一种提高高氮钢石油钻铤表面耐腐蚀耐磨损的方法与流程

本发明属于材料科学的表面工程领域，涉及石油开采工业用高氮无磁奥氏体不锈钢制造的石油钻铤，提高表面耐腐蚀和表面耐磨损的一种处理方法。

背景技术：

石油开采用无磁钻铤属于采油工具中的核心部件，目前国内外普遍采用高氮无磁奥氏体不锈钢制造。性能卓越的石油钻铤多数由欧美等发达国家在材料和加工技术方面进行垄断和控制。例如美国Carpenter Technology Corporation制造商生产的无磁钻铤，所用高氮奥氏体不锈钢，其氮含量可达到0.9wt％，具有高强度、高耐腐蚀性，产品平均价格为22万元人民币/吨。目前，高性能的石油钻铤我国依然依赖进口。而我们国产石油钻铤用钢含氮量仅为(0.47-0.6)wt％，产品性能差距较大，价格相对也低很多，平均价格为10万元人民币/吨左右。石油钻铤的生产工艺中，最后一道工序通常是表面进行喷丸处理，以提高表面强度增强耐磨性。但是，喷丸处理表面强化层厚度有限，对于长期磨损状况下提高耐磨性是有限的，更大的问题是，喷丸之后，降低了材料的表面耐腐蚀性。石油钻铤的工况是井下的一种强烈腐蚀磨损，往往是先腐蚀后磨损，同时，磨损也助推了腐蚀的发生，两者相互作用，才是导致材料表面早期失效的根本原因。无疑提高钢中的氮含量对于提升材料的强度和耐腐蚀性以及使用寿命是非常有效的途径。如果抛弃传统的表面喷丸工艺，改为本发明的表面处理工程技术，会使石油钻铤现有的使用寿命大幅提高，而且采用的方法工艺可操作性强、简单、生产成本低。本发明实施采用的材料是采用专利号为200810050792.8的专利技术生产的一种含氮达到0.87wt％高氮无磁奥氏体不锈钢，通过该发明方法处理后，其表面耐腐蚀耐磨损性能超过进口高性能石油钻铤的水平。

技术实现要素：

本发明的目的是要提供一种提高高氮钢石油钻铤表面耐腐蚀耐磨损的方法，该方法工艺步骤简单，使得被处理的高氮钢石油钻铤表面抗腐蚀性能提高达一个数量级，同时抗磨损性能和使用寿命也有显著提高。

本发明的目的是这样实现的：一种提高高氮钢石油钻铤表面耐腐蚀耐磨损的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、材料选择及处理：选用材料为高氮无磁奥氏体不锈钢，对上述高氮无磁奥氏体不锈钢材料进行热锻加工处理，其热锻加热温度为1000-1200℃，保温时间为2-5h，开始锻造温度为1100-1160℃，终锻温度为800-1000℃，锻后采用水冷却，锻后得棒材A。

步骤二、表层变形处理：利用步骤一中制得的棒材A，采用环状均匀分布四锤头(如图1所示)倾斜打压的表层变形处理方法对棒材A进行表层变形处理(棒材A旋转速度缓慢，使锤头打击面均匀分布)，制得表层变形的棒材B，其中材料变形处理的温度为25-650℃，锤头向外倾斜角为10-45°(如图2所示)，锤头打击力为1200-1800N，表层变形尺度是表面向心部层深2-20mm，变形量控制在50-80％范围内。

步骤三、热处理：完成表面变形处理后，将热处理炉温升到750-1000℃，随后将步骤二中制得的表层变形的棒材B入炉，待重新到1000℃后，保温0.5-5h，然后出炉冷却，采用冷却介质的冷却速度为控制在150-200℃/min范围内，控制冷却，使材料冷却温度高于氮析出950℃的临界冷却温度，以抑止热处理冷却过程中的氮化物析出，即得表面耐腐蚀耐磨损的高氮钢石油钻铤材料。

本发明具有以下优点和积极效果：

1、本发明为了解决石油钻铤提高表面耐腐蚀耐磨损的技术难题，其关键在于使材料表面原始奥氏体晶粒和组织实现超细化。一般情况下，高氮无磁奥氏体不锈钢在制造钻铤的生产工艺工程中，热加工温度始终处于高温状态下，氮化物开始析出温度一般为950℃，因此，为控制氮析出对材料性能的不利影响，热加工温度终了温度都控制在950℃之上，然后快冷，以抑止在冷却或保温过程中氮化物的析出。随之带来不可克服的问题是，使钢材的原始奥氏体晶粒粗大，提高了晶界被污染的程度，导致抗腐蚀性能下降。

2、本发明采用表面限定尺度大变形的处理方法，导致材料表层变形范围内贮存足够的变形能量，为随后热处理工艺使晶粒细化做准备。变形尺度控制在2-20mm范围内，变形采用的工艺方法为环状均匀分布四锤头倾斜进行表面打压变形，也可以采用表面环形模具挤压方法强制表面变形。利用锤头打压进行表面变形时，为减小垂直方向的变形抗力，必须采用锤头向外倾斜加载的方法，倾斜角控制在10-45°之间，这是依据恒定载荷下，控制不同表面层深变形的需求决定的。待表面变形完成后，进行表层变形组织的测试和观察，要求在变形尺度范围内，其变形组织是均匀的，形变滑移线密集，在显微组织中产生大量形变孪晶，形变孪晶尺度在20-100nm之间。

