CN107435087A - 奥氏体钢的热处理方法及由此得到的奥氏体钢 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热处理方法，用于高氮钢或奥氏体HNS类型的奥氏体钢，或者高填隙钢或奥氏体HIS类型的奥氏体钢，所述奥氏体HNS或奥氏体HIS含有铬和/或钼的氮化物、碳化物或碳氮化物的沉淀物，该方法包括在机加工含有沉淀物的奥氏体HNS或奥氏体HIS之后的下列步骤：通过使奥氏体HNS或奥氏体HIS达到其奥氏体化温度来再次溶解沉淀物，然后足够快速地冷却奥氏体HNS或奥氏体HIS以避免沉淀物再形成。本发明还涉及允许在奥氏体HNS或奥氏体HIS中出现铬和/或钼的氮化物、碳化物或碳氮化物类型的沉淀物的不同的热处理方法。实际上，通过在机加工部件期间促进碎屑的形成和移除，这些沉淀物在奥氏体HNS或奥氏体HIS的基体中的存在使得机加工操作更容易。

Description

奥氏体钢的热处理方法及由此得到的奥氏体钢

技术领域

本发明涉及一种对奥氏体钢的热处理方法及通过实施该热处理方法得到的奥氏体钢。更具体地，本发明涉及称为奥氏体高氮钢(Austenitic High Nitrogen Steels)或奥氏体HNS的含氮的奥氏体钢。本发明还涉及称为奥氏体高填隙钢(Austenitic HighInterstitial Steels)或奥氏体HIS的具有高浓度填隙原子的奥氏体钢。

背景技术

为了方便起见，含氮的奥氏体钢在下文将被称作“奥氏体HNS”，具有高浓度填隙原子的奥氏体钢在下文将被称作“奥氏体HIS”，它们具有的硬度、耐蚀性和低敏感特性使得它们特别是在钟表和珠宝首饰领域的应用中对于制造意在接触皮肤的外部元件(由于其非常低的镍浓度)和对于制造钟表机芯部件(由于它们非常坚硬，特别是在冷加工之后)非常有吸引力。

奥氏体HNS含有高浓度氮填隙原子，根据合金的成分和实现过程，该浓度按重量计可以高达1.5％。奥氏体HIS直接来自于奥氏体HNS，除了氮填隙原子之外，其含有大量碳填隙原子。

如上所述，一些奥氏体HNS和奥氏体HIS由于其非常低的镍含量和耐蚀性而具有吸引人的低敏感特性。然而，奥氏体HNS和奥氏体HIS非常难以机加工，这特别是因为它们具有非常高的弹性极限和冷加工率以及非常高的延展性。例如，测试表明机加工操作会花费比1.4435钢长2至3倍的时间，并且在加工刀具上存在非常严重的磨损。这些奥氏体HNS和奥氏体HIS的机加工在多个方面与钛的机加工相似，因此耗时、困难且成本昂贵，这是使用这些钢(特别是在钟表和珠宝首饰领域)的主要障碍。

因此，在现有技术中需要能够更容易机加工的奥氏体钢，该奥氏体钢保留了其生物相容性、硬度和耐蚀性方面的特性。

发明内容

本发明涉及一种用于HNS和HIS类型的奥氏体钢的热处理方法，其目的是使得此类奥氏体钢可以更容易机加工。

为此，本发明涉及一种用于奥氏体HNS或奥氏体HIS的热处理方法，所述奥氏体HNS或奥氏体HIS含有铬和/或钼的氮化物、碳化物或甚至碳氮化物的沉淀物，所述方法包括在机加工含有沉淀物的奥氏体HNS或奥氏体HIS之后的下列步骤：通过使奥氏体HNS或奥氏体HIS达到其奥氏体化温度来再次溶解沉淀物或使沉淀物处于溶解状态，然后足够快速地冷却奥氏体HNS或奥氏体HIS以避免沉淀物的再次形成。

