本發明屬于材料科學的表面工程領域，涉及石油開采工業用高氮無磁奧氏體不銹鋼制造的石油鉆鋌，提高表面耐腐蝕和表面耐磨損的一種處理方法。

背景技術：

石油開采用無磁鉆鋌屬于采油工具中的核心部件，目前國內外普遍采用高氮無磁奧氏體不銹鋼制造。性能卓越的石油鉆鋌多數由歐美等發達國家在材料和加工技術方面進行壟斷和控制。例如美國Carpenter Technology Corporation制造商生產的無磁鉆鋌，所用高氮奧氏體不銹鋼，其氮含量可達到0.9wt％，具有高強度、高耐腐蝕性，產品平均價格為22萬元人民幣/噸。目前，高性能的石油鉆鋌我國依然依賴進口。而我們國產石油鉆鋌用鋼含氮量僅為(0.47-0.6)wt％，產品性能差距較大，價格相對也低很多，平均價格為10萬元人民幣/噸左右。石油鉆鋌的生產工藝中，最后一道工序通常是表面進行噴丸處理，以提高表面強度增強耐磨性。但是，噴丸處理表面強化層厚度有限，對于長期磨損狀況下提高耐磨性是有限的，更大的問題是，噴丸之后，降低了材料的表面耐腐蝕性。石油鉆鋌的工況是井下的一種強烈腐蝕磨損，往往是先腐蝕后磨損，同時，磨損也助推了腐蝕的發生，兩者相互作用，才是導致材料表面早期失效的根本原因。無疑提高鋼中的氮含量對于提升材料的強度和耐腐蝕性以及使用壽命是非常有效的途徑。如果拋棄傳統的表面噴丸工藝，改為本發明的表面處理工程技術，會使石油鉆鋌現有的使用壽命大幅提高，而且采用的方法工藝可操作性強、簡單、生產成本低。本發明實施采用的材料是采用專利號為200810050792.8的專利技術生產的一種含氮達到0.87wt％高氮無磁奧氏體不銹鋼，通過該發明方法處理后，其表面耐腐蝕耐磨損性能超過進口高性能石油鉆鋌的水平。

技術實現要素：

本發明的目的是要提供一種提高高氮鋼石油鉆鋌表面耐腐蝕耐磨損的方法，該方法工藝步驟簡單，使得被處理的高氮鋼石油鉆鋌表面抗腐蝕性能提高達一個數量級，同時抗磨損性能和使用壽命也有顯著提高。

本發明的目的是這樣實現的：一種提高高氮鋼石油鉆鋌表面耐腐蝕耐磨損的方法，該方法包括以下步驟：

步驟一、材料選擇及處理：選用材料為高氮無磁奧氏體不銹鋼，對上述高氮無磁奧氏體不銹鋼材料進行熱鍛加工處理，其熱鍛加熱溫度為1000-1200℃，保溫時間為2-5h，開始鍛造溫度為1100-1160℃，終鍛溫度為800-1000℃，鍛后采用水冷卻，鍛后得棒材A。

步驟二、表層變形處理：利用步驟一中制得的棒材A，采用環狀均勻分布四錘頭(如圖1所示)傾斜打壓的表層變形處理方法對棒材A進行表層變形處理(棒材A旋轉速度緩慢，使錘頭打擊面均勻分布)，制得表層變形的棒材B，其中材料變形處理的溫度為25-650℃，錘頭向外傾斜角為10-45°(如圖2所示)，錘頭打擊力為1200-1800N，表層變形尺度是表面向心部層深2-20mm，變形量控制在50-80％范圍內。

步驟三、熱處理：完成表面變形處理后，將熱處理爐溫升到750-1000℃，隨后將步驟二中制得的表層變形的棒材B入爐，待重新到1000℃后，保溫0.5-5h，然后出爐冷卻，采用冷卻介質的冷卻速度為控制在150-200℃/min范圍內，控制冷卻，使材料冷卻溫度高于氮析出950℃的臨界冷卻溫度，以抑止熱處理冷卻過程中的氮化物析出，即得表面耐腐蝕耐磨損的高氮鋼石油鉆鋌材料。

本發明具有以下優點和積極效果：

1、本發明為了解決石油鉆鋌提高表面耐腐蝕耐磨損的技術難題，其關鍵在于使材料表面原始奧氏體晶粒和組織實現超細化。一般情況下，高氮無磁奧氏體不銹鋼在制造鉆鋌的生產工藝工程中，熱加工溫度始終處于高溫狀態下，氮化物開始析出溫度一般為950℃，因此，為控制氮析出對材料性能的不利影響，熱加工溫度終了溫度都控制在950℃之上，然后快冷，以抑止在冷卻或保溫過程中氮化物的析出。隨之帶來不可克服的問題是，使鋼材的原始奧氏體晶粒粗大，提高了晶界被污染的程度，導致抗腐蝕性能下降。

2、本發明采用表面限定尺度大變形的處理方法，導致材料表層變形范圍內貯存足夠的變形能量，為隨后熱處理工藝使晶粒細化做準備。變形尺度控制在2-20mm范圍內，變形采用的工藝方法為環狀均勻分布四錘頭傾斜進行表面打壓變形，也可以采用表面環形模具擠壓方法強制表面變形。利用錘頭打壓進行表面變形時，為減小垂直方向的變形抗力，必須采用錘頭向外傾斜加載的方法，傾斜角控制在10-45°之間，這是依據恒定載荷下，控制不同表面層深變形的需求決定的。待表面變形完成后，進行表層變形組織的測試和觀察，要求在變形尺度范圍內，其變形組織是均勻的，形變滑移線密集，在顯微組織中產生大量形變孿晶，形變孿晶尺度在20-100nm之間。

