中總體耐腐蝕性。Cu也影響組織穩(wěn)定性。然而，高的含Cu量導(dǎo)致過分的固溶度。因此，Cu的含量應(yīng)該限制在最大為2重量％，優(yōu)選的在0.1和1.5重量％之間。
釕被加入合金是為了增加耐腐蝕性。然而，由于釕是非常昂貴的元素，所以它的含量應(yīng)該限制在最大為0.3重量％，優(yōu)選大于0并小于等于0.1重量％。
鋁和鈣在鋼生產(chǎn)中應(yīng)用作還原成分。Al的含量應(yīng)限制在最大為0.03重量％以限制氮化物的形成。Ca在熱延展性上有積極的影響但是Ca含量應(yīng)該被限制在0.01重量％以避免不理想的渣量。
為了得到好的機械性能和腐蝕性能以及好的焊接性，鐵素體的含量是重要的。從腐蝕性和可焊接性方面看，是希望鐵素體含量為40-65％以獲得良好的性能。高鐵素體含量進一步導(dǎo)致惡化低溫沖擊強度以及對氫脆性的耐受性。因此鐵素體含量是40-65體積％，優(yōu)選42-65體積％，更優(yōu)選45-55體積％。
在下列實施例中，顯示了測試錠料的數(shù)據(jù)分析，將舉例說明不同合金元素對性能的影響。錠料605182作為一個分析基準，因而不包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。而且，不能認為其他的錠料限制了本發(fā)明，而是依照專利權(quán)利要求限定了說明本發(fā)明的錠料的實施例。給定的PRE值總是根據(jù)PREW公式所得計算值有關(guān)，即使沒有明確的聲明。
實施例1本實施例所述的測試錠料是通過實驗室中的170kg的鑄件熱鍛成棒材來制造的。同時熱擠壓成棒型(棒材和扁條鋼)，實驗材料取樣于棒材。扁條鋼在進行冷軋之前先進行熱處理，然后抽樣另一塊測試材料。從材料學的角度看，這一過程被認為是大規(guī)模生產(chǎn)的典型代表。
表1

為了測驗材料的組織穩(wěn)定性，從每種錠料上取下的試樣在900-1150℃進行退火，溫度幅度50℃，然后分別在空氣和水中進行淬火。在最低溫度處形成金屬間相。最低溫度，金屬間相的數(shù)量非常少，依靠光學顯微鏡的觀察所得。對從各錠料上取下來的新的試樣在所述溫度進行5分鐘熱處理，然后試樣以恒定的冷卻速度-140℃/min冷卻到室溫。
所有的錠料的點腐蝕性能按順序在一種叫做“綠色之死”溶液中測得，該溶液組成為1％FeCl3，1％CuCl2，11％H2SO4，1.2％HCl。試驗過程符合ASTM G48C的點腐蝕測驗，但在更具有腐蝕性的“綠色之死”溶液中完成。此外，一些錠料是根據(jù)ASTM G48C(2次測驗/錠料)進行測量的。電化學測試在3％NaCl液中(6次測驗/錠料)完成。通過所有實驗所得的結(jié)果以臨界腐蝕溫度(CPT)的形式表示見表2，比如總的合金成份以及奧氏體和鐵素體的PREW值(Cr+3.3(Mo+0.5W)+16N)。指數(shù)α與鐵素體相關(guān)，γ與奧氏體相關(guān)。
表2

已經(jīng)測得所有錠料在室溫(RT)、100℃和200℃下的強度值和室溫下的沖擊阻力值，而且表明了三種測量的平均值。
拉伸試樣(DR-5C50)由直徑為20mm的擠壓條制造而成，按照表2所示在室溫下將擠壓條進行20分鐘熱處理，然后在空氣或者水中(605195，605197，605184)冷卻。測驗結(jié)果見表3所示。拉伸強度測驗結(jié)果表明鉻、氮、鎢的含量顯著影響了材料的拉伸強度。除了605153所有的錠料在室溫(RT)下進行拉伸測試均滿足了25％的伸長率的要求。
表3

實施例2在以下的實施例中，給出了其它一定數(shù)目的測驗錠料的成分，目的是尋找最優(yōu)成分。這些錠料得以改良，基于這些錠料具有良好的組織穩(wěn)定性和良好的抗腐蝕能力，如從試樣1所測結(jié)果表明。表4中所有的錠料均通過本發(fā)明的成分，1-8錠料列于穩(wěn)定性測驗計劃，e-n錠料是在本發(fā)明范圍內(nèi)的測試合金。
許多試驗錠料由澆鑄而成的270kg鑄錠，其熱鍛成圓棒。這些圓棒擠壓成條，作為測驗樣品。然后這些條在條鋼冷軋前進行加熱，然后取出額外的試驗樣品。表4顯示了上述測驗材料的成分。
表4