3、本发明利用表面变形配合特定参数下的热处理工艺，才能实现表层加工尺度范围内的晶粒细化。为此，必须在试验发明过程中，测试出可导致晶粒超细化的热处理温度范围。实验确定加热温度区间为750-1000℃，对于不同含氮量的材料，可在此温度区间内选择不同的加热温度。为了使表面变形加工层获得超细的原始奥氏体晶粒度和细化的组织，须采用特定的保温时间。同样，对于不同氮含量的材料，其保温时间也是固定的。否则，会因时间长导致晶粒长大，使原始奥氏体晶粒粗化，或是因时间短，导致变形组织的存续，两者对于提高表面性能都不利。只有控制对应材料的最佳加热保温时间，才能获得理想的重结晶，导致加工层原始奥氏体晶粒的充分细化。为此，本发明限定的加热温度和保温时间完全满足不同氮含量无磁奥氏体不锈钢的工艺参数范围。在此工艺参数之外，不具有操作性。

4、本发明试验确定冷却工艺，即冷却速度限定在150-200℃/min范围内，通过快速冷却，防止在缓冷过程中，表层氮化物的析出。通过本发明处理后，使热锻(开始锻造温度1120℃，终锻温度950℃)后或是锻后固溶处理(固溶处理温度1140℃)的高氮无磁奥氏体不锈钢(石油钻铤)毛坯材料，由表层原来的粗大原始奥氏体晶粒度150-240μm，变成超细的3-5μm的原始奥氏体晶粒度，表层硬度由原来的28-29HRC，提高到34-37HRC，在井下腐蚀环境中，抗腐蚀性能提高达一个数量级。抗腐蚀和抗磨损性能显著提高，具有明显提高钻铤使用寿命的效果。

附图说明

图1是本发明环状均匀分布四锤头锻打横截面简图。

图2是本发明采用的旋转推进设备纵截面简图。

具体实施方式

实施例1

实施例1选用材料为0Cr21Mn17MoNbN0.9高氮无磁奥氏体不锈钢，其化学成分为：

钢号：0Cr21Mn17MoNbN0.9，(wt％)

试验材料重740kg，圆柱状铸锭，截面尺寸直径为300mm。热锻加热温度为1160℃，保温时间为3h。开始锻造温度为1120℃，终锻温度为960℃，锻后采用水冷却，锻后为截面直径为150mm的棒材A。

由附图1、2所示：利用此棒材A，采用了环状均匀分布四锤头倾斜打压的表层变形方法，将旋转推进设备夹持在棒材A末端，结合锻打频率及锻打面积缓慢将棒材A向前旋转推进，确保棒材A表面被锻打均匀，制得表层变形的棒材B，材料变形温度为340℃，锤头向外倾斜角为15°，锤头打击力为1400N，表层变形尺度表面向心部层深5mm。

完成表面变形后，将热处理炉温升到1000℃，随后将表层变形的棒材入炉(热处理炉为箱式燃气炉)。待重新到温后，保温1h，然后出炉冷却，采用冷却介质的冷却速度为180℃/min，控制冷却，使材料冷却温度高于氮析出950℃的临界冷却温度，以抑止热处理冷却过程中的氮化物析出。通过上述方法处理后，经测试，原始奥氏体晶粒由原来的平均155μm，细化到平均3.5μm，使材料表层变形尺度内晶界得到净化，表面强度明显提高，表层硬度由原来的29HRC提高到37HRC，在3.5molNaCl浓度，50℃盐雾腐蚀环境下，腐蚀速率仅为0.00016mg/h。

实施例2

实施例1选用材料为0Cr18Mn17MoNbN0.85高氮无磁奥氏体不锈钢，其化学成分为：

钢号：0Cr18Mn18MoNbN0.85，(wt％)

试验材料重740kg，圆柱状铸锭，截面尺寸直径为300mm。热锻加热温度为1120℃，保温时间为4h。开始锻造温度为990℃，终锻温度为910℃，锻后采用水冷却，锻后为截面直径为150mm的棒材A。

由附图1、2所示：利用此棒材A，采用了环状均匀分布四锤头倾斜打压的表层变形方法，将旋转推进设备夹持在棒材A末端，结合锻打频率及锻打面积缓慢将棒材A向前旋转推进，确保棒材A表面被锻打均匀，制得表层变形的棒材B，材料变形温度为220℃，锤头向外倾斜角为35°，锤头打击力为1300N，表层变形尺度表面向心部层深3.5mm。

完成表面变形后，将热处理炉温升到900℃，随后将表层变形的棒材入炉(热处理炉为箱式燃气炉)。待重新到900℃后，保温2h，然后出炉冷却，采用冷却介质的冷却速度为190℃/min，控制冷却，使材料冷却温度高于氮析出950℃的临界冷却温度，以抑止热处理冷却过程中的氮化物析出。通过上述方法处理后，经测试，原始奥氏体晶粒由原来的平均160μm，细化到平均4.2μm，使材料表层变形尺度内晶界得到净化，表面强度明显提高，表层硬度由原来的27HRC提高到36HRC，在3.5molNaCl浓度，50℃盐雾腐蚀环境下，腐蚀速率仅为0.00019mg/h。