[发明专利]一种钻具用无磁钢及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无磁钢，特别涉及一种钻具用无磁钢及其制备方法。

背景技术

石油钻具是石油及天然气钻采设备重要的部件，是石油专用管材的重要组成部分。根据油气勘探，开发的地质地理条件和工程需要，钻井作业中井眼轨迹控制是勘探井和开发井生产中的关键技术。需在钻柱下部连接一定长度用无磁性钻具(壁厚一般在30mm-103mm之间)实时监测井眼的斜度和方位，以便及时调整。随着各种复杂条件下开采技术飞速发展，无论在陆地还是海洋上，对于无磁钻井工具提出了很高的要求。

石油钻具常用的无磁钢一般均为高铬、高镍的奥氏体不锈钢，也有采用以锰代镍、以氮代碳的奥氏体不锈钢。其中典型的材料为1Cr18Ni9Ti、W1813N等，此类材料虽也为无磁钢，但它仍具有弱磁性，强度、抗晶间腐蚀性能不能很好的满足无磁钻具使用的相关要求。

中国专利(公开号CN 1100176A)公开了一种高强度无磁钻铤用钢，其特征在于冶炼后需经过锻造过程，第一步：开坯锻造，温度：1100℃～1200℃，保温2小时，锻造比2～3；第二步：二次精锻成型，总锻比6～8，温度900℃～1100℃，最后留20％～30％在650℃～950℃锻造进行形变强化处理，锻后快冷。此种奥氏体无磁钢以靠形变强化使钢的屈服强度提高到700MPa。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种钻具用无磁钢及其制备方法，通过合理控制各元素的化学成分，并通过沉淀强化热处理来提供一种有高强韧性、可加工性好、磁导率低，稳定性能好，生产成本低的无磁钢。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种钻具用无磁钢，其特征在于该无磁钢化学成分按重量百分比含有C 0.30～0.40％，Si≤0.8％，Mn 7.0～9.0％，P≤0.06％，S≤0.01％，Cr 3.0～4.0％，Ni 8.0～10.0％，V 1.0～1.5％，其余量为铁。

制备该钻具用无磁钢的方法，包括以下工艺：

①原料按比例配置后进行锻造；

②在1100℃～1150℃温度下进行固溶热处理；

③然后进行水冷处理；

④在650℃温度下，进行24小时的时效处理；

⑤最后出炉空冷。

在Fe-Mn-C系中一般以中碳及高锰(18-20％)来获得稳定奥氏体。生产实践表明，含锰量高达20％的钢中其热加工、冷加工、切削、磨削等工艺均不够理想，因此以部分镍来取代部分锰，同时为进一步改善冷加工性加入4％的铬构成9Ni-8Mn-4Cr的基体。为进一步稳定奥氏体在Fe-Mn-C系中加入适量的铬，在中碳含量时并不出现高温铁素体相，同时可以改善高锰钢的加工性能。在高锰高铬中碳钢中加入钒，经时效后碳与钒形成碳化物弥散析出，碳化钒弥散强化提高了钢的强度，在含钒量为1.0～1.5％范围时碳含量对机械性能影响极为显著。磷含量≤0.06％，在奥氏体钢中磷无很大危害性，适当放宽磷的限制有利于使用返回料或高碳锰铁(含磷较高)，以降低钢的成本。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)由于合理控制了各元素的化学成分，使无磁钢具有较高强韧性、可加工性好、磁导率低，稳定性能好，生产成本低的特点。

(2)由于采用了沉淀强化的热处理方法，可以使奥氏体固溶体中析出弥散分布的第二相，这种第二相质点对钢的基体起强化作用。无磁钢在完全固溶后获得单一奥氏体组织，经时效后C与V形成的碳化物弥散析出，通过碳化钒的弥散析出提高了钢的强度。通过热处理充分发挥钢的机械性能潜力。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

本发明钻具用无磁钢的制备方法，包括以下工艺：

①将精纯原料按：C 0.38％，Si 0.75％，Mn 8.35％，P 0.023％，S 0.009％，Cr 4.25％，Ni 8.16％，V 1.27％，其余量为铁的比例配置，在常压炉冶炼，经锻造开坯制成热处理试样，锻造工艺参数为：

一次开坯锻造温度：1160～1200℃，终锻温度：900℃锻造比：不小于3.0

二次精锻加热温度：1140～1180℃，终锻温度：850℃锻造比：不小于2.5

②在1120℃的温度下进行固溶热处理；

③然后进行水冷处理；

④在650℃温度下，进行24小时的时效处理；

⑤最后出炉空冷。