此特征是非常有利的，因为当需要时，此特征使得可以在奥氏体HNS或奥氏体HIS部件已被机加工之后消除沉淀物。在钟表的特定情况下，可以利用这种可能性从外部元件(表壳中间部件、表壳后盖、表圈、表冠、按钮、扣钩、链节等)消除沉淀物，以使得材料尽可能均质并且消除残余应力。所得到的钢由此将具有改进的耐蚀性和更高的延展性。当希望制造珠宝首饰时情况也是如此。

根据本发明的一个补充特征，为了在机加工之前在奥氏体HNS或奥氏体HIS中形成沉淀物，提供一种奥氏体HNS或奥氏体HIS合金，使该合金达到其奥氏体化温度或在其奥氏体化温度下烧结，然后，使所述奥氏体HNS或奥氏体HIS合金的温度直接从奥氏体化温度足够缓慢地降低，以便在所得到的奥氏体HNS或奥氏体HIS结构中出现铬和/或钼的氮化物、碳化物或碳氮化物类型的沉淀物，然后，使奥氏体HNS或奥氏体HIS最终返回环境温度。

将理解，导致在奥氏体HNS或奥氏体HIS中形成沉淀物的步骤是在以下步骤之前：即，在机加工该奥氏体HNS或奥氏体HIS之后使沉淀物处于溶解状态的步骤。

还应指出，所述热处理方法同样很好地适用于通过铸造和随后的热机械处理所得到的部件，以及通过诸如金属注射成型或MIM的粉末冶金工艺所得到的部件。实际上，根据本发明的教导，当在合金的奥氏体化温度下烧结合金以得到HNS或HIS类型的奥氏体钢之后，可以立即缓慢地冷却合金以促进沉淀物出现。

“缓慢冷却”是指在奥氏体化或烧结之后，促进沉淀物在被处理的奥氏体HNS和奥氏体HIS的微结构中出现的冷却，这与常规的加热和淬火处理相反，该加热和淬火处理涉及在奥氏体化或烧结之后快速冷却HNS和HIS，以防止形成沉淀物。

由于主张当在奥氏体化温度下执行奥氏体化或烧结之后立即对奥氏体HNS和奥氏体HIS进行缓慢冷却热处理以促进沉淀物出现，本发明与通常的实践相反，通常的实践包括使合金尽可能快速地冷却，以便尽可能防止在得到的奥氏体HNS和奥氏体HIS中形成沉淀物。

申请人实际上已观察到，通过对奥氏体HNS和奥氏体HIS进行上述类型的热处理，例如，氮和碳原子趋向于迁移到晶界，并且非常容易地与铬或钼原子结合以形成铬/钼的氮化物、碳化物或甚至碳氮化物的沉淀物。这些沉淀物对基体具有非常低的附着力，从而它们使得切屑易碎并有利于机加工操作。

根据本发明的方法的另一实施方式，为了在机加工之前使铬和/或钼的氮化物、碳化物或碳氮化物类型的沉淀物出现在奥氏体HNS或奥氏体HIS中，提供奥氏体HNS或奥氏体HIS合金，使该合金达到其奥氏体化温度或在奥氏体化温度下烧结，然后，对该奥氏体HNS或奥氏体HIS合金直接从奥氏体化温度进行冷却热处理，并且当温度达到出现沉淀物的数值时，中断对所得到的奥氏体HNS或奥氏体HIS的冷却，将该奥氏体HNS或奥氏体HIS保持在此温度一段时间以使得沉淀物出现，然后使奥氏体HNS或奥氏体HIS最终返回环境温度。

根据本发明的方法的另一实施方式，当已经对奥氏体HNS或奥氏体HIS执行在奥氏体化温度下的奥氏体化或烧结热处理和随后的淬火热处理之后，将奥氏体HNS或奥氏体HIS再次加热到一定温度且持续一段时间，使得出现铬和/或钼的氮化物、碳化物或碳氮化物类型的沉淀物。

此第三变型是最实用的，因为它使得对各种热处理参数的最佳控制成为可能。

因此，根据本发明的用于奥氏体HNS或奥氏体HIS的热处理方法的第一、第二和第三变型更特别地旨在得到用于钟表或珠宝首饰的外部元件，因为它们增强了这类钢的耐蚀性。这前三个变型的共同点在于，在对奥氏体HNS或奥氏体HIS施加奥氏体化热处理和随后的机加工之后，可以实际上使得到的部件返回到退火温度，然后进行淬火以使沉淀物处于溶解状态。

