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0Cr20Mn21Ni2N奧氏體不銹鋼鍛件組織性能研究
日期：2025-08-03 12:36
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摘要：
0Cr20Mn21Ni2N奧氏體不銹鋼鍛件組織性能研究
無磁鉆鋌是現代油氣資源開采隨鉆測量技術中*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...
0Cr20Mn21Ni2N奧氏體不銹鋼鍛件組織性能研究
無磁鉆鋌是現代油氣資源開采隨鉆測量技術中*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。
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。