3、本發明利用表面變形配合特定參數下的熱處理工藝，才能實現表層加工尺度范圍內的晶粒細化。為此，必須在試驗發明過程中，測試出可導致晶粒超細化的熱處理溫度范圍。實驗確定加熱溫度區間為750-1000℃，對于不同含氮量的材料，可在此溫度區間內選擇不同的加熱溫度。為了使表面變形加工層獲得超細的原始奧氏體晶粒度和細化的組織，須采用特定的保溫時間。同樣，對于不同氮含量的材料，其保溫時間也是固定的。否則，會因時間長導致晶粒長大，使原始奧氏體晶粒粗化，或是因時間短，導致變形組織的存續，兩者對于提高表面性能都不利。只有控制對應材料的最佳加熱保溫時間，才能獲得理想的重結晶，導致加工層原始奧氏體晶粒的充分細化。為此，本發明限定的加熱溫度和保溫時間完全滿足不同氮含量無磁奧氏體不銹鋼的工藝參數范圍。在此工藝參數之外，不具有操作性。

4、本發明試驗確定冷卻工藝，即冷卻速度限定在150-200℃/min范圍內，通過快速冷卻，防止在緩冷過程中，表層氮化物的析出。通過本發明處理后，使熱鍛(開始鍛造溫度1120℃，終鍛溫度950℃)后或是鍛后固溶處理(固溶處理溫度1140℃)的高氮無磁奧氏體不銹鋼(石油鉆鋌)毛坯材料，由表層原來的粗大原始奧氏體晶粒度150-240μm，變成超細的3-5μm的原始奧氏體晶粒度，表層硬度由原來的28-29HRC，提高到34-37HRC，在井下腐蝕環境中，抗腐蝕性能提高達一個數量級?？垢g和抗磨損性能顯著提高，具有明顯提高鉆鋌使用壽命的效果。

附圖說明

圖1是本發明環狀均勻分布四錘頭鍛打橫截面簡圖。

圖2是本發明采用的旋轉推進設備縱截面簡圖。

具體實施方式

實施例1

實施例1選用材料為0Cr21Mn17MoNbN0.9高氮無磁奧氏體不銹鋼，其化學成分為：

鋼號：0Cr21Mn17MoNbN0.9，(wt％)

試驗材料重740kg，圓柱狀鑄錠，截面尺寸直徑為300mm。熱鍛加熱溫度為1160℃，保溫時間為3h。開始鍛造溫度為1120℃，終鍛溫度為960℃，鍛后采用水冷卻，鍛后為截面直徑為150mm的棒材A。

由附圖1、2所示：利用此棒材A，采用了環狀均勻分布四錘頭傾斜打壓的表層變形方法，將旋轉推進設備夾持在棒材A末端，結合鍛打頻率及鍛打面積緩慢將棒材A向前旋轉推進，確保棒材A表面被鍛打均勻，制得表層變形的棒材B，材料變形溫度為340℃，錘頭向外傾斜角為15°，錘頭打擊力為1400N，表層變形尺度表面向心部層深5mm。

完成表面變形后，將熱處理爐溫升到1000℃，隨后將表層變形的棒材入爐(熱處理爐為箱式燃氣爐)。待重新到溫后，保溫1h，然后出爐冷卻，采用冷卻介質的冷卻速度為180℃/min，控制冷卻，使材料冷卻溫度高于氮析出950℃的臨界冷卻溫度，以抑止熱處理冷卻過程中的氮化物析出。通過上述方法處理后，經測試，原始奧氏體晶粒由原來的平均155μm，細化到平均3.5μm，使材料表層變形尺度內晶界得到凈化，表面強度明顯提高，表層硬度由原來的29HRC提高到37HRC，在3.5molNaCl濃度，50℃鹽霧腐蝕環境下，腐蝕速率僅為0.00016mg/h。

實施例2

實施例1選用材料為0Cr18Mn17MoNbN0.85高氮無磁奧氏體不銹鋼，其化學成分為：

鋼號：0Cr18Mn18MoNbN0.85，(wt％)

試驗材料重740kg，圓柱狀鑄錠，截面尺寸直徑為300mm。熱鍛加熱溫度為1120℃，保溫時間為4h。開始鍛造溫度為990℃，終鍛溫度為910℃，鍛后采用水冷卻，鍛后為截面直徑為150mm的棒材A。

由附圖1、2所示：利用此棒材A，采用了環狀均勻分布四錘頭傾斜打壓的表層變形方法，將旋轉推進設備夾持在棒材A末端，結合鍛打頻率及鍛打面積緩慢將棒材A向前旋轉推進，確保棒材A表面被鍛打均勻，制得表層變形的棒材B，材料變形溫度為220℃，錘頭向外傾斜角為35°，錘頭打擊力為1300N，表層變形尺度表面向心部層深3.5mm。

完成表面變形后，將熱處理爐溫升到900℃，隨后將表層變形的棒材入爐(熱處理爐為箱式燃氣爐)。待重新到900℃后，保溫2h，然后出爐冷卻，采用冷卻介質的冷卻速度為190℃/min，控制冷卻，使材料冷卻溫度高于氮析出950℃的臨界冷卻溫度，以抑止熱處理冷卻過程中的氮化物析出。通過上述方法處理后，經測試，原始奧氏體晶粒由原來的平均160μm，細化到平均4.2μm，使材料表層變形尺度內晶界得到凈化，表面強度明顯提高，表層硬度由原來的27HRC提高到36HRC，在3.5molNaCl濃度，50℃鹽霧腐蝕環境下，腐蝕速率僅為0.00019mg/h。