用于處理合金的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開涉及合金方法。本方法可用于例如（但不限于）化學(xué)、采礦、石油和天然氣 行業(yè)。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 用于化學(xué)處理設(shè)施中的金屬合金部件可在嚴苛條件下與高腐蝕性和/或侵蝕性 化合物接觸。例如，這些條件可能使金屬合金部件經(jīng)受高應(yīng)力并且大力促進腐蝕和侵蝕。如 果有必要更換化學(xué)處理設(shè)備的損壞、磨損或腐蝕的金屬部件，則可能有必要中止設(shè)施操作 一段時間。因此，延長化學(xué)處理設(shè)施中使用的金屬合金部件的有效使用壽命可以降低產(chǎn)品 成本。可例如通過改進合金的機械特性和/或耐腐蝕性來延長使用壽命。
[0004] 類似地，在石油和天然氣鉆井操作中，鉆柱組件可能由于機械、化學(xué)和/或環(huán)境條 件而降解。所述鉆柱組件可能經(jīng)受沖擊、磨損、摩擦、熱、磨耗、侵蝕、腐蝕和/或沉積。常規(guī) 合金可能遭受一種或多種影響其作為鉆柱組件的效用的限制。例如，常規(guī)材料可能缺乏足 夠的機械特性（例如，屈服強度、抗拉強度和/或疲勞強度），具有不足的耐腐蝕性（例如， 抗點蝕性和/或應(yīng)力腐蝕開裂），或缺乏必要的非磁性特性。此外，常規(guī)合金的特性可能會 限制由所述合金制成的鉆柱組件的可能的尺寸和形狀。這些限制可能降低組件的有效壽 命，使石油和天然氣鉆井復(fù)雜化并提高其成本。
[0005] 高強度非磁性不銹鋼通常含有降低合金的耐腐蝕性的金屬間沉淀物。在所述金屬 間沉淀物與基體合金之間產(chǎn)生的電化腐蝕電池可以顯著降低在石油和天然氣鉆井操作中 使用的高強度非磁性不銹鋼合金的耐腐蝕性。
[0006] 預(yù)期用于石油和天然氣行業(yè)中的勘探和開發(fā)鉆井應(yīng)用的一種高強度非磁性奧氏 體不銹鋼的寬泛化學(xué)組成公開于2011年12月20日提交的共同未決的美國專利申請序列 號13/331，135中，所述專利申請以全文引用的方式并入本文中。已發(fā)現(xiàn)，在所述'135申 請中描述的某些鋼的鍛造工件的微觀結(jié)構(gòu)可包括金屬間沉淀物。據(jù)認為，金屬間沉淀物是 由Fe-Cr-Ni金屬間化合物構(gòu)成的〇相沉淀物。所述〇相沉淀物可能損害所述'135申請 中公開的不銹鋼的耐腐蝕性，這可能不利地影響鋼用于特定侵蝕性鉆井環(huán)境中的適宜性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 根據(jù)本公開的一個非限制性方面，處理工件以抑制金屬間化合物的沉淀的方法包 括對包括奧氏體合金的工件的熱機械加工和冷卻中的至少一種。在所述工件的熱機械加 工和冷卻中的至少一種期間，所述奧氏體合金處于跨越正好低于所述奧氏體合金的O固 溶線溫度計算值的溫度至冷卻溫度的溫度范圍內(nèi)的溫度下，持續(xù)時段不大于臨界冷卻時 間。所述O固溶線溫度計算值是以重量百分比計的奧氏體合金的組成的函數(shù)并且等于 1155.8-(760.4) ?(鎳/鐵）+ (1409) ?(鉻/鐵）+ (2391. 6) ?(鉬 /鐵）-(288. 9) ?(錳/ 鐵）-(634. 8) ?(鈷/鐵）+ (107. 8) ?(鎢/鐵）。