根据本发明的方法的第四变型，使奥氏体HNS或奥氏体HIS达到其退火温度，换句话说，达到其奥氏体化温度，然后快速冷却(淬火)以便不形成沉淀物，对其进行冷加工，然后使该奥氏体HNS或奥氏体HIS达到一定温度且维持一段时间，以使得出现铬和/或钼的氮化物、碳化物或碳氮化物类型的沉淀物。

本发明还涉及一种钟表或珠宝首饰的元件，所述元件是从实施根据本发明的热处理方法得到的奥氏体HNS或奥氏体HIS获得的。

由于这些特征，在奥氏体化和冷加工之后得到的奥氏体HNS或奥氏体HIS的硬度受随后执行的根据本发明的沉淀处理的影响很小。但是却大幅提高了此类钢的可机加工性能。

附图说明

从下文对根据本发明的奥氏体HNS和奥氏体HIS的热处理方法的实施示例的详细描述中，本发明的其它特征和优点将更加清晰地显现出来，该示例仅参考附图作为非限制性说明给出，图中：

-图1是示意性的时间-温度-转变图表，示出根据本发明的方法的第一变型的奥氏体HNS或奥氏体HIS的热处理。

-图2是示意性的时间-温度-转变图表，示出根据本发明的方法的第二变型的奥氏体HNS或奥氏体HIS的热处理。

-图3是示意性的时间-温度-转变图表，示出根据本发明的方法的第三变型的奥氏体HNS或奥氏体HIS的热处理。

-图4是X20CrMnMoN17-11-3HIS的样品的金相横截面，该样品在其奥氏体化温度下退火，然后淬火，并且没有沉淀物。

-图5是X20CrMnMoN17-11-3奥氏体HIS的样品的金相横截面，该样品已经受到根据本发明的方法的第三变型的热处理。

-图6是X20CrMnMoN17-11-3奥氏体HIS的样品的金相横截面，该样品已经受到根据本发明的方法的第四变型的热处理。

-图7是示出图6的X20CrMnMoN17-11-3奥氏体HIS的样品的硬度根据为形成沉淀物而使钢达到的温度的演变的图表。

-图8是X20CrMnMoN17-11-3奥氏体HIS的样品的金相横截面，该样品在根据本发明的方法的第四变型的热处理之前，已经受到比图6的奥氏体钢样品更高的冷加工。

-图9是示出图8的X20CrMnMoN17-11-3奥氏体HIS的样品的硬度根据为形成沉淀物而使钢达到的温度的演变的图表。

具体实施方式

本发明源自以下总的发明思想：对奥氏体HNS和奥氏体HIS进行一种热处理，该热处理意在使例如在先前的沉淀处理期间在此类奥氏体HNS或奥氏体HIS中出现的沉淀物处于溶解状态。“沉淀热处理”是指这样一种处理：其意在将这些奥氏体HNS和奥氏体HIS在一定温度条件下放置特定一段时间，该温度条件允许沉淀物出现，例如特别是钼和/或铬的氮化物、碳化物或碳氮化物。实际上，可以观察到，这些沉淀物通常仅弱结合到材料的基体，从而它们在部件的机加工期间增加了碎屑的形成和移除。因此，根据本发明，在对含有沉淀物的奥氏体HNS或奥氏体HIS制成的部件进行机加工之后，可以使这些部件经受第二次奥氏体化处理，该第二次奥氏体化处理包括使部件返回其退火温度，然后将部件淬火以使沉淀物返回固溶体。由于在机加工之后使奥氏体HNS和奥氏体HIS第二次达到其退火温度会消除材料中的内部应力并由此降低硬度，因此将优选地(但以非限制性的方式)对手表或珠宝首饰的外部元件保留这种退火处理，对于手表或珠宝首饰的外部元件，耐蚀性和可抛光性是比硬度更重要的特性。

