CN113151648A - 一种超高强度双相异构不锈钢的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料制备领域，具体为一种超高强度双相异构不锈钢的制备方法，包括如下步骤：步骤(1)：异构化热处理；将马氏体不锈钢在两相区进行异构化热处理，调控得到δ铁素体+马氏体双相组织；步骤(2)：变形强韧化；对步骤(1)得到的产品在回火温度区进行温轧处理，调控马氏体组织碳分布，在δ铁素体和马氏体组织双相异构界面上引入高密度间隙碳原子偏析，并获得50～100纳米层厚的铁素体/马氏体双相组织，得到强度＞2.5GPa的双相异构马氏体不锈钢。本发明对δ铁素体+马氏体组织的不锈钢进行较大变形量的温轧，可以细化晶粒并产生大量位错，达到变形强韧化的目的；最终得到抗拉强度2.4GPa以上，断裂韧性5％以上的超高强度双相异构不锈钢。
Description
技术领域
本发明属于材料制备领域，具体涉及一种超高强度双相异构不锈钢的制备方法。
背景技术
钢铁材料作为最常见的结构材料，广泛应用于建筑、交通运输、石油化工等各领域。马氏体不锈钢作为钢铁材料的一种，其主要特点是淬透性好，可通过淬火、回火等热处理工艺进行强化，从而获得较高的强度、硬度以及耐磨性。因此，马氏体不锈钢广泛应用于刃具、汽轮机叶片、大型发动机组叶片、轴承和耐磨件、制造水电站设备所用的大型铸件、泵阀类铸件等领域。近些年，随着焊接和热处理技术的发展，作为一种具有再用、循环和减量的绿色低碳环保材料，不锈钢受到了人们的广泛关注。而目前常用的马氏体不锈钢强度普遍较低，例如常用的2Cr12不锈钢的抗拉强度通常在1GPa以下，难以直接满足汽车供应商提出的高强度等级要求。因此，如何通过有效的方式来获得高强度马氏体不锈钢对于推广钢铁材料的应用具有重要意义。
马氏体不锈钢的强度来源于在奥氏体化温度快速冷却，奥氏体向马氏体的转变。马氏体组织是高度脆性的，通过回火可以提高马氏体不锈钢的延性和韧性，降低残余应力和位错密度，提高其在硬化条件下的可加工性。
Saeidi K等人(Ultra-high strength martensitic 420stainless steel withhigh ductility.Additive Manufacturing,2019,29:100803)利用选择性激光熔覆技术将AISI420不锈钢粉末熔覆在钢材表面，并通过后续热处理制备出了强度为1800MPa的马氏体不锈钢。该方法的优点是可以控制熔覆的位置以及厚度，精准的调控各部位的力学性能，但是这种方法的局限在于：(1)选择性激光熔覆技术对设备要求较高，制备成本较大；(2)熔覆过程中容易出现组织成分不均匀，影响材料的综合性能。
L.Yuan等人(Nanoscale austenite reversion through partitioning,segregation,and kinetic freezing:Example of a ductile 2GPa Fe-Cr-C steel.ActaMaterialia,2012,60:2790-2804)通过对AISI 420进行冷轧、奥氏体化以及回火，制备出了屈服强度1.4GPa，抗拉强度2GPa的马氏体不锈钢。该方法加工的样品尺寸更加灵活，能进行工业化生产。但是，由于该方法制备的马氏体不锈钢的屈强比较低，无法达到超高强度钢的水平。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结合热处理及变形强韧化，制备超高强度双相异构不锈钢的方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种超高强度双相异构不锈钢的制备方法，采用马氏体不锈钢为原材料，包括如下步骤：
步骤(1)：异构化热处理；将马氏体不锈钢在两相区进行异构化热处理，调控得到δ铁素体+马氏体双相组织；
步骤(2)：变形强韧化；对步骤(1)得到的产品在回火温度区进行温轧处理，调控马氏体组织碳分布，在δ铁素体和马氏体组织双相异构界面上引入高密度间隙碳原子偏析，并获得50～100纳米层厚的铁素体/马氏体双相组织，得到强度＞2.5GPa的双相异构马氏体不锈钢。
进一步的，马氏体不锈钢的碳含量按质量百分比≤0.25％。
进一步的，步骤(1)异构化热处理包括如下步骤：
步骤(11)：将马氏体不锈钢加热保温得到δ铁素体+奥氏体组织；
步骤(12)：对步骤(11)得到的不锈钢进行真空油淬，得到具有δ铁素体+马氏体双相组织的不锈钢。
进一步的，步骤(11)的加热保温具体为：马氏体不锈钢在真空淬火炉中随炉加热到1350-1400℃之间，保温0.5-1小时。
进一步的，步骤(2)中的温轧的温度为100℃-500℃之间。
进一步的，步骤(2)中温轧的温度为250℃-350℃。
