CN113755753B - 一种基于异质结构多类型强化奥氏体不锈钢及制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于异质结构多类型强化奥氏体不锈钢及制造方法，其特征在于，化学成分的质量百分比含量为：C<0.05％，Si<0.50％，Mn<1.3％，Cr：14～16％，Ni：7～9％，Mo：1～3％，Cu<1.4％，S<0.01％，P<0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。本发明涉及的奥氏体不锈钢的马氏体转变温度在如下范围：‑60℃<Ms<40℃。本发明涉及的高强奥氏体不锈钢通过细化晶粒和增加位错等缺陷稳定奥氏体。与现有奥氏体不锈钢相比，所需要的合金含量更少，具有较好的经济效率。通过基于异质结构的多类型强化方式(包括细晶强化，第二相强化，析出强化，固溶强化，不均匀变形强化)，只牺牲少量加工硬化能力，使所述的奥氏体在达到125钢级(862MPa)的同时仍能保持超过20％的均匀延伸率。
Description
技术领域
本发明属于高强塑性合金生产领域，涉及一种基于异质结构多类型强化奥氏体不锈钢及制造方法。
背景技术
不锈钢因为其在腐蚀性环境中具有的较高的化学稳定性和高温下具有良好的抗氧化能力而被广泛的运用在纺织工业、造纸工业、家用器具、服装工业、核工业、交通车辆、建筑工业、电子工业、炼油工业、能源工业等等。而在一些环境运用时会受到外加载荷，故要求不锈钢还要具有一定的强度，如油气管材在服役环境中受到管柱自重和底层气体压力所带来的轴向和周向带的拉应力。因此，在这些需求环境中，高强度的马氏体不锈钢逐渐崭露头角。但是马氏体不锈钢面临塑性差的缺点，通常在马氏体不锈钢屈服强度达到125钢级时，其延伸率是要小于20％，且大多数都是非均匀延伸率。与之相对应的是奥氏体不锈钢，虽然奥氏体不锈钢具有较好的塑性，但是其屈服强度通常只有200～300MPa。这种单一相均质合金强度和塑性通常是站在相互排斥的对立面上。
在近十年研究中，异质结构设计概念被提出并成功应用于强化和韧化各种合金***。异质结构是指在材料内部形成不同力学属性的区域，即软域和硬域。在变形期间，软域和硬域之间变形是不均匀的，软域会优先发生塑性变形，导致位错在域界面附近软域内积累，从而在软域内产生背应力。这样会提供额外的加工硬化能力。因此，基于这种异质结构，在不同分区采用不同类型的强化方式，这会大大减少由于单一强化方式带来的对加工硬化率的影响，使得合金在达到高屈服强度的同时仍然具有较好的均匀延伸率。
合金含量最高的马氏体不锈钢为15Cr-6Ni型马氏体不锈钢。而合金含量最低的奥氏体不锈钢为17Cr-7Ni型301不锈钢。从化学成分上在马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢之间存在一个合金空挡。在这个合金空挡中的不锈钢组织主要是马氏体和大量的残余奥氏体。残余奥氏体由于合金体系导致具有较低的化学稳定性，同时由于这部分大量的残余奥氏体中存在的残余应力导致具有较低的机械稳定性。应力诱导马氏体相变会过早导致材料的屈服以及很快的应变诱导马氏体相变会导致材料具有较低的延伸率。因此在这个合金空挡中的不锈钢通常的力学性能都很差。
利用现在异质结构的设计理念，提出多类型强化，合理利用这部分合金空挡的不锈钢制备高强韧的奥氏体不锈钢，目前国内外还没有相关的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种屈服强度达到125刚级(ISO 11960)，均匀延伸率超过20％的高强度高韧性奥氏体不锈钢及制造方法。该高强度奥氏体不锈钢为一种异质结构多类型强化的奥氏体不锈钢。大量耐蚀性元素Cr和Ni的存在使得其具有的良好耐蚀性，同时由于奥氏体结构带来的较好的抗氢致开裂能力。所述的高强度高韧性奥氏体不锈钢能填补高强度高强韧的不锈钢领域，特别适用于油气管材的选用。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于异质结构多类型强化奥氏体不锈钢，其特征在于，化学成分的质量百分比含量为：C<0.05％，Si<0.50％，Mn<1.3％，Cr：14～16％，Ni：7～9％，Mo：1～3％，Cu<1.4％，S<0.01％，P<0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
进一步地，其合金成分含量介于现有马氏体不锈钢与奥氏体不锈钢之间，即其马氏体转变开始温度(Ms)介于现有马氏体不锈钢与奥氏体不锈钢的马氏体转变开始温度之间，具体要求为：
-60℃<Ms＝1305-1667％C-27.8％Si-33.3％Mn-41.7Cr-61.1％Ni-36.1％Mo-10％Cu<40℃。
