一種含微量錫元素、高強(qiáng)度、耐腐蝕和易成型的超低碳鋼及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種含微量錫元素、高強(qiáng)度、耐腐蝕和易成型的超低碳鋼，其化學(xué)成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：C：0.001～0.005%，N：0.001～0.003%，Mn：0.1～0.5%，Cr：0.8～1.50%，Mo：0.01～0.1，Si：0.1～0.5%，Al：0.005～0.01%，Mg：0.0001～0.0015%，Ca：0.0001～0.0015%，Sn：0.01～0.30%，Nb：0.01～0.2%，Cu：0.05～0.3%，Ti：0.01～0.2%，P：0.001～0.010%，S≤0.003%，其余為Fe。本發(fā)明通過在感應(yīng)加熱真空爐中冶煉、鑄錠、熱軋、酸洗冷軋、結(jié)晶退火、卷制制得含微量錫、含碳量低、強(qiáng)度高、具有良好的復(fù)雜工件成型性能和抗油田采出水等水溶液腐蝕性能、能夠在油氣田的復(fù)雜鉆井完井和其他環(huán)境中安全使用的鋼材，該方法原理可靠，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，實(shí)用性強(qiáng)。
【專利說明】一種含微量錫元素、高強(qiáng)度、耐腐蝕和易成型的超低碳鋼及 其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及到現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中需要在水基介質(zhì)中工作的具有 耐腐蝕、高強(qiáng)度、高成型性能的鋼及其制備方法，特別是石油天然氣工業(yè)中涉及到復(fù)雜鉆井 用膨脹管和高級(jí)別級(jí)分支井分叉裝置等需要抗腐蝕、高強(qiáng)度、高成型性能的工件用鋼及其 制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] IF (Interstitial-Free)鋼又稱無間隙原子鋼，第三代深沖鋼，是上世紀(jì)80年代 以后產(chǎn)生的。IF鋼的特點(diǎn)是：含碳量很低，加入Ti和Nb之后，形成Ti和Nb的C、N化合物。 由于鋼中無間隙原子，而使其具有優(yōu)異的深沖性能、高塑性應(yīng)變比、高延伸率、高硬化指數(shù)、 以及較低的屈強(qiáng)比，并具有優(yōu)異的非時(shí)效性。傳統(tǒng)的IF鋼強(qiáng)度很低，其屈服強(qiáng)度R P只有不 至IJ 150MPa，對(duì)一些強(qiáng)度要求較高的工件很難適用。近年的研究中發(fā)現(xiàn)，在IF鋼中添加少量 Mn、Si與微量P(0. 001?0.008% )、B(0. 001?0.008% )等元素可以提高IF鋼的強(qiáng)度， 進(jìn)而發(fā)展了高強(qiáng)度的IF鋼，這種高強(qiáng)度的IF鋼的屈服強(qiáng)度可以達(dá)到200MPa以上，同時(shí)保 持良好的成型性能，被稱之為高強(qiáng)度型IF鋼。
[0003] 但是，對(duì)于IF鋼和含有P、Mn、Si以及微合金化元素的高強(qiáng)度的IF鋼，也常由于第 二相粒子的存在和表面因Μη元素的分布不均造成嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象以及晶粒長(zhǎng)大導(dǎo)致的IF 鋼抗腐蝕性能下降。因此，對(duì)于石油天然氣工業(yè)中需要高成型性能的工件，如：石油天然氣 行業(yè)中的復(fù)雜鉆井過程中用于解決漏失和窄壓力密度窗口的采用大膨脹率（膨脹率大于 20% )等井徑膨脹管技術(shù)用鋼管、承壓不超過lOMPa的六級(jí)分支井分叉裝置用鋼（高等級(jí) 六級(jí)分支井用的分叉管，是一個(gè)角度只有1-3°的大型斜三通），由于這些工件在使用中長(zhǎng) 期浸泡在油田采出液的高礦化度水基腐蝕環(huán)境中，采用高強(qiáng)度IF鋼經(jīng)過復(fù)雜成型制成的 工件，其抗防腐蝕性能明顯不能滿足實(shí)際工程的需求。因此針對(duì)石油天然氣工業(yè)中需要，急 需開發(fā)出高成型性能的復(fù)雜工件用的高強(qiáng)度、抗腐蝕性能良好的高成型性能鋼。