进一步的，步骤(2)中温轧的累计轧制量在20-80％之间。
进一步的，步骤(2)中温轧的累计轧制量在40-80％之间。
一种超高强度双相异构不锈钢，采用上述方法制备。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明马氏体不锈钢高温加热转变为奥氏体，经过长时间保温使碳化物充分溶入钢中，奥氏体快速冷却转变为δ-铁素体+马氏体；通过对淬火后的双相异构不锈钢进行温轧，回火可以提高塑性，变形过程有利于产生大量的几何必要位错，促进位错的累积以提高不锈钢的强度；可以有效地将细化双相异构不锈钢的晶粒尺寸并提高其位错密度，其抗拉强度可以达到2.4GPa。
(2)工艺流程简单，生产设备简单，生产成本低。
(3)本发明适合工业化生产。
附图说明
图1为本发明的制备方法工艺流程图。
图2为热处理异构化后得到的双相异构不锈钢；其中图(a)是热处理异构化后双相不锈钢的光学显微镜图，图(b)是热处理异构化后双相不锈钢的扫描电镜图。
图3为变形强韧化后得到的超高强度双相异构不锈钢TEM和SEM图；其中图(a)为TEM图，图(b)为SEM图。
图4为超高强度双相异构不锈钢力学性能对比图。
图5全马氏体不锈钢400℃回火冷轧60％力学性能及SEM图；图(a)为全马氏体不锈钢400℃回火冷轧60％力学性能，图(b)全马氏体不锈钢400℃回火冷轧60％的SEM图，图(c)为更大放大倍数的全马氏体不锈钢400℃回火冷轧60％的SEM图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，一种超高强度双相异构不锈钢的制备方法，主要包括一下步骤：
第一步：热处理异构化：a)将马氏体不锈钢放入真空淬火炉中，随炉升温至1350℃-1400℃并保温0.5-1.5小时，使其组织均匀。b)对保温后的不锈钢进行两相区油淬，得到强度、硬度较高的δ铁素体+马氏体异构组织。
第二步：变形强韧化：对δ铁素体+马氏体组织的不锈钢在250℃-350℃进行轧制，每道次轧制前将样品放入马弗炉中加热10-20分钟，累积轧制量为40％-80％。
实施例1
选用化学成分为C 0.21％、Si 0.92％、Mn 0.49％、P 0.026％、S 0.015％、Cr12.50％、Ni 0.35％，余量为Fe的不锈钢铸锭。
(1)热处理异构化：
在上述化学成分为C 0.21％、Si 0.92％、Mn 0.49％、P 0.026％、S 0.015％、Cr12.50％、Ni 0.35％，余量为Fe的不锈钢铸锭上切取尺寸为80mm×40mm×8mm的小块，将其放入真空淬火炉中，以10℃/min随炉升温至1350℃并保温0.5小时，得到δ铁素体+奥氏体组织。对不锈钢进行真空油淬，得到强度、硬度较高的δ铁素体+马氏体组织，如图2所示。
(2)变形强韧化：对δ铁素体+马氏体组织的不锈钢在400℃下进行轧制，每道次下压量为0.1mm，每道次轧制前将样品放入300℃电阻炉中加热10min,累积下压量为60％，得到超高强度双相异构不锈钢，抗拉强度约2.4GPa，断裂韧性为6％，结果如图3和图4所示，通过热处理异构化和温轧变形后，材料的抗拉强度较原始态提升了300％，较调质处理态提升了41％，属于超高强度纳米片层异构不锈钢。
实施例2
选用化学成分为C 0.21％、Si 0.92％、Mn 0.49％、P 0.026％、S 0.015％、Cr12.50％、Ni 0.35％，余量为Fe的不锈钢铸锭。
(1)热处理异构化：
在上述化学成分为C 0.21％、Si 0.92％、Mn 0.49％、P 0.026％、S 0.015％、Cr12.50％、Ni 0.35％，余量为Fe的不锈钢铸锭上切取厚度为8mm的小块，将其放入真空淬火炉中，以10℃/min随炉升温至1350℃并保温0.5小时，得到δ铁素体+奥氏体组织。对不锈钢进行真空油淬，得到强度、硬度较高的δ铁素体+马氏体组织。
(2)变形强韧化：对δ铁素体+马氏体组织的不锈钢在室温下进行轧制，每道次下压量为0.1mm，累积下压量为60％，得到的马氏体不锈钢塑性差，弹性阶段发生断裂。
实施例3
选用化学成分为C 0.21％、Si 0.92％、Mn 0.49％、P 0.026％、S 0.015％、Cr12.50％、Ni 0.35％，余量为Fe的不锈钢铸锭。
(1)热处理异构化：
在上述化学成分为C 0.21％、Si 0.92％、Mn 0.49％、P 0.026％、S 0.015％、Cr12.50％、Ni 0.35％，余量为Fe的不锈钢铸锭上切取厚度为8mm的小块，将其放入真空淬火炉中，以10℃/min随炉升温至1350℃并保温0.5小时，得到δ铁素体+奥氏体组织。对不锈钢进行真空油淬，得到强度、硬度较高的δ铁素体+马氏体组织。
