[发明专利]一种高锰无氮型高强高韧抗氢脆奥氏体不锈钢及制备方法

说明书

一种高锰无氮型高强高韧抗氢脆奥氏体不锈钢及制造方法，其化学成分为：C0.05％，Si0.50％，Mn：6～10％，Cr：12～16％，Ni：4.5～6.5％，Mo：0.5～3％，S0.01％，P0.03％，余量为Fe和微量添加的Nb、Ti、V、Al、Cu及不可避免的杂质元素。制造方法包括冶炼(铸造)、锻造(热轧)、轧制、回火等工艺步骤。本发明制造的高强高韧不锈钢特点是基于13Cr‑5Ni‑2Mo/15Cr‑6Ni‑2Mo超级马氏体不锈钢，通过添加廉价的Mn元素进行奥氏体化，通过残余马氏体背应力强化和奥氏体基体的细晶强化实现高强度，通过相变获得高韧性，通过奥氏体化提高材料的抗H₂S(氢脆)应力腐蚀性能。本发明制造的高强钢，在保持好的耐蚀性的同时拥有极高韧性和抗氢脆性能。本发明工艺简单，易实现产业化，能够用于含H₂S油(气)的油管和在耐蚀性和抗氢脆要求高的环境使用。

技术领域

本发明涉及一种高锰低碳无氮的高强高韧抗氢脆奥氏体不锈钢及其制备方法，尤其涉及一种可作为深井油气管线材料和原油、天然气的输送设备材料的高强不锈钢。

背景技术

我国通用的13Cr/15Cr型不锈钢主要为马氏体型不锈钢，主要合金元素为C和Cr。这种类型的钢因其具有较高的硬度，低廉的成本而被广泛的运用。遗憾的是由于大量的C的加入会形成Cr₂₃C₆，降低有效Cr含量，同时生成的Cr₂₃C₆易偏聚在晶界导致晶间腐蚀。因此，传统马氏体不锈钢在较为严苛的服役环境的中，耐蚀性能面临严重挑战；同时，研究发现传统13Cr型马氏体不锈钢会产生H₂S应力腐蚀。为了克服传统马氏体不锈钢的上述问题，发展了通过提高Cr元素含量和添加Mo元素来改善材料的耐蚀性能和抗H₂S应力腐蚀性能，为此可能需进一步添加一定量的Ni元素，使材料完全奥氏体化，确保全马氏体结构。

90年代，国外开发了含极少量碳，适量镍和钼的改进型超级13Cr/15Cr不锈钢。但在这种钢中，以HRC计的最高硬度也被限制到27(参见NACE MR0175-2001)。上述改进型超级13Cr/15Cr不锈钢，建议了数种具有高机械强度和优异耐腐蚀性能的钢。例如，国际专利WO2017/162160 A1公开了一种耐H₂S应力腐蚀开裂的马氏体不锈钢油套管，其化学元素质量百分比主要特征为：C：0.05％，Cr：11～14％，Ni：4～7％，Mo：1.5～2.5％；金属组织主要由回火马氏体，可以在高浓度的CO₂、Cl^-等共存的强腐蚀环境下的原油或天然气的油井、气井中，但是其H₂S适用环境被限定在0.01MPa，同时强度也只是在95ksi。国际专利WO2005/007915A1公开了一种比超级13Cr钢具有更优越的抗H₂S应力腐蚀马氏体不锈钢，其主要特征为通过添加Mo最大不超过10％，通过控制固溶Mo含量在3.5～7％提升耐蚀性和抗H₂S(氢脆)应力腐蚀能力。此种马氏体不锈钢具有高强机械强度，且在CO₂环境中具有优异的耐腐蚀性，但适用的H₂S分压仅为0.003MPa。

国内相关专利也对传统13Cr马氏体不锈钢做了改性。例如，CN1571858提供了一种添加Mo和Cu的马氏体不锈钢，该马氏体不锈钢具有优异的耐硫化物应力腐蚀性、耐腐蚀磨损性和耐局部腐蚀性；CN102534419提供了另一种改性方法：降低C含量至0～0.03％，提高Ni含量至4～6％，Mo含量1～2％，该马氏体不锈钢具有高强高韧，良好耐局部腐蚀性能。

针对以上改性的13Cr/15Cr型超级马氏体不锈钢，受制于其马氏体基体，通常导致其韧性较低，同时在高强度级别时(X110，X125级别等以上)对H₂S应力腐蚀非常敏感。

发明内容