将理解的是，图1至3所示的图表是简化的示意性图示。实际上，每个奥氏体HNS或奥氏体HIS组合物具有其自身的时间-温度-转变图表，该图表还取决于相关沉淀物的性质。

图1是示出根据本发明的方法的第一变型的奥氏体HNS或奥氏体HIS的热处理的时间(t)-温度(T)-转变图表。Tr1是HNS或HIS类型的奥氏体钢的奥氏体化或退火温度，在图1的时间-温度-转变图表中，a是界定对应于允许形成沉淀物的时间和温度条件的区域的曲线。1表示使奥氏体HNS或奥氏体HIS从其退火温度返回环境温度以避免形成沉淀物的快速冷却曲线，图2表示根据本发明的冷却曲线，该冷却曲线结合了时间和温度参数，使得通过根据该曲线2降低奥氏体HNS或奥氏体HIS的温度，可以允许沉淀物在所述钢中出现。

图2是示出根据本发明的方法的第二变型的奥氏体HNS或奥氏体HIS的热处理的时间(t)-温度(T)-转变图表。Tr2是HNS或HIS类型的奥氏体钢的奥氏体化或退火温度，在图2的时间-温度-转变图表中，b是界定对应于允许形成沉淀物的时间和温度条件的区域的曲线。处理是从奥氏体HNS或奥氏体HIS根据曲线4从其退火温度Tr2的快速冷却开始的，然后，当温度达到能够出现沉淀物的数值Tp2时，对奥氏体HNS或奥氏体HIS的冷却中断，钢保持在温度Tp2一段时间，使得出现沉淀物(曲线6)。最后，使钢返回到环境温度(曲线8)。

图3是示出根据本发明的方法的第三变型的奥氏体HNS或奥氏体HIS的热处理的时间(t)-温度(T)-转变图表。Tr3是HNS或HIS类型的奥氏体钢的奥氏体化或退火温度，在图3的时间-温度-转变图表中，c是界定对应于允许形成沉淀物的时间和温度条件的区域的曲线。在这里所讨论的钢是已经从其退火温度Tr3足够快速地冷却到环境温度以避免形成沉淀物的奥氏体HNS或奥氏体HIS。根据本发明的方法的第三变型，这种奥氏体HNS或奥氏体HIS根据曲线10被加热，并且保持在一定温度一段时间，使得出现沉淀物(曲线12)，然后被冷却(曲线14)。

本发明的第四变型与同一方法的第三变型的不同仅在于，在退火和淬火处理之后以及在沉淀处理之前，奥氏体HNS或奥氏体HIS被冷加工，即冷变形。因此在该第四变型中，将根据本发明的热处理施加于通过冷加工被预先硬化的材料，其中，根据本发明的热处理包括使奥氏体钢到达一定温度一段时间以使得沉淀物形成。

最后，本发明的方法的最后的第五变型包括：在根据前三个变型中任一个的热处理之后，使奥氏体钢经受冷变形处理。

在X20CrMnMoN17-11-3奥氏体HIS上进行不同的测试。

图4是HIS X20CrMnMoN17-11-3钢的样品的金相横截面，该样品在其奥氏体化温度下退火，然后淬火。观察该图可以注意到，晶界几乎不可见，这表明缺少沉淀物。

图5是已经受到根据本发明的方法的第三变型的热处理的X20CrMnMoN17-11-3奥氏体HIS的样品的金相横截面。观察图5可以看到，晶界是可见的，这表明沿着这些晶界存在大量沉淀物。甚至可以看到(图5中由圆圈包围的区域)，一些较大的沉淀物已经从晶界生长到晶粒内部。在从退火温度快速冷却之后，可以通过使X20CrMnMoN17-11-3奥氏体HIS达到800℃的温度两个小时来得到这种沉淀物浓度。

对于一些应用，例如钟表机芯的部件，不可能设想在希望保持冷加工之后获得的硬度的条件下，对部件进行退火(在沉淀处理之后)。因此，对X20CrMnMoN17-11-3奥氏体HIS的样品执行根据本发明的第四变型的热处理方法，该热处理方法包括在退火、淬火和冷加工处理之后，使X20CrMnMoN17-11-3奥氏体HIS达到一定温度一段时间，使得沉淀物形成。可以观察到，在冷变形之后，沉淀物的形成更加快速。实际上，由冷变形导致的位错和缺陷产生了促进沉淀物的萌芽和生长的扩散路径。

