無磁鉆鋌用0Cr19Mn21Ni2N奧氏體不銹鋼800℃等溫時效析出機制

無磁鉆鋌是當今油氣田鉆采裝備重要組成部分，其作用是為鉆頭提供鉆進壓力及提高鉆柱剛度，同時為隨鉆測量裝置提供必要的磁屏蔽環境，以保證深度鉆探的垂直精度。目前無磁鉆鋌用材料主要為Cr-Mn-N奧氏體不銹鋼（無錫不銹鋼板）。通過固溶較高含量的N元素和足夠的形變強化加工過程，能夠在不損害塑韌性的情況下明顯提高奧氏體不銹鋼（無錫不銹鋼板）的力學性能，同時顯著提高耐蝕性。另外，由于N是強烈形成并穩定奧氏體的元素，因此以N代Ni可以顯著降低原材料成本。由于材料成分，尤其是C、N元素含量對高氮奧氏體不銹鋼（無錫不銹鋼板）中碳氮化物的析出規律有較大的影響，因此對無磁鉆鋌用0Cr19Mn21Ni2N奧氏體不銹鋼（無錫不銹鋼板）中碳氮化物的析出規律和機制研究對實際熱加工過程具有重要的意義。 

　　試驗用材料0Cr19Mn21Ni2N采用50kg加壓感應爐冶煉成鋼錠，鍛成40mm×40mm方棒，為保證鍛后為奧氏體組織，鍛前在1200℃保溫2h，開鍛溫度1150℃，終鍛溫度1050℃。再切取10mm×10mm×10mm金相預磨試樣，其化學成分為（質量分數，%）：C0.06，Mn21.67，Cr19.40，Ni2.14，Mo0.68，N0.74，Si0.22，P0.0085，S0.012。 

　　為防止試樣在高溫固溶處理過程中發生氧化和脫碳，將試樣密封在充滿氬氣的石英玻璃管內進行1150℃×30min固溶處理。由于在TTP曲線中發現析出的鼻尖溫度在800℃左右，因此選擇在800℃進行等溫時效，保溫10～240min后水冷。 

　　通過Thermo-Calc軟件對該鋼的平衡相圖以及在800℃下各相的體積分數進行計算。通過OlympusGX51型光學顯微鏡對析出相顯微組織進行觀察。然后通過日立S4300型掃描電鏡對析出相形態進行觀察及能譜分析。為了對析出相類型進行確認，用電解雙噴減薄法制備薄膜試樣，通過透射電鏡確認析出相類型。 

　　結果表明：第二相碳化物、氮化物析出的成分、種類、分布隨局部C元素貧化而發生變化。在800℃等溫時效過程中，當時效時間為10～60min時，晶界上較高濃度的C元素偏析、較大的晶格錯配能和畸變能為M23C6首先在晶界位置形核并形成連續析出顆粒提供充足的熱力學和動力學條件；隨著時效時間進一步延長，由于碳化物M23C6的較多析出導致該析出區域C元素逐漸貧化，M23C6析出的熱力學和動力學條件逐漸受到抑制，氮化物Cr2N開始在晶界析出的M23C6碳化物附近形核。隨后，片層狀Cr2N逐漸在相鄰晶粒內長大，其生長方向與奧氏體晶格取向具有固定的位向關系。