[发明专利]一种提高高氮钢石油钻铤表面耐腐蚀耐磨损的方法

说明书

技术领域

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。

发明内容

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。