无磁钻铤用0Cr19Mn21Ni2N奥氏体不锈钢800℃等温时效析出机制

无磁钻铤是当今油气田钻采装备重要组成部分，其作用是为钻头提供钻进压力及提高钻柱刚度，同时为随钻测量装置提供必要的磁屏蔽环境，以保证深度钻探的垂直精度。目前无磁钻铤用材料主要为Cr-Mn-N奥氏体不锈钢。通过固溶较高含量的N元素和足够的形变强化加工过程，能够在不损害塑韧性的情况下明显提高奥氏体不锈钢的力学性能，同时显著提高耐蚀性。另外，由于N是强烈形成并稳定奥氏体的元素，因此以N代Ni可以显著降低原材料成本。由于材料成分，尤其是C、N元素含量对高氮奥氏体不锈钢中碳氮化物的析出规律有较大的影响，因此对无磁钻铤用0Cr19Mn21Ni2N奥氏体不锈钢中碳氮化物的析出规律和机制研究对实际热加工过程具有重要的意义。

试验用材料0Cr19Mn21Ni2N采用50kg加压感应炉冶炼成钢锭，锻成40mm×40mm方棒，为保证锻后为奥氏体组织，锻前在1200℃保温2h，开锻温度1150℃，终锻温度1050℃。再切取10mm×10mm×10mm金相预磨试样，其化学成分为（质量分数，%）：C0.06，Mn21.67，Cr19.40，Ni2.14，Mo0.68，N0.74，Si0.22，P0.0085，S0.012。

为防止试样在高温固溶处理过程中发生氧化和脱碳，将试样密封在充满氩气的石英玻璃管内进行1150℃×30min固溶处理。由于在TTP曲线中发现析出的鼻尖温度在800℃左右，因此选择在800℃进行等温时效，保温10～240min后水冷。

通过Thermo-Calc软件对该钢的平衡相图以及在800℃下各相的体积分数进行计算。通过OlympusGX51型光学显微镜对析出相显微组织进行观察。然后通过日立S4300型扫描电镜对析出相形态进行观察及能谱分析。为了对析出相类型进行确认，用电解双喷减薄法制备薄膜试样，通过透射电镜确认析出相类型。

结果表明：第二相碳化物、氮化物析出的成分、种类、分布随局部C元素贫化而发生变化。在800℃等温时效过程中，当时效时间为10～60min时，晶界上较高浓度的C元素偏析、较大的晶格错配能和畸变能为M23C6首先在晶界位置形核并形成连续析出颗粒提供充足的热力学和动力学条件；随着时效时间进一步延长，由于碳化物M23C6的较多析出导致该析出区域C元素逐渐贫化，M23C6析出的热力学和动力学条件逐渐受到抑制，氮化物Cr2N开始在晶界析出的M23C6碳化物附近形核。随后，片层状Cr2N逐渐在相邻晶粒内长大，其生长方向与奥氏体晶格取向具有固定的位向关系。