所述冷卻溫度是以重量百分比計的奧氏體合 金的組成的函數(shù)并且等于1290. 7-(604. 2) ?(鎳/鐵）+ (829. 6) ?(鉻/鐵）+ (1899. 6) ?(鉬 /鐵）-(635. 5) ?(鈷/鐵）+ (1251. 3) ?(鎢/鐵）。所述臨界冷卻時間是以重量百分比 計的奧氏體合金的組成的函數(shù)并且等于l〇g1Q2. 948+(3. 631) ?(鎳/鐵）-(4. 846) ?(鉻/ 鐵）-(11. 157) ?(鉬 /鐵）+ (3. 457) ?(鈷/鐵）-(6. 74) ?(鎢 /鐵）。
[0008] 在所述方法的某些非限制性實施方案中，工件的熱機械加工包括工件的鍛造。所 述鍛造可包括例如輥鍛、模鍛、開坯、開式模鍛、壓式模鍛、壓力鍛造、自動熱鍛、徑向鍛造和 頂鍛中的至少一種。在所述方法的某些非限制性實施方案中，臨界冷卻時間是在10分鐘至 30分鐘的范圍內(nèi)，大于10分鐘，或大于30分鐘。
[0009] 在所述方法的某些非限制性實施方案中，在所述工件的熱機械加工和冷卻中的至 少一種之后，將所述工件加熱至與O固溶線溫度計算值至少同樣高的退火溫度，并且在所 述退火溫度下將所述工件保持足以使工件退火的一段時間。隨著工件從退火溫度冷卻，奧 氏體合金處于跨越正好低于O固溶線溫度計算值的溫度至冷卻溫度的溫度范圍內(nèi)的溫度 下，持續(xù)時間不大于臨界冷卻時間。
[0010] 根據(jù)本公開的另一個非限制性方面，處理奧氏體合金工件以抑制金屬間化合物 的沉淀的方法包括鍛造所述工件，冷卻所述鍛造的工件，和任選地將所述冷卻的工件退 火。在工件的鍛造和鍛造工件的冷卻期間，奧氏體合金冷卻通過跨越正好低于所述奧氏體 合金的〇固溶線溫度計算值的溫度至冷卻溫度的溫度范圍，持續(xù)時間不大于臨界冷卻時 間。所述〇固溶線溫度計算值是以重量百分比計的奧氏體合金的組成的函數(shù)并且等于 1155.8-(760.4) ?(鎳/鐵）+ (1409) ?(鉻/鐵）+ (2391. 6) ?(鉬 /鐵）-(288. 9) ?(錳/ 鐵）-(634. 8) ?(鈷/鐵）+ (107. 8) ?(鎢/鐵）。所述冷卻溫度是以重量百分比計的奧氏體合 金的組成的函數(shù)并且等于1290. 7-(604. 2) ?(鎳/鐵）+ (829. 6) ?(鉻/鐵）+ (1899. 6) ?(鉬 /鐵）-(635. 5) ?(鈷/鐵）+ (1251. 3) ?(鎢/鐵）。所述臨界冷卻時間是以重量百分比 計的奧氏體合金的組成的函數(shù)并且等于l〇g1Q2. 948+(3. 631) ?(鎳/鐵）-(4. 846) ?(鉻/ 鐵）-(11. 157) ?(鉬/鐵）+ (3. 457) ?(鈷/鐵）-(6. 74) ?(鎢/鐵）。在某些非限制性實 施方案中，工件的鍛造包括輥鍛、模鍛、開坯、開式模鍛、壓式模鍛、壓力鍛造、自動熱鍛、徑 向鍛造和頂鍛中的至少一種。
[0011] 在所述方法的某些非限制性實施方案中，工件的鍛造完全發(fā)生在大于〇固溶線 溫度計算值的溫度下。在所述方法的某些其它非限制性實施方案中，工件的鍛造通過O固 溶線溫度計算值發(fā)生。在所述方法的某些非限制性實施方案中，臨界冷卻時間是在10分鐘 至30分鐘的范圍內(nèi)，大于10分鐘，大于30分鐘。
【附圖說明】
[0012] 通過參考附圖可更好地理解本文所述的裝置和方法的特征和優(yōu)點，在所述附圖 中：
[0013] 圖1是示出非磁性奧氏體合金的徑向鍛造工件的中半徑處微觀結(jié)構(gòu)中的有害金 屬間沉淀物的顯微照片；