通過顯微分析來研究合金元素在鐵素體和奧氏體相的分布狀態(tài)，結(jié)果如表5所示。
表5

所有錠料的點腐蝕性按順序都已經(jīng)通過“綠色之死”溶液(1％FeCl3，1％CuCl2，11％H2SO4，1.2％HCl)進行測試。
測驗過程與依據(jù)ASTM G48C的點蝕測驗相同，除了該試驗用了比6％FeCl3更具有腐蝕性的溶液，所謂的“綠色之死”溶液。同樣，一般的腐蝕測驗是在2％HCl(2種測驗/錠料)中按順序在露點測驗前完成。所有的試驗結(jié)果見表6、圖2和圖3。所有的測驗錠料表現(xiàn)好于SAF2507在“綠色之死”溶液中的結(jié)果。所有測試錠料的PRE奧氏體與PRE鐵素體的比例位于0.9-1.15區(qū)間，優(yōu)選0.9-1.05，同時在奧氏體和鐵素體的PRE高于44，并且對于大部分的錠料也基本上高于44。一些錠料甚至超過了極限總量PRE50。值得注意的是，在“綠色之死”溶液中，盡管605251錠料的含鉻量較低，用1.5％的鈷合金化的605251錠料與用0.6％的鈷合金化的605250錠料幾乎可以達到平衡。尤其讓人驚奇和注意的是，當錠料605251的PRE值大約為高于今天任何一種工業(yè)超復(fù)合合金的PRE值48的同時，Tmax西格馬值低于1010℃，基于實施例1在表2所示的數(shù)值，表明其具有良好的組織穩(wěn)定性。
表6

表7

為了研究更加詳細的組織穩(wěn)定性，測試件在1080℃，1100℃和1150℃回火20分鐘之后在水中淬火。
金屬間相的量達到可忽略時的溫度取決于光學顯微鏡的觀察手段。這些在1080℃退火后又經(jīng)過水淬的試樣的微觀結(jié)構(gòu)的對比表明了哪種錠料更易于包括不希望得到的西格馬相。結(jié)果見表8。結(jié)構(gòu)控制表明錠料605249，605251，605252，605253，605254，605255，605259，605260，605266和605267不含有不希望得到的西格馬相。此外，含1.5％的鈷合金化的錠料605249不含有西格馬相，但是含0.6％的鈷合金化的錠料605250含有一些西格馬相。兩種錠料含鉻量高，幾乎達到29重量％，并且所含鉬也幾乎達到4.25重量％。如果我們對錠料605249，605250，605251和605252的西格馬相的含量的成分對比，那末明顯地看出，關(guān)于組織穩(wěn)定性的最優(yōu)材料的成分區(qū)間是很窄的。此外，它也呈現(xiàn)出僅含有較少西格馬相的錠料605268與含有大量西格馬相的錠料605263的對比。這兩種錠料本質(zhì)的不同是錠料605268中添加了銅。在錠料605266和錠料605267中，由于高的鉻含量而不含西格馬相，后者是用銅合金化的。另外，含有1.0重量％鎢的錠料605262和605263有含有大量西格馬相的結(jié)構(gòu)，同時值得注意的是，同樣含有1.0重量％鎢但氮含量比錠料605262和605263要高的605269錠料含有顯著較少的西格馬相。因此，為了獲得良好的組織特性，就要要求在涉及這些高含量合金元素比如鉻和鉬的不同合金元素間的平衡。
表8

實施例3在鋼索應(yīng)用中的鋼絲應(yīng)力圖主要由表9所示的三個組分組成依照方程(1)所示的鋼絲靜載荷，依照方程(2)所示的沖擊載荷和依照方程(3)所示的通過供給設(shè)備的不同的支撐輪引起的應(yīng)力和依照方程(4)所述的以部分張力總和表示的總張力，以下描述，較高的張力/極限強度能夠運用比較小的供給輪同時較大的單位面積添加載荷。
表9