如上所述的异质结构多类型强化奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：
(1)采用冶炼、铸造得到满足上述化学成分要求的不锈钢铸坯；
(2)在1000℃～1200℃锻造或热轧加工成型；
(3)将成型的不锈钢钢坯在1040-1060℃进行高温固溶处理，到温放样，可采用水冷/油冷/空冷方式冷却；
(4)将经过固溶处理后的坯料进行总压下量35％～55％的冷轧处理；
(5)将经过冷轧处理后的坯料进行回火处理，回火温度550℃～700℃，到温放样，保温时间0.5-1.5小时，采用空冷冷却方式。
进一步地，经过热加工成型后坯料需要去除表层氧化物杂质，可采用酸洗/机加工去皮。
进一步地，所述高强度奥氏体不锈钢的微观组织为粗晶残余奥氏体+细晶逆变奥氏体+残余马氏体的复合异质结构，其中马氏体体积分数小于30％。这种异质结构在变形过程中为了协调软硬相的不均匀变形会在界面处产生几何必须位错，提供额外的加工硬化率，即产生不均匀变形强化。
进一步地，所述异质结构多类型强化奥氏体不锈钢的组织结构中粗晶残余奥氏体被退火孪晶分割，细晶逆变奥氏体和残余马氏体交替分布构成细晶区，在细晶区中均匀弥散分布纳米级别碳化铬析出相。
进一步地，所述异质结构多类型强化奥氏体不锈钢的组织结构是采用细晶提高奥氏体的化学稳定性和采用位错缺陷提高奥氏体的机械稳定性。这就产生了细晶强化，第二相强化和析出强化。
进一步地，所述高强度奥氏体不锈钢的屈服强度超过862MPa(125ksi)，总延伸率大于25％，均匀延伸率大于20％。
进一步地，所述高强度奥氏体不锈钢采用合理的成分设计与热处理工艺得到异质结构。通过细晶强化，第二相强化，析出强化，固溶强化，不均匀变形强化多类型强化方式，在没有牺牲材料太多的加工硬化能力条件下，使所述的异质结构多类型强化奥氏体在达到高屈服强度的同时仍能保持较好的均匀延伸率。
本发明的关键点在于：
(1)本发明所设计的为15Cr-8Ni型低碳奥氏体不锈钢，相比于现有的301，304，316奥氏体不锈钢，其合金成分合金含量最低，成本低廉，屈服强度大幅度提升。如专利CN110218852 B 2020.12.22所公告的一种301奥氏体不锈钢，其固溶状态下屈服强度只有337MPa。本发明添加Cu的作用主要表现在固溶强化和抗H2S应力腐蚀(氢脆)性能。在需要较好的抗氢脆性能时可添加Cu至1.4％。
(2)本发明所述的异质结构多类型强化奥氏体不锈钢的制备方法，采用合适的热处理工艺得到异质结构。通过细晶强化，第二相强化，析出强化，固溶强化，不均匀变形强化多类型强化方式，在没有牺牲材料太多的加工硬化能力条件下，使所述的异质结构多类型强化奥氏体在达到125钢级的同时仍能保持超过20％的均匀延伸率。
(3)本发明所述的异质结构多类型强化奥氏体不锈钢的制备方法，与传统的马氏体不锈钢调质处理相比，只增加了一个中等程度压下量的冷轧，同时固溶状态软相奥氏体所需要的轧制力也不大，因此易于实现大规模生产。
本发明优点:与现有奥氏体不锈钢相比，所需要的合金含量更少，具有较好的经济效率。通过基于异质结构的多类型强化方式(包括细晶强化，第二相强化，析出强化，固溶强化，不均匀变形强化)，只牺牲少量加工硬化能力，使所述的奥氏体在达到125钢级(862MPa)的同时仍能保持超过20％的均匀延伸率。
附图说明
图1为实施例两个热处理工艺式样的工程应力应变曲线。
图2为实施例USTB-2式样的EBSD衬度图。
图3为实施例USTB-2式样的TEM观测的细晶区微观结构。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
表1为本发明实施例钢的成分。表2为本发明实施例两个不同热处理工艺得到的力学性能。
表1
| C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | Cu |
| 0.048 | 0.27 | 0.65 | 15.13 | 8.09 | 2 | 1.22 |
表2
根据表1所设计的化学成分，经过真空熔炼获得铸锭。USTB-1和USTB-2分别经过如下两个热处理工艺获得。
USTB-1：热锻(1200℃)→固溶处理(1050℃/1h)→冷轧(45％压下量)→退火(580℃/1h)
USTB-2：热锻(1200℃)→热轧(1050℃)→冷轧(45％压下量)→退火(580℃/1h)
根据图1和表2所统计的力学性能数据，实施例的两个式样USTB-1和USTB-2都具有较好的强度和较好的延伸率。其屈服强度都达到了125钢级且均匀延伸率都超过20％