[0004] 提高鋼材在水基介質(zhì)中的抗腐蝕能力，在鋼中添Cr元素是最為有效的手段。Cr 是可以與鐵形成連續(xù)固溶體，縮小奧氏體相區(qū)的元素，Cr在含氧環(huán)境中形成致密、穩(wěn)定的 Cr 203保護(hù)薄膜，是阻止介質(zhì)對(duì)金屬基體的繼續(xù)滲入腐蝕具有很強(qiáng)鈍化能力的元素，另外Cr 作為合金元素添加到鋼中可以提高鋼的自腐蝕電位，減小自腐蝕電流，并且在Cr含量達(dá)到 一定濃度，即當(dāng)Cr的原子比達(dá)到1/8、2/8、3/8、…n/8,鐵基固溶體的電極電位會(huì)跳躍式地 增高，腐蝕也因此而減弱。鋼的耐腐蝕性能會(huì)明顯地提高，Cr是對(duì)鋼材的固溶強(qiáng)化作用較 弱的元素之一，并且在Cr含量小于1. 5%的條件下，隨著鋼材Cr含量的增加，鋼材在水基 溶液中的自腐蝕電位增高、自腐蝕電流減小。根據(jù)鋼的合金化原理，當(dāng)鋼中Cr含量不高時(shí) 與Cu元素的聯(lián)合加入對(duì)鋼材抗腐性能提高更為有效。因此在鋼中聯(lián)合添加Cr和Cu元素 對(duì)于提1?鋼材的抗水基介質(zhì)的腐蝕能力最為有效。
[0005] Sn元素是元素周期系第IVA族元素，原子序數(shù)50,原子量118. 69。Sn元素在鋼中 是典型的內(nèi)吸附元素，在鋼中與Fe形成固溶體的量非常微小，大部分Sn元素是以低熔點(diǎn)金 屬形式偏聚在晶界處，導(dǎo)致含Sn鋼的高溫?zé)峒庸ば阅茏儔?，這正是傳統(tǒng)的冶金觀念一直認(rèn) 為Sn元素是鋼中有害元素的根本緣故。但是，也有人認(rèn)為，如果不考慮Sn對(duì)鋼高溫性能的 影響，在鋼中加入微少量Sn可提高鋼的耐腐蝕性，其強(qiáng)度也有一定提高，而對(duì)塑性卻影響 不大。如：在鑄鐵中加入微量Sn兀素，可以明顯的的提1?鑄鐵的性能。
[0006] 近年來，由于鋼鐵冶煉技術(shù)的發(fā)展，特別是純凈鋼超純凈鋼技術(shù)伴隨的真空脫氣 技術(shù)RH、V0D、A0D的發(fā)展，導(dǎo)致的超低碳超純鐵素體不銹鋼的產(chǎn)生，以及共偏聚強(qiáng)韌化理論 [5]的發(fā)展，特別是2010年，新日鐵住金不銹鋼公司（NSSC)確立了通過添加質(zhì)量比約0. 1% 的Sn元素，使鐵素體類（鉻類）不銹鋼的Cr含量可以降低3%以上，同時(shí)鋼材的耐腐蝕性 能得到飛躍性提高的技術(shù)。這項(xiàng)全球首創(chuàng)的具有劃時(shí)代意義的技術(shù)為大原子尺寸的Sn元 素在鋼中的應(yīng)用開辟了新的途徑。
[0007] 由于高成型性能鋼零件的成形過程，幾乎全部是經(jīng)過拉深或沖壓進(jìn)行的。因此，鋼 材的成型性能（即鋼板在承受變形過程中抵抗失效，如斷裂、瓢曲、起皺、形狀扭曲等）取決 于鋼材本身的特性和變形條件。這里的鋼材自身性能主要是指通過單向拉伸實(shí)驗(yàn)獲得的鋼 材的屈服強(qiáng)度（Rp)、抗拉強(qiáng)度Rm)、總伸長(zhǎng)率（(A)和兩個(gè)重要的評(píng)價(jià)鋼板成型性能的基本 指標(biāo)：即塑性應(yīng)變比r值和應(yīng)變硬化指數(shù)η值。
[0008] 對(duì)于高成形性能鋼，一股說來，應(yīng)該具有較低的屈服強(qiáng)度，較低的屈強(qiáng)比和較高的 延伸率，以及較高的應(yīng)變硬化指數(shù)η值和較高的塑性應(yīng)變比r值（r值也被稱為厚向異性系 數(shù)）。
[0009] 對(duì)于應(yīng)變硬化指數(shù)η :是Hollomon塑性拉伸變形的真應(yīng)力真應(yīng)變關(guān)系式
[0010] σ = κ ε n (1)
[0011] 式中的指數(shù)η，被稱為應(yīng)變硬化指數(shù)。