一根長鋼絲能在理想應(yīng)用中作為30,000英尺的滑線并且將呈現(xiàn)出顯著的靜載荷，其將加載在鋼絲上。靜載荷通常通過不同曲率的輪支撐，其將增加鋼絲的沖擊載荷。用于輪子的較小的曲率半徑暗示鋼絲上具有較高的彎曲載荷。同時，較小的鋼絲直徑將支撐較大的線圈量。
本發(fā)明所述合金在相關(guān)鋼索的應(yīng)用環(huán)境中呈現(xiàn)出令人驚訝的非常高的耐腐蝕性。
與常規(guī)合金比較通過本發(fā)明的一個特定簡化例可以獲得的合金的較高強度。因此，根據(jù)以下數(shù)據(jù)獲得2.08mm(.082”)的物品的伸長量錠料456904最終尺寸2.08mmE—模量195266N/mm2Rm1858N/mm2斷裂載荷6344N＝1426lbf不存在西格馬相延展性合格表10給出了本發(fā)明所述合金與至今所用合金的強度和斷裂載荷比較表10

這些性能將使本發(fā)明的合金非常適于用在O&G工業(yè)中如在鋼索、滑線或控制電纜中應(yīng)用。
總結(jié)本發(fā)明具有獨特之處·高耐腐蝕性·在熱處理狀態(tài)和冷處理后都具有高強度·好的延展性·好的組織穩(wěn)定性，在控制溫度的條件下，維持金屬間相偏析的最小危險·好的熱加工性能
權(quán)利要求
1.鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼合金，包括(重量％)C大于0至最多為0.03％Si 至多為0.5％Mn 0-3.0％Cr 24.0-30.0％Ni 4.9-10.0％Mo 3.0-5.0％N0.2％-0.5％B0-0.0030％S至多為0.010％Co 0-3.5％W0-3.0％Cu 0-2.0％Ru 0-0.3％Al 0-0.03％Ca 0-0.010％并且其余的是Fe和通常存在的雜質(zhì)和添加劑，由此鐵素體含量為40-65體積％，在熱處理條件下和冷處理后都具有高強度，好的延展性，好的組織穩(wěn)定性，控制環(huán)境溫度來維持金屬間相沉淀的最小危險又保持好的熱加工性。
2.權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于鉻的含量為26.5-29.0重量％。
3.權(quán)利要求1-2所述的合金，其特征在于鉻的含量為26.5-29.0重量％。
4.權(quán)利要求1-3所述的合金，其特征在于鎳的含量為5.0-8.0重量％。
5.權(quán)利要求1-4所述的合金，其特征在于鉬的含量為3.6-4.7重量％。
6.權(quán)利要求1-5所述的合金，其特征在于氮的含量為0.35-0.45重量％。
7.權(quán)利要求1-6所述的合金，其特征在于釕的含量為0到0.3重量％，優(yōu)選的大于0并一直到0.1重量％。
8.權(quán)利要求1-7所述的合金，其特征在于鈷的含量為0.5-3.5重量％，優(yōu)選的大于0并一直到0.1重量％。
9.權(quán)利要求1-8所述的合金，其特征在于銅的含量為0.5-2.0重量％，優(yōu)選的1.0-1.5重量％。
10.權(quán)利要求1所述合金在含氯化物環(huán)境中尤其是海水環(huán)境中的石油和天然氣勘探中的配線如鋼絲，用作所謂的滑線的繩索和線，鋼索和測井電纜的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種不銹鋼合金，尤其是一種雙相不銹鋼合金，其具有鐵素體－奧氏體基體和高耐腐蝕性結(jié)合好的組織穩(wěn)定性，尤其是一種雙相不銹鋼具有40－65％的鐵素體和適當?shù)钠胶獬煞侄医Y(jié)合的高耐腐蝕性和良好的機械性能，如高的極限強度和好的延展性，其尤其適用于石油和天然氣的勘探如鋼絲，尤其是在鋼索應(yīng)用中作為加固線。本發(fā)明的這些目的通過一種雙相不銹鋼合金來達到，其包含(重量％)C0－0.03％、Si最大為0.5％、Mn0－3.0％、Cr24.0－30.0％、Ni4.9－10.0％、Mo3.0－5.0％、S最大為0.010％、Co0－3.5％、W0－3.0％、Cu0－2.0％、Ru0－0.3％、Al0－0.03％、Ca0－0.010％，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
文檔編號C22C38/52GK1756855SQ200480005769
公開日2006年4月5日 申請日期2004年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月2日
發(fā)明者安德斯·林德 申請人:山特維克知識產(chǎn)權(quán)股份有限公司