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無磁鉆鋌是現(xiàn)代油氣資源開采隨鉆測量技術(shù)中最為重要的井下部件之一，其服役環(huán)境對其制備材料的強(qiáng)度、韌性和硬度等都有非常高的指標(biāo)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(shù)的發(fā)展，這種材料逐漸取代傳統(tǒng)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(yè)化生產(chǎn)過程中，鑄造態(tài)鋼錠一般均需要經(jīng)過快鍛機(jī)開坯和徑鍛機(jī)終鍛成型兩步，從而得到符合尺寸規(guī)格要求的粗加工鍛坯產(chǎn)品。然而由于鍛件尺寸較大，其內(nèi)部不同部位在熱變形過程中的溫度場、應(yīng)力場狀態(tài)都有較大差異，導(dǎo)致鍛件不同部位的微觀組織和力學(xué)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(nèi)部不同部位的微觀形貌和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

采用熱力學(xué)軟件Thermal-Calc對不同N含量的試驗(yàn)鋼成分體系和平衡態(tài)相圖進(jìn)行了理論計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，通過加壓熔煉的方法制備了N含量為0.62%的質(zhì)量約48.5kg的試驗(yàn)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(diǎn)N含量，試驗(yàn)鋼經(jīng)充分脫氧，出爐時(shí)將澆鑄溫度控制在較低水平以避免鑄態(tài)組織柱狀晶過于粗大。鑄錠去除表面氧化皮后經(jīng)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(jù)前期研究工作的結(jié)果，鍛造的溫度范圍規(guī)避了有害中間相可能產(chǎn)生的敏感溫度區(qū)間，確保了鍛造過程的順利完成和較高的鍛造成材率，同時(shí)保證了較為理想的形變強(qiáng)化效果。

表1  0Cr20Mn21Ni2N試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2  鍛造過程主要工藝參數(shù)

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(qiáng)度、硬度和韌性等力學(xué)性能，并從微觀角度進(jìn)行分析。在圓棒表層區(qū)域觀察到了鍛造變形態(tài)晶粒組織，而直徑四分之一區(qū)域?yàn)樵俳Y(jié)晶組織，平均晶粒尺寸為80μm，芯部再結(jié)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(dǎo)致的室溫拉伸性能和沖擊韌性也有相應(yīng)的變化趨勢。研究結(jié)果表明，在900、1000℃以0.5s-1的應(yīng)變速率下壓縮的0Cr20Mn21Ni2N試驗(yàn)鋼樣品，其應(yīng)力曲線具有一定的加工硬化特征，其芯部硬度比應(yīng)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(jìn)行壓縮時(shí)，峰值抗力顯著提高，而在900、1000℃以10%～50%的變形量進(jìn)行壓縮時(shí)，峰值抗力均無明顯提高，可保證順利的變形過程。