根据图2所示的实施例USTB-2式样的电子背散射衍射图(EBSD)的衬度图所示，其主要微观结构为细晶区和粗晶区。其中粗晶区为超细晶的逆变奥氏体和剩余马氏体的混合。粗晶区为被退火孪晶分割的残余奥氏体。
根据图3所示的实施例USTB-2式样的细晶区的透射电镜观察微观结构图所示，在细晶区存在纳米级别均匀弥散分布的碳化铬析出相。
Claims (8)
1.一种基于异质结构多类型强化奥氏体不锈钢，其特征在于，化学成分的质量百分比含量为： C < 0.05%，Si< 0.50%，Mn<1.3%，Cr：14~16%，Ni：7~9%，Mo：1~3%，Cu < 1.4%，S <0.01%，P < 0.02%，余量为Fe及不可避免的杂质元素；
其合金成分含量介于现有马氏体不锈钢与奥氏体不锈钢之间，即其马氏体转变开始温度（Ms）介于现有马氏体不锈钢与奥氏体不锈钢的马氏体转变开始温度之间，具体要求为：
所述的异质结构多类型强化奥氏体不锈钢的制备方法，按照以下步骤进行：
（1）采用冶炼、铸造得到满足上述化学成分要求的不锈钢铸坯；
（2）在1000℃~1200℃锻造或热轧加工成型；
（3）将成型的不锈钢钢坯在1040-1060℃进行高温固溶处理，到温放样，采用水冷/油冷/空冷方式冷却；
（4）将经过固溶处理后的坯料进行总压下量35%~55%的冷轧处理；
（5）将经过冷轧处理后的坯料进行回火处理，回火温度550℃~700℃，到温放样，保温时间0.5-1.5小时，采用空冷冷却方式；
所述异质结构多类型强化奥氏体不锈钢的微观组织为粗晶残余奥氏体+细晶逆变奥氏体+残余马氏体的复合异质结构，其中马氏体体积分数小于30%；粗晶残余奥氏体被退火孪晶分割，细晶逆变奥氏体和残余马氏体交替分布构成细晶区，在细晶区中均匀弥散分布纳米级别碳化铬析出相。
2.根据权利要求1所述的异质结构多类型强化奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：
（1）采用冶炼、铸造得到满足上述化学成分要求的不锈钢铸坯；
（2）在1000℃~1200℃锻造或热轧加工成型；
（3）将成型的不锈钢钢坯在1040-1060℃进行高温固溶处理，到温放样，采用水冷/油冷/空冷方式冷却；
（4）将经过固溶处理后的坯料进行总压下量35%~55%的冷轧处理；
（5）将经过冷轧处理后的坯料进行回火处理，回火温度550℃~700℃，到温放样，保温时间0.5-1.5小时，采用空冷冷却方式。
3.根据权利要求2所述的异质结构多类型强化奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于经过热加工成型后坯料需要去除表层氧化物杂质，采用酸洗/机加工去皮。
4.根据权利要求2所述的异质结构多类型强化奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于所述异质结构多类型强化奥氏体不锈钢的微观组织为粗晶残余奥氏体+细晶逆变奥氏体+残余马氏体的复合异质结构，其中马氏体体积分数小于30%；这种异质结构在变形过程中为了协调软硬相的不均匀变形会在界面处产生几何必须位错，提供额外的加工硬化率，即产生不均匀变形强化。
5.根据权利要求2所述的异质结构多类型强化奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于异质结构多类型强化奥氏体不锈钢的组织结构中粗晶残余奥氏体被退火孪晶分割，细晶逆变奥氏体和残余马氏体交替分布构成细晶区，在细晶区中均匀弥散分布纳米级别碳化铬析出相；这就产生了细晶强化，第二相强化和析出强化。
6.根据权利要求2所述的异质结构多类型强化奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于异质结构多类型强化奥氏体不锈钢的组织结构是采用细晶提高奥氏体的化学稳定性和采用位错缺陷提高奥氏体的机械稳定性。
7.根据权利要求2所述的异质结构多类型强化奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于所述异质结构多类型强化奥氏体不锈钢的屈服强度超过862MPa（125ksi），总延伸率大于25%，均匀延伸率大于20%。
8.根据权利要求2所述的异质结构多类型强化奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于所述异质结构多类型强化奥氏体不锈钢采用合理的成分设计与热处理工艺得到异质结构；通过细晶强化，第二相强化，析出强化，固溶强化，不均匀变形强化多类型强化方式，在没有牺牲材料太多的加工硬化能力条件下，使所述的异质结构多类型强化奥氏体在达到高屈服强度的同时仍能保持较好的均匀延伸率。
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