CN114150115B - 一种耐晶间腐蚀的高铬超级铁素体不锈钢板材的退火方法 - Google Patents

一种耐晶间腐蚀的高铬超级铁素体不锈钢板材的退火方法 Download PDF

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Abstract

一种耐晶间腐蚀的高铬超级铁素体不锈钢板材的退火方法，属于热处理技术领域，解决高铬超级铁素体不锈钢板材在现有的退火工艺下晶间腐蚀敏感性较高的技术问题，本发明采用再结晶退火工艺+均匀化处理的双联退火工艺，在保证高铬超级铁素体不锈钢的力学性能的同时，提高了高铬超级铁素体不锈钢的耐晶间腐蚀性能。本发明包括以下步骤：首先，将高铬超级铁素体不锈钢冷轧态板材进行再结晶退火，冷却至均匀化处理温度；然后，将充分再结晶的高铬超级铁素体不锈钢板材在均匀化处理温度短时间保温，快冷至室温。

Description

一种耐晶间腐蚀的高铬超级铁素体不锈钢板材的退火方法
技术领域
本发明属于热处理技术领域，具体涉及一种耐晶间腐蚀的高铬超级铁素体不锈钢板材的退火方法。
背景技术
高铬超级铁素体不锈钢具有优异的耐腐蚀性能及综合力学性能，能够在海水环境中以及高含量Cl—的化工行业中长期服役。超级铁素体不锈钢在许多行业中已逐步替代钛、铜、超级奥氏体不锈钢以及超级双相不锈钢，节约了大量的镍、铜、钛等贵金属资源。
铁素体不锈钢为体心立方晶格，是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体，其溶碳能力比奥氏体不锈钢小的多，铁素体不锈钢最大溶碳量仅为0.0218%，远小于奥氏体的最大溶碳量2.11%，具有与奥氏体不锈钢不同的敏化过程动力学，不需要像奥氏体不锈钢那样进行敏化处理，铁素体不锈钢在退火后快冷过程中便会沿晶界析出富铬的碳、氮化物，造成晶界贫铬区，这与碳、氮在铁素体不锈钢中的溶解度极低以及碳、氮与铬原子在铁素体中的扩散速度远高于其在奥氏体中的扩散速度相关，这也致使铁素体不锈钢更容易遭受敏化，具有更高的晶间腐蚀敏感性。通常情况高铬超级铁素体不锈钢都会添加稳定化元素铌、钛，用来与碳、氮生成铌钛的碳氮化物，以达到固定碳、氮的作用，然而在经过高温（＞950℃）热处理后，碳、氮化物多半溶解于基体中，将本已固定的碳、氮释放，即使在水淬的情况下，也无法抑制晶界上偏聚的碳、氮与紧邻的铬以碳化铬、氮化铬的形态在晶界析出，从而使晶界附近产生贫铬区，易在腐蚀环境中发生晶间腐蚀现象。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，解决高铬超级铁素体不锈钢板材在现有的退火工艺（只采用再结晶退火工艺）下晶间腐蚀敏感性较高的技术问题，本发明提供一种耐晶间腐蚀的高铬超级铁素体不锈钢板材的退火方法。本发明采用再结晶退火工艺+均匀化处理的双联退火工艺在保证高铬超级铁素体不锈钢的力学性能的同时，提高高铬超级铁素体不锈钢耐晶间腐蚀的性能。
本发明的设计构思为：高铬超级铁素体不锈钢冷轧态板材现有退火工艺只经过再结晶退火，快冷至室温，晶粒再结晶的同时发生高温敏化，由稳定化元素（Nb、Ti）形成的碳、氮化物多半溶解于基体中，将本已固定的碳、氮释放，在冷却过程中由于铬元素含量多、扩散速度快，形成富铬的碳、氮化物沿晶界析出，形成晶界贫铬区，即使在水淬等急冷条件下也无法避免，从而引起耐晶间腐蚀性能下降。
本发明首先通过控制再结晶温度以保证晶粒充分再结晶，并控制晶粒尺寸，满足后续加工性能；其次根据铁素体不锈钢中铬原子扩散快得特点，选择合理的均匀化处理制度：温度750～830℃，保温时间1.5~2.5min/mm，在此温度范围，铬原子的扩散能力足以使其向晶界扩散以弥补贫铬区的铬含量，使贫铬区的贫铬程度减轻甚至消失，同时此温度范围恰好是含稳定化元素（Nb、Ti）的稳定化处理温度，Ti（C、N）、Nb（C、N）的形成，夺取了富铬碳、氮化物中的C和N，使有害的富铬碳和氮化物的形成量减少，从而改善钢的耐晶间腐蚀性能。
