0Cr20Mn21Ni2N奧氏體不銹鋼鍛件組織性能研究
時間：2019-06-13
作者：無錫不銹鋼板
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無磁鉆鋌是現代油氣資源開采隨鉆測量技術中最為重要的井下部件之一，其服役環境對其制備材料的強度、韌性和硬度等都有非常高的指標要求。近幾十年來，隨著N合金化奧氏體不銹鋼的冶煉和制備技術的發展，這種材料逐漸取代傳統的300系不銹鋼、Monel合金等材料成為高性能無磁鉆鋌的首要候選材料。在Cr-Mn-N不銹鋼無磁鉆鋌的工業化生產過程中，鑄造態鋼錠一般均需要經過快鍛機開坯和徑鍛機終鍛成型兩步，從而得到符合尺寸規格要求的粗加工鍛坯產品。然而由于鍛件尺寸較大，其內部不同部位在熱變形過程中的溫度場、應力場狀態都有較大差異，導致鍛件不同部位的微觀組織和力學性能均存在一定差異。因此，對無磁鉆鋌用0Cr20Mn21Ni2N奧氏體不銹鋼鍛件內部不同部位的微觀形貌和力學性能進行了研究。
采用熱力學軟件Thermal-Calc對不同N含量的試驗鋼成分體系和平衡態相圖進行了理論計算。在此基礎上，通過加壓熔煉的方法制備了N含量為0.62%的質量約48.5kg的試驗鋼鑄錠（表1）。熔煉過程中通過N合金的適量加入來控制終點N含量，試驗鋼經充分脫氧，出爐時將澆鑄溫度控制在較低水平以避免鑄態組織柱狀晶過于粗大。鑄錠去除表面氧化皮后經過鍛造開坯加工成60mm×60mm的方坯，后在980℃下鍛造為Φ46mm的圓棒，終鍛變形量約為15.4%（表2）。根據前期研究工作的結果，鍛造的溫度范圍規避了有害中間相可能產生的敏感溫度區間，確保了鍛造過程的順利完成和較高的鍛造成材率，同時保證了較為理想的形變強化效果。
表1 0Cr20Mn21Ni2N試驗鋼的化學成分（質量分數，%）
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Cr
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Mn
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Ni
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S
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O
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P
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C
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N
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19.9
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21.1
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2.15
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0.010
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0.0020
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0.0005
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0.04
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0.62
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表2 鍛造過程主要工藝參數
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鍛造加熱溫度和時間
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鍛造變形量（%）
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鍛造開始溫度/℃
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終鍛溫度/℃
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1130～1150℃，120min
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15.4
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1080
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980
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研究了無磁鉆鋌用0Cr20Mn21Ni2N奧氏體不銹鋼圓棒鍛件橫截面的室溫強度、硬度和韌性等力學性能，并從微觀角度進行分析。在圓棒表層區域觀察到了鍛造變形態晶粒組織，而直徑四分之一區域為再結晶組織，平均晶粒尺寸為80μm，芯部再結晶晶粒粗化為150μm，這些差異由不同的變形溫度和降溫速度造成的。這種組織差異導致的室溫拉伸性能和沖擊韌性也有相應的變化趨勢。研究結果表明，在900、1000℃以0.5s-1的應變速率下壓縮的0Cr20Mn21Ni2N試驗鋼樣品，其應力曲線具有一定的加工硬化特征，其芯部硬度比應變速率為0.1s-1的樣品分別提升了28、15HB。在700、800℃以20%以上的變形量進行壓縮時，峰值抗力顯著提高，而在900、1000℃以10%～50%的變形量進行壓縮時，峰值抗力均無明顯提高，可保證順利的變形過程。