图6是采用杆(bar)形式的X20CrMnMoN17-11-3奥氏体HIS的样品的金相横截面，通过由拉拔实现的冷变形，所述杆的外直径从3mm减小到2.5mm，即直径减小16.6％。因此，根据本发明的方法的第四变型，使所述样品根据图3所示的温度曲线达到800℃的温度两个小时。可以看到所述钢在晶界处和晶粒内部都具有大量沉淀物。

图7是示出图6的X20CrMnMoN17-11-3奥氏体HIS的硬度根据为形成沉淀物而使钢达到的温度的演变的图表。可以观察到，没有进行根据本发明的沉淀处理的奥氏体钢在冷加工之后的硬度是450HV10(图中的正方形符号)。对相同的奥氏体钢在冷加工之后执行根据本发明的方法的第四变型的热处理。使所述钢的样品分别达到750℃、800℃、850℃、900℃和950℃两个小时的持续时间，然后进行冷却(图中的菱形符号)。可以观察到，对于加热到700℃和900℃之间的样品，硬度包括在大约425HV10和375HV10之间。换句话说，受到根据本发明的第四变型的热处理的这些奥氏体钢样品的硬度相对于没有受到沉淀处理的经过冷加工的奥氏体钢的硬度变化很小。然而，受到根据本发明的此第四变型的沉淀热处理的奥氏体钢样品的可机加工性能得到显著提高。只有被加热到950℃两个小时的奥氏体钢样品的硬度显著低于没有进行沉淀处理的奥氏体钢的硬度(小于350HV10)。最后，仅经受退火处理和随后的淬火的X20CrMnMoN17-11-3奥氏体HIS的样品(图中的三角形符号)具有小于250HV10的硬度。

图8是采用杆形式的X20CrMnMoN17-11-3奥氏体HIS的样品的金相横截面，通过由拉拔实现的冷变形，所述杆的外直径从3mm减小到2mm，即33.3％的甚至更大的直径减小。通过根据本发明的第四变型使所述钢样品达到800℃的温度两个小时，对所述钢样品进行与图6相同的热处理。可以看到，与图6相比，沉淀现象甚至更加显著，这是因为除了沿着晶界和从晶界向晶粒内部形成的沉淀物之外，实际上在晶粒内部具有高浓度沉淀物。

图9是示出图8的钢的硬度根据为形成沉淀物而使钢在冷加工之后达到的温度的演变的图表。可以观察到，没有进行根据本发明的沉淀处理的奥氏体钢在冷加工之后的硬度包含在550HV10和560HV10之间(图中的正方形符号)。此硬度大于图7的硬度，这是因为冷加工率更高。图9中的菱形符号对应于分别达到700℃、750℃、800℃和850℃的温度45分钟的奥氏体钢样品。圆形符号对应于分别达到700℃、750℃、800℃和850℃的温度两个小时的奥氏体钢样品。图7和9的图表的比较表明，冷加工率越高，越容易形成沉淀物。实际上，钢内部的机械张力使得沉淀物能够成核和生长。

可以观察到，对于相同的沉淀处理温度，当沉淀处理的持续时间越长，奥氏体钢样品的硬度就越低。还可以观察到，对于相同的两个小时处理持续时间，沉淀温度越高，则钢的硬度越低。然而，这些图表示出可以得到具有大量沉淀物且硬度仍接近初始硬度的钢。

不言而喻，本发明不限于刚才已经描述的实施例，本领域技术人员可以设想多种简单的改变和变型，而不会背离所附权利要求限定的本发明的范围。可以应用根据本发明的沉淀方法的HNS和HIS的一些非限制性示例是：X5CrMnN18-18、X8CrMnN19-19、X8CrMnMoN18-18-2、X13CrMnMoN18-14-3、X20CrMnMoN17-11-3或甚至X5MnCrMoN23-21。最后，能够在所述沉淀方法期间形成的沉淀物的一些示例是：M23C、MC、M6C或甚至M2N，其中，M表示能够与碳或氮结合以形成碳化物或氮化物或碳氮化物的合金的一种或多种金属元素。本发明尤其适用于珠宝首饰以及钟表的外部元件。