[0012] η值的物理意義是表征材料和鋼管均勻變形的能力的材料參數(shù)。η值是組織結(jié)構(gòu) 敏感性參數(shù)，η與材料的層錯(cuò)能大小、組織的穩(wěn)態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)成都有關(guān)；η值是鋼板在塑性變 形過程中均勻能力一種量度。對(duì)于薄板鋼材，其真實(shí)均勻應(yīng)變，是與薄板的拉脹性能具有密 切聯(lián)系，η值越高，拉脹性能越好。

【權(quán)利要求】
1. 一種含微量錫元素、高強(qiáng)度、耐腐蝕和易成型的超低碳鋼，其特征在于，所述超低碳 鋼組成如下，均為質(zhì)量百分比： C :0. 001 ?0. 005%，N :0. 001 ?0. 003%，Mn :0. 1 ?0. 5 %，Cr :0. 8 ?1. 50%，Mo :0. 01 ? 0· 1，Si :0· 1 ?0· 5%，A1 :0· 005 ?0· 01%，Mg :0· 0001 ?0· 0015%，Ca :0· 0001 ?0· 0015%， Sn :0. 01 ?0. 30%，Nb :0. 01 ?0. 2%，Cu :0. 05 ?0. 3%，Ti :0. 01 ?0. 2%，P :0. 001 ? 0· 010%，S 彡（λ 003%，其余為 Fe。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種含微量錫元素、高強(qiáng)度、耐腐蝕和易成型的超低碳鋼，其特 征在于，所述鋼具有強(qiáng){111}織構(gòu)，織構(gòu)度>35%，其屈服強(qiáng)度為170?260MPa，抗拉強(qiáng)度為 350?440MPa，斷后延伸率彡30%，應(yīng)變硬化指數(shù)彡0. 15,厚向異性系數(shù)彡1. 2。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種含微量錫元素、高強(qiáng)度、耐腐蝕和易成型的超低碳鋼的制 備方法，其特征在于，它包括以下步驟：
51. 冶煉：以工業(yè)純鐵、鉻、錳、錫、硅鐵合金為原料，采用氧化鈣坩堝在真空度為 1 X ΚΓ4?1 X l(T3Pa的真空感應(yīng)爐中進(jìn)行冶煉，熔煉過程采用兩次精煉方式，一次精煉溫度 為1550?1600°C，精煉時(shí)間為30?50min，二次精煉溫度為1550?1600°C，精煉時(shí)間為 30 ?50min ;
52. 鑄錠：冶煉后用純鋁、純鎂和純鈣強(qiáng)制脫氧，真空脫氣后進(jìn)行鑄錠，鋼水澆鑄溫度 為1500?1550°C，采用控制澆鑄成鋼坯，澆注壓力為1?3atm，澆注速度為35?40mm/s ;
53. 熱軋：鋼坯經(jīng)1250°C加熱開坯鍛造后，經(jīng)熱軋制成鋼板，熱軋起始溫度為1200? 1250°C，終軋溫度彡850°C，熱軋后空冷；
54. 酸洗冷軋：將熱軋軋制后的鋼板進(jìn)行酸洗，再經(jīng)壓下量大于80%的冷軋，制成規(guī)定 尺寸的鋼材；
55. 結(jié)晶退火：冷軋后對(duì)鋼材進(jìn)行結(jié)晶退火處理，退火溫度為780?800°C，時(shí)間為2? 4小時(shí)；
56. 卷制：將結(jié)晶退火后的鋼材在600?650°C溫度卷取制成規(guī)定厚度的鋼材。
4. 如權(quán)利要求3所述的一種含微量錫元素、高強(qiáng)度、耐腐蝕和易成型的超低碳鋼的制 備方法，其特征在于，所述工業(yè)純鐵的含碳量< 〇. 0218%、純度為99. 8?99. 9%，鉻的純度 彡99. 5%，錳和硅鐵合金的純度> 99. 5%、錫的純度> 99. 5%。
5. 如權(quán)利要求3所述的一種含微量錫元素、高強(qiáng)度、耐腐蝕和易成型的超低碳鋼的制 備方法，其特征在于，所述酸洗的酸洗液成分為：鹽酸20%、磷酸2%、磷酸烷基酚聚氧乙烯醚 1. 5%、十二烷基醚硫酸鈉1. 5%、二鄰甲苯硫脲1. 5%、酸洗添加劑2%，酸洗液溫度控制在60? 80。。。
【文檔編號(hào)】C22C33/04GK104120358SQ201410315883
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月3日
【發(fā)明者】李春福, 張鳳春, 童麗華, 張叢雷, 鄧治國(guó), 肖淇, 申文竹, 楊世洲 申請(qǐng)人:西南石油大學(xué)