(2)变形强韧化：对δ铁素体+马氏体组织的不锈钢在室温下进行轧制，每道次下压量为0.1mm，每道次轧制前将样品放入400℃电阻炉中加热10min,累积下压量为60％，得到超高强度马氏体不锈钢，抗拉强度约2.2GPa，断裂韧性约为6％。
实施例4
选用化学成分为C 0.21％、Si 0.92％、Mn 0.49％、P 0.026％、S 0.015％、Cr12.50％、Ni 0.35％，余量为Fe的不锈钢铸锭。
(1)热处理异构化：
在上述化学成分为C 0.21％、Si 0.92％、Mn 0.49％、P 0.026％、S 0.015％、Cr12.50％、Ni 0.35％，余量为Fe的不锈钢铸锭上切取厚度为8mm的小块，将其放入真空淬火炉中，以10℃/min随炉升温至1350℃并保温0.5小时，得到δ铁素体+奥氏体组织。对不锈钢进行真空油淬，得到强度、硬度较高的δ铁素体+马氏体组织。
(2)变形强韧化：对δ铁素体+马氏体组织的不锈钢在500℃下进行轧制，每道次下压量为0.1mm，每道次轧制前将样品放入500℃电阻炉中加热10min,累积下压量为60％，得到超高强度马氏体不锈钢，抗拉强度约1.5GPa，断裂韧性为10％。
实施例5
选用化学成分为C 0.21％、Si 0.92％、Mn 0.49％、P 0.026％、S 0.015％、Cr12.50％、Ni 0.35％，余量为Fe的不锈钢铸锭。
(1)热处理全马氏体化：
在上述化学成分为C 0.21％、Si 0.92％、Mn 0.49％、P 0.026％、S 0.015％、Cr12.50％、Ni 0.35％，余量为Fe的不锈钢铸锭上切取厚度为8mm的小块，将其放入真空淬火炉中，以10℃/min随炉升温至1100℃并保温1小时，得到全奥氏体组织。对全奥氏体组织的不锈钢进行真空油淬，得到强度、硬度较高的全马氏体组织。
(2)变形强韧化：对全马氏体组织的不锈钢在室温下进行轧制，每道次下压量为0.1mm，每道次轧制前将样品放入400℃电阻炉中加热30min，累积下压量为60％，得到超高强度马氏体不锈钢，其力学性能和SEM照片如图5所示。
Claims (9)
1.一种超高强度双相异构不锈钢的制备方法，其特征在于，采用马氏体不锈钢为原材料，包括如下步骤：
步骤(1)：异构化热处理；将马氏体不锈钢在两相区进行异构化热处理，调控得到δ铁素体+马氏体双相组织；
步骤(2)：变形强韧化；对步骤(1)得到的产品在回火温度区进行温轧处理，调控马氏体组织碳分布，在δ铁素体和马氏体组织双相异构界面上引入高密度间隙碳原子偏析，并获得50～100纳米层厚的铁素体/马氏体双相组织，得到强度＞2.5GPa的双相异构马氏体不锈钢。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，马氏体不锈钢的碳含量按质量百分比≤0.25％。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)异构化热处理包括如下步骤：
步骤(11)：将马氏体不锈钢加热保温得到δ铁素体+奥氏体组织；
步骤(12)：对步骤(11)得到的不锈钢进行真空油淬，得到具有δ铁素体+马氏体双相组织的不锈钢。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(11)的加热保温具体为：马氏体不锈钢在真空淬火炉中随炉加热到1350-1400℃之间，保温0.5-1小时。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中的温轧的温度为100℃-500℃之间。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(2)中温轧的温度为250℃-350℃。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中温轧的累计轧制量在20-80％之间。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(2)中温轧的累计轧制量在40-80％之间。
9.一种超高强度双相异构不锈钢，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的方法制备。
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- 2021-04-02 CN CN202110359178.5A patent/CN113151648B/zh active Active
Patent Citations (3)
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Also Published As
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