1背景

近几年，随着全球能源使用量的不断增加，对石油的需求量提高，新油田的开采、勘探活跃。最近石油的开采不仅从陆地垂直开采，而且增加了从陆地向海滩油田开采和海上基地多种开采的倾斜开采。这种倾斜开采使用的是非磁性钻铤（NMDC：Non-MagneticDrillCollar）。钻铤大多搭载为掌握钻头前端位置信息的地磁测定器和地下信息（气体、岩质等）的电子仪器。因此要求非磁性的同时，NMDC的壁厚要薄壁化，而且要求强度更高的材料。此外，地下也有硫化氢活跃的场所等，在开采泥水中含有高浓度的氯化钠和氯化钾等氯化物，所以，要求钻铤具有优良的抗严酷腐蚀环境的耐蚀性。为了满足这些要求，优化Cr-Mn系奥氏体系不锈钢的化学组成和制造条件，开发了兼备高强度和良好的耐蚀性的非磁性钻铤用不锈钢“DNM140”。但是，由于开采环境日益变化，开采深度的增加等，使用环境更为严酷，要求钻铤必须具有更高的耐蚀性。

本研究中，为了开发比DNM140耐蚀性更好的非磁性钻铤用不锈钢，以DNM140为基础，对增加提高耐蚀性元素Mo、N含量的合金，进行了以碳氮化物析出行为、温态加工后的力学性能和耐蚀性为主的调查，研究了对非磁性钻铤的应用。

2开发钢及试验方法

2.1开发钢

表1是这次用于评价的开发钢及DNM140的化学成分。开发钢以DNM140为基础，Mo为2.1%、N为0.53%，与DNM140相比，Mo、N含量增加。开发钢和DNM140两个钢种都含有大量的氮，所以要求提高钢水中的氮溶解度，而且在浇铸时，为了不引起吹氮，需要增大凝固时的奥氏体相的量。关于钢水中的氮固溶度，有几篇介绍增加Cr、Mn含量提高氮固溶度的论文，开发钢和DNM140都积极添加了Cr、Mn。

由用热力学计算软件Thermo-Calc以Fe为基础计算的横坐标为N含量的开发钢相图和横坐标为温度的开发钢相图可以看出，开发钢的相结构中有大量的氮溶解度大的奥氏体相，并且凝固后不存在气体相，所以，预计可以获得没有气泡缺陷的优质钢锭。此外，在约1200-1550K的温度范围，是奥氏体单相，预计在约1123K以下除Cr2N外，M23C6、σ相等作为稳定相存在。

表1开发钢和DNM140的化学成分%

材料CMnNiCrMoNPRE

开发钢0.0415.63.618.52.10.5334.2

DNM1400.0415.73.318.70.90.5129.7

PRE=Cr+3.3Mo+16N

2.2试验方法

两个钢种均用真空高频感应炉，制作成50kg钢锭，采用热锻造加工成30mm方的形状后，在1373-1423K保持3.6ks后进行水冷的固溶化热处理，进行了观察组织和硬度测量。此外，为了调查碳氮化物的析出行为，在1372K×3.6ks固溶化热处理后，用873-1173K实施900~3600s的敏化热处理，观察其组织，并对一部分试样测量了孔蚀电位。另一方面，为了调查奥氏体相的稳定性，进行60%的冷态压缩加工，测量了其导磁率。温加工材的评价是在1373K×3.6ks固溶化热处理后，在适当的温度、断面收缩率，用600t动力压力机进行正挤压加工。然后，调查了耐晶间腐蚀性、耐盐酸腐蚀性、拉伸特性和冲击特性。观察和测量方法如下。对50kg钢锭的状态进行了宏观观察，两个钢种均没有发现铸造缺陷和气泡缺陷。

1）组织观察

对固溶化热处理材，从延伸锻造方向采取试样，镜面研磨后用酸性苦味酸乙醇溶液腐蚀，用光学显微镜观察了腐蚀面。此外，对一部分敏化热处理材用扫描电子显微镜（SEM）观察晶界析出的碳氮化物。

2）硬度测量

采用维氏硬度试验机，按JISZ2241的规定进行。

3）导磁率

采用直径5mm，长度5mm的试样，用VSM（VibratingSampleMagnetometer）在外部磁场16kA/m（200Oe）进行测量。

4）耐晶间腐蚀性

敏化热处理材按JISG0571的规定，进行10%草酸腐蚀试验。用10%草酸水溶液，90s电解腐蚀后，用光学显微镜观察其组织。对温加工材按JISG0575的规定，实施硫酸-硫酸铜腐蚀试验。

5）耐孔蚀性

耐孔蚀性采用JISG0577规定的方法，在303K、3.5%氯化钠溶液中测量了阳极极化曲线，将孔蚀成长引起的电流密度超过10-4A/cm2的电位（V’c100）作为孔蚀电位测量。

6）拉伸特性

由正挤压加工的试验用料制作平行部的直径5mm，长度30mm的试样，按JISZ2241的规定实施了室温下的拉伸试验。

7）冲击特性

由正挤压加工的试验用料制作JIS4号试样（2mmV型缺口试样），按JISZ2242的规定实施了室温下的夏比冲击试验。

8）耐盐酸腐蚀性

由正挤压加工的试验用料制作直径10mm，长度30mm的试样，在10%盐酸中浸渍6h，测量了其腐蚀减量。

(来源：不锈钢)