从上文将理解，有利的是使用含有沉淀物的HNS或HIS类型的奥氏体钢来机加工例如用于珠宝首饰或腕表的元件。然而，在机加工之后使这些沉淀物消失也是有利的。实际上，尽管沉淀物通过在部件的机加工期间促进碎屑的形成和移除而使得机加工操作更容易，但是有利的是在机加工之后消除这些碎屑，以提高这些部件的延展性和耐蚀性。这是本发明教导了一种用于含有沉淀物的奥氏体HNS或HIS的热处理方法的原因，该方法包括在对使用含有沉淀物的奥氏体HNS或奥氏体HIS制成的、特别是用于珠宝首饰或钟表的部件进行机加工之后的下列步骤：通过使奥氏体HNS或奥氏体HIS部件达到其奥氏体化温度，使沉淀物再次溶解或再次处于溶解状态，然后典型地通过淬火来足够快速地冷却该部件，以防止沉淀物再次形成。“机加工操作”特别地(但以非限制性的方式)是指镗削、铣削、钻孔、车螺纹、攻丝和切削的操作。

Claims (6)

1.一种热处理方法，用于高氮钢或奥氏体HNS类型的奥氏体钢，或者高填隙钢或奥氏体HIS类型的奥氏体钢，所述奥氏体HNS或奥氏体HIS含有铬和/或钼的氮化物、碳化物或碳氮化物的沉淀物，所述方法包括在机加工含有沉淀物的奥氏体HNS或奥氏体HIS之后的下列步骤：通过使奥氏体HNS或奥氏体HIS达到其奥氏体化温度，使沉淀物再次处于溶解状态，然后足够快速地冷却奥氏体HNS或奥氏体HIS，以避免沉淀物重新形成。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了在机加工之前使奥氏体HNS或奥氏体HIS中出现铬和/或钼的氮化物、碳化物或碳氮化物类型的沉淀物，提供奥氏体HNS或奥氏体HIS合金，使该合金达到其奥氏体化温度或在奥氏体化温度下烧结，然后，将奥氏体HNS或奥氏体HIS合金的温度直接从所述奥氏体化温度足够缓慢地降低，以便在所得到的奥氏体HNS或奥氏体HIS结构中出现沉淀物，然后，使奥氏体HNS或奥氏体HIS最终返回到环境温度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了在机加工之前使奥氏体HNS或奥氏体HIS中出现铬和/或钼的氮化物、碳化物或碳氮化物类型的沉淀物，提供奥氏体HNS或奥氏体HIS合金，使该合金达到其奥氏体化温度或在奥氏体化温度下烧结，然后，对奥氏体HNS或奥氏体HIS合金直接从所述奥氏体化温度进行冷却热处理，并且当温度达到出现沉淀物的数值时，中断对所得到的奥氏体HNS或奥氏体HIS的冷却，将所述奥氏体HNS或奥氏体HIS保持在该温度一段时间以使得沉淀物出现，然后使奥氏体HNS或奥氏体HIS最终返回到环境温度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了在机加工之前使奥氏体HNS或奥氏体HIS中出现铬和/或钼的氮化物、碳化物或碳氮化物类型的沉淀物，对奥氏体HNS或奥氏体HIS合金在奥氏体化温度下进行奥氏体化热处理或烧结热处理，然后，对奥氏体HNS或奥氏体HIS合金淬火并重新加热到一定温度且持续一段时间，使得铬和/或钼的氮化物、碳化物或碳氮化物类型的沉淀物出现。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在淬火之后且在使奥氏体HNS或奥氏体HIS达到一定温度且持续一段时间以使得铬和/或钼的氮化物、碳化物或甚至碳氮化物类型的沉淀物出现之前，使奥氏体HNS或奥氏体HIS进行冷变形。

6.一种钟表或珠宝首饰的元件，所述元件是从实施根据权利要求1至5中任一项所述的热处理方法得到的奥氏体HNS或奥氏体HIS获得的。