[0014] 圖2是預(yù)測合金中0. 1重量％O相金屬間沉淀的動力學(xué)的等溫轉(zhuǎn)變曲線或TTT 曲線；
[0015] 圖3是示出根據(jù)本公開的方法從奧氏體合金的實驗工件的徑向鍛造得到的工件 中心溫度計算值、中心溫度計算值、表面溫度計算值和實際溫度的曲線圖；
[0016] 圖4是根據(jù)本公開的實施方案在相關(guān)成形和冷卻溫度和時間下的TTT曲線；
[0017] 圖5是根據(jù)本公開用于制造可用于石油和天然氣行業(yè)中的勘探和開發(fā)鉆井應(yīng)用 的特定直徑形式的高強度非磁性鋼的方法的非限制性實施方案的示意圖；
[0018] 圖6是具有如根據(jù)本公開的實施方案計算的比較短的臨界冷卻時間的合金的實 施方案的TTT線圖；
[0019] 圖7是根據(jù)本公開使用大于為避免O相的金屬間沉淀所需的臨界冷卻時間計算 值的實際冷卻時間所制造的經(jīng)過鍛造的9英寸直徑工件的中心區(qū)域的顯微照片；
[0020] 圖8是具有如根據(jù)本公開的實施方案計算的比較長的臨界冷卻時間的合金的實 施方案的TTT線圖；
[0021] 圖9是示出根據(jù)本公開使用小于為避免〇相的金屬間沉淀所需的臨界冷卻時間 計算值的實際冷卻時間的經(jīng)過鍛造的9英寸直徑工件的中半徑的微觀結(jié)構(gòu)的顯微照片；
[0022] 圖10是溫度相對于距本公開的實施例3中使用的熱處理的梯度爐的后壁的距離 的曲線圖；
[0023] 圖11是繪制了在本公開的實施例3中使用的取樣溫度梯度（水平線）和臨界冷 卻時間（垂直線）的TTT線圖；
[0024] 圖12是將在不同溫度下保持12分鐘的樣品的微觀結(jié)構(gòu)疊置在本公開的實施例3 的TTT線圖上的圖；
[0025] 圖13是將在1080°F下保持不同時間的樣品的微觀結(jié)構(gòu)疊置在本公開的實施例 3的TTT線圖上的圖；
[0026] 圖14A是示出在根據(jù)本公開的臨界冷卻時間計算值內(nèi)退火并冷卻并且不含〇相 沉淀物的本公開的實施例4的合金的表面區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)的顯微照片；
[0027] 圖14B是示出在根據(jù)本公開的臨界冷卻時間計算值內(nèi)退火但未在其中冷卻并且 顯示〇相沉淀物的本公開的實施例4的合金的中心區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)的顯微照片；
[0028] 圖15A是示出在根據(jù)本公開的臨界冷卻時間計算值內(nèi)鍛造并冷卻并且不含〇相 沉淀物的本公開的實施例5的合金的表面區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)的顯微照片；
[0029] 圖15B是示出在根據(jù)本公開的臨界冷卻時間計算值內(nèi)鍛造并冷卻并且不含〇相 沉淀物的本公開的實施例5的合金的中心區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)的顯微照片；
[0030] 圖16A是示出在超過根據(jù)本公開的臨界冷卻時間計算值的時間內(nèi)鍛造并冷卻并 且在晶粒邊界處顯示〇相沉淀物的本公開的實施例6的合金的中半徑處的微觀結(jié)構(gòu)的顯 微照片；
[0031] 圖16B是示出在根據(jù)本公開的臨界冷卻時間計算值內(nèi)的時間鍛造并