无磁钢的力学性能分析及晶粒锻造研究

李天雨

（河南中原重型锻压有限公司，河南省济源市 454650）

摘要：无磁钢主要用于我公司石油钻具用钻铤、稳定器、扶正器等锻件生产。无磁钢在实际生产中，常规锻造工艺锻件很难达到技术要求，主要是屈服强度达不到，必须采用全新的锻造工艺及细化晶粒工艺。

1.技术背景

    无磁钢是使用低碳高铬锰合金制成的，经过严格的化学成分配比后并通过锻造而达到其优越的机械性能，并具有良好的低磁导率。在钻井过程中，钻具往往具有磁性磁场，影响磁性测量仪器，不能得到正确的井眼轨迹信息数据，利用无磁钢钻铤可实施无磁环境，且完全具有钻铤的特性

2. 技术难度

无磁钢是主要用来锻造石油钻具钻铤的无磁奥氏体钢，要提高无磁钢的生产技术指标，主要是屈服强度必须采用强化和特殊处理提高无磁钢屈服强度，以保证无磁钢顺利生产。

3. 采取的措施

无磁钢化学成分及力学性能如表1、表2所示，金相组织为奥氏体。由此可见，必须采用全新的工艺提高无磁钢屈服强度。课题组提出两种方法：温锻变形强化处理与细化晶粒强化处理。

无磁钢化学成分（质量分数）（%）为C含量≤0.03、Si含量≤0.8、Cr含量16.5～18.5、Mn含量18.5～22.0、Ni含量1.0～3.0、Mo含量0.4～0.80、N含量0.50～0.80。

检测力学数据如下：直径规格220毫米圆柱体标准要求Rp0.2/MPa≥965、Rm/MPa为≥1034、A/%≥20、冲击功/J≥100、硬度/HB300-400。

4. 温锻变形强化处理工艺

温锻变形强化是在高于室温、低于再结晶温度下进行锻制加工，使工件形变而提高其屈服强度。如果锻制时温度偏高，则力学性能较差；如果锻制时温度偏低，就需用较大吨位锻制设备，工件被锻裂的危险性也增大。因此，选择最合适的形变温度就成为主要解决的问题。

  解决形变温度这个问题，需考虑以下几个有关因素：①加工强化后的软化和再结晶温度。②在温锻变形温度范围内钢对变形的抗力和塑性。③碳化物析出的过程和速度。我公司采用无磁钢牌号W-3规格φ79.4~φ279.4mm圆钢。

据此制订了W-3无磁钢温锻加热工艺，W-3无磁钢温锻加热工艺：升温至1035~1105℃，保温40min，然后水冷至530~590℃温锻变形强化温度为530~590℃，快速锻造时间≤18min，变形量27%左右，锻后空气冷却。

无磁钢牌号W-3，经温锻生产后，检测力学数据如下：直径规格220毫米圆柱体，Rp0.2/MPa为1021、Rm/MPa为11053、A/%为20.2、冲击功/J为106、硬度/HB为321；标准要求Rp0.2/MPa≥965、Rm/MPa为≥1034、A/%≥20、冲击功/J≥100、硬度/HB≥100。

W-3无磁钢采用温锻锻造，可大幅提高力学性能，尤其是屈服强度。但温锻形变抗力大，需要较大吨位锻造设备。另外，如果材料塑性不好，锻造时容易开裂。温锻对操作者要求专业技能高，且生产危险性大。大型锻件不建议采用此工艺方法。

5. 细化晶粒处理工艺

课题组对炼钢工艺和锻造工艺进行排查，发现化学成分的变化对力学性能的影响较大，于是对不同成分的材料采用相同的锻造工艺进行实验，结合锻后材料的金相分析，寻找最佳的材料成分。

实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有更高的强度、硬度、塑性和韧性。晶粒细化时，晶粒金属内空位数目与位错数目都相应减少，位错与空位、位错间的交互作用几率减小，位错易于运动，即塑性好。晶粒细小，裂纹穿过晶界进入相邻晶粒并改变方向的频率增加，消耗的能量增加，韧性增加。

无磁钢牌号W-3，首次生产后，检测力学数据如下：直径规格220毫米圆柱体，Rp0.2/MPa为938、Rm/MPa为1021、A/%为20.5、冲击功/J为108、硬度/HB为316；标准要求Rp0.2/MPa≥965、Rm/MPa为≥1034、A/%≥20、冲击功/J≥100、硬度/HB≥100。

课题对该批材料进行了晶粒度分析；分析后发现晶粒度为2~4级，晶粒粗大有可能为屈服强度和抗拉强度指标达不到要求的主要原因，为了印证这一猜想，课题组查阅相关资料，对无磁钢的化学成分进行了调整，决定通过调整化学成分来改善无磁钢的力学性能。

以下的化学成分生产无磁钢，无磁钢化学成分（质量分数）（%）为C含量0.08、Si含量0.8、Cr含量14.5、Mn含量17、Ni含量2.2、Mo含量0.77、N含量0.25。

对锻造后的材料晶粒度进行分析，晶粒度为4-6级，经过前后两组数据对，晶粒有所细化。对此课题组组织这批材料进行了力学性能检验，检验结果如下所示：直径规格220毫米圆柱体，Rp0.2/MPa为1130、Rm/MPa为1260、A/%为25.5、冲击功/J为169、硬度/HB为385；标准要求Rp0.2/MPa≥965、Rm/MPa为≥1034、A/%≥20、冲击功/J≥100、硬度/HB≥100。

从检测结果可以看出，经过晶粒细化的处理工艺以后，无磁钢的主要力学性能得到极大改善，不仅抗拉强度Rm符合标准要求，最关键的是屈服强度Rp0.2得到大幅提高，由原来的Rp0.2数据932提高到了1130，并且所有指标均能达到标准要求。

6. 效果及结论

通过对无磁钢强化处理两种方法对比综合分析得出以下结论：

（1）温锻变形强化温度530~590℃，快速锻造时间≤18min，变形量28%左右，锻后空冷是最佳的温锻工艺。温锻强化处理后各项力学性能大幅提高，尤其是屈服强度。但温锻变形抗力大，需较大吨位锻造设备，锻造时容易开裂。对操作者技术要求高，风险性大，只适合小规格锻件生产。

（2）通过无磁钢的成分调整，细化了无磁钢的晶粒，晶粒细化后，裂纹穿过晶界进入相邻晶粒并改变方向的频率增加，提高无磁钢屈服强度；其他的指标伸长率增加，强度韧性增加，冲击功得到大幅提高。

两种方案对比综合分析，一般情况下应选择无磁钢的成分调整处理方案。小件且屈服强度要求高可选择温锻变形工艺方法。通过工艺摸索，课题组选择最佳的成分成功解决了无磁钢屈服强度不达标的问题，同时为后续无磁钢产品的工艺优化积累了经验。

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