0Cr20Mn21Ni2N奥氏体不锈钢锻件组织性能研究

    无磁钻铤是现代油气资源开采随钻测量技术中最为重要的井下部件之一，其服役环境对其制备材料的强度、韧性和硬度等都有非常高的指标要求。近几十年来，随着N合金化奥氏体不锈钢的冶炼和制备技术的发展，这种材料逐渐取代传统的300系不锈钢、Monel合金等材料成为高性能无磁钻铤的首要候选材料。在Cr-Mn-N不锈钢无磁钻铤的工业化生产过程中，铸造态钢锭一般均需要经过快锻机开坯和径锻机终锻成型两步，从而得到符合尺寸规格要求的粗加工锻坯产品。然而由于锻件尺寸较大，其内部不同部位在热变形过程中的温度场、应力场状态都有较大差异，导致锻件不同部位的微观组织和力学性能均存在一定差异。因此，对无磁钻铤用0Cr20Mn21Ni2N奥氏体不锈钢锻件内部不同部位的微观形貌和力学性能进行了研究。

　　采用热力学软件Thermal-Calc对不同N含量的试验钢成分体系和平衡态相图进行了理论计算。在此基础上，通过加压熔炼的方法制备了N含量为0.62%的质量约48.5kg的试验钢铸锭（表1）。熔炼过程中通过N合金的适量加入来控制终点N含量，试验钢经充分脱氧，出炉时将浇铸温度控制在较低水平以避免铸态组织柱状晶过于粗大。铸锭去除表面氧化皮后经过锻造开坯加工成60mm×60mm的方坯，后在980℃下锻造为Φ46mm的圆棒，终锻变形量约为15.4%（表2）。根据前期研究工作的结果，锻造的温度范围规避了有害中间相可能产生的敏感温度区间，确保了锻造过程的顺利完成和较高的锻造成材率，同时保证了较为理想的形变强化效果。

　　表1  0Cr20Mn21Ni2N试验钢的化学成分（质量分数，%）

　　表2  锻造过程主要工艺参数

　　研究了无磁钻铤用0Cr20Mn21Ni2N奥氏体不锈钢圆棒锻件横截面的室温强度、硬度和韧性等力学性能，并从微观角度进行分析。在圆棒表层区域观察到了锻造变形态晶粒组织，而直径四分之一区域为再结晶组织，平均晶粒尺寸为80μm，芯部再结晶晶粒粗化为150μm，这些差异由不同的变形温度和降温速度造成的。这种组织差异导致的室温拉伸性能和冲击韧性也有相应的变化趋势。研究结果表明，在900、1000℃以0.5s-1的应变速率下压缩的0Cr20Mn21Ni2N试验钢样品，其应力曲线具有一定的加工硬化特征，其芯部硬度比应变速率为0.1s-1的样品分别提升了28、15HB。在700、800℃以20%以上的变形量进行压缩时，峰值抗力显著提高，而在900、1000℃以10%～50%的变形量进行压缩时，峰值抗力均无明显提高，可保证顺利的变形过程。