与现有技术相比，本发明通过以下技术方案予以实现。
一种耐晶间腐蚀的高铬超级铁素体不锈钢板材的退火方法，包括以下步骤：
S1、再结晶退火：将冷轧态高铬超级铁素体不锈钢板坯进行再结晶退火，再结晶退火温度为1040~1080℃，保温时间为1~1.5min/mm，加热炉气氛为空气或氢气气氛；板坯再结晶退火后冷却至750~830℃，冷却速度为45~50℃/s；该步骤S1的目的是使冷轧态板材充分再结晶，并控制晶粒尺寸以保证成品板的力学性能及加工性能，若再结晶退火温度低于1040℃将会导致再结晶不充分；再结晶退火温度高于1080℃晶粒会快速长大，均难以获得良好的力学性能；
S2、均匀化处理：将步骤S1冷却后的板坯进行均匀化处理，均匀化处理温度为750~830℃，保温时间为1.5~2.5min/mm，加热炉气氛为空气或氢气气氛；板坯均匀化处理后快速冷却至室温，冷却速度不小于70℃/s。通过该步骤S2可以使铬原子充分扩散到晶界贫铬区，使贫铬区的贫铬程度减轻，同时形成Ti（C、N）、Nb（C、N）夺取了部分C和N，减少了富铬碳和氮化物的形成量，采用快速冷却的方法有效抑制了其他有害相的析出。若均匀化温度＜750℃短时间保温铬原子扩散能力有限，不足以弥补热影响区晶界的贫铬程度，从而难以改善材料的耐晶间腐蚀性能；若均匀化温度＜750℃长时间保温，铬原子长时间也会扩散至晶界以弥补晶界贫铬区，但由于时间过长不适应现场生产节奏，降低生产效率。若均匀化温度＞830℃，由于高铬超级铁素体不锈钢含有较高的其他合金元素，均匀化温度过高短时间内会在晶界析出富铬金属间化合物（ σ、χ 、Laves相等），同样会造成晶界贫铬现象，难以达到消除晶界贫铬区以降低晶间腐蚀敏感性的目的。
进一步地，所述高铬超级铁素体不锈钢的成分及其重量百分比含量为：C：≤0.03%；Si：≤1.00%；Mn：≤1.00%；S：≤0.03%；Cr：27.0～35.0%；Mo：3.0～4.0%；Ni：0～3.0%；N：≤0 .04%；Ti+Nb：0.20~1.0%且≥6（C+N）；余量为Fe和不可避免的杂质。
与现有技术相比本发明的有益效果为：
本发明提供的一种耐晶间腐蚀的高铬超级铁素体不锈钢板材的退火方法，保证了高铬超级铁素体不锈钢的力学性能，并提高了高铬超级铁素体不锈钢耐晶间腐蚀的性能。拓展高铬超级铁素体不锈钢的的应用范围，有利于高铬超级铁素体不锈钢的推广，节约了Ni、Ti等贵金属的使用。
附图说明
图1为实施例1采用1040℃再结晶退火，保温时间1.5min，快冷至均匀化处理温度780℃，保温时间2.5min，快冷，经ASTM A763-1993（R2009）铁素体不锈钢晶间腐蚀敏感性的检测规程中Y法检测试验后的板材表面形貌。
图2为实施例2采用1050℃再结晶退火，保温时间1.5min，快冷至均匀化处理温度800℃，保温时间2min，快冷，经ASTM A763-1993（R2009）铁素体不锈钢晶间腐蚀敏感性的检测规程中Y法检测试验后的板材表面形貌。
图3为实施例3采用1060℃再结晶退火，保温时间1min，快冷至均匀化处理温度830℃，保温时间1.5min，快冷，经ASTM A763-1993（R2009）铁素体不锈钢晶间腐蚀敏感性的检测规程中Y法检测试验后的板材表面形貌。
图4为对比例1只采用1060℃再结晶退火，保温时间1.5min，快冷，经ASTM A763-1993（R2009）铁素体不锈钢晶间腐蚀敏感性的检测规程中Y法检测试验后的板材表面形貌。
图5为对比例2采用1040℃再结晶退火，保温时间1.5min，快冷至均匀化处理温度900℃，保温时间1min，快冷，经ASTM A763-1993（R2009）铁素体不锈钢晶间腐蚀敏感性的检测规程中Y法检测试验后的板材表面形貌。
图6为对比例3采用1000℃再结晶退火，保温时间1.5min，快冷至均匀化处理温度780℃，保温时间2.5min，快冷，经ASTM A763-1993（R2009）铁素体不锈钢晶间腐蚀敏感性的检测规程中Y法检测试验后的板材表面形貌。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例均按照常规实验条件。另外，对于本领域技术人员而言，在不偏离本发明的实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
以厚度为1mm 的S44660高铬超级铁素体不锈钢板材为例，对本发明进一步详细地说明，其钢板化学成分为C：0.027%；Si：0.97%；Mn：0.95%；S：0.018%；Cr：26.24%；Mo：3.12%；Ni：2.96%；N：0.037%；Ti：0.26%；Nb：0.32%；余量为Fe。
实施例1
一种耐晶间腐蚀的高铬超级铁素体不锈钢板材的退火方法，包括以下步骤：
S1、再结晶退火：将冷轧态高铬超级铁素体不锈钢板坯进行再结晶退火，再结晶退火温度为1040℃，保温时间为1.5min，加热炉气氛为空气气氛；板坯再结晶退火后冷却至780℃，冷却速度为48℃/s；
S2、均匀化处理：将步骤S1冷却后的板坯进行均匀化处理，均匀化处理温度为780℃，保温时间为2.5min/mm，加热炉气氛为空气气氛；板坯均匀化处理后快速冷却至室温，冷却速度为70℃/s。
取步骤2处理后板材的试样按照ASTM A763-1993（R2009）铁素体不锈钢晶间腐蚀敏感性的检测规程中Y法进行晶间腐蚀敏感性试验，结果如图1所示，无晶间腐蚀现象发生；按照国家标准GB/T 228.1-2010进行力学性能测试，结果如表1所示；按照国家标准GB/T6394-2002进行平均晶粒度测定，结果如表1所示。
实施例2
一种耐晶间腐蚀的高铬超级铁素体不锈钢板材的退火方法，包括以下步骤：
S1、再结晶退火：将冷轧态高铬超级铁素体不锈钢板坯进行再结晶退火，再结晶退火温度为1050℃，保温时间为1.5min，加热炉气氛为空气气氛；板坯再结晶退火后冷却至800℃，冷却速度为50℃/s；
S2、均匀化处理：将步骤S1冷却后的板坯进行均匀化处理，均匀化处理温度为800℃，保温时间为2min/mm，加热炉气氛为空气气氛；板坯均匀化处理后快速冷却至室温，冷却速度为70℃/s。
取步骤2处理后板材的试样按照ASTM A763-1993（R2009）铁素体不锈钢晶间腐蚀敏感性的检测规程中Y法进行晶间腐蚀敏感性试验，结果如图2所示，无晶间腐蚀现象发生；按照国家标准GB/T 228.1-2010进行力学性能测试，结果如表1所示；按照国家标准GB/T6394-2002进行平均晶粒度测定，结果如表1所示。
实施例3
一种耐晶间腐蚀的高铬超级铁素体不锈钢板材的退火方法，包括以下步骤：
S1、再结晶退火：将冷轧态高铬超级铁素体不锈钢板坯进行再结晶退火，再结晶退火温度为1060℃，保温时间为1min，加热炉气氛为氢气气氛；板坯再结晶退火后冷却至830℃，冷却速度为45℃/s；
S2、均匀化处理：将步骤S1冷却后的板坯进行均匀化处理，均匀化处理温度为830℃，保温时间为1.5min/mm，加热炉气氛为氢气气氛；板坯均匀化处理后快速冷却至室温，冷却速度为70℃/s。
取步骤2处理后板材的试样按照ASTM A763-1993（R2009）铁素体不锈钢晶间腐蚀敏感性的检测规程中Y法进行晶间腐蚀敏感性试验，结果如图3所示，无晶间腐蚀现象发生；按照国家标准GB/T 228.1-2010进行力学性能测试，结果如表1所示；按照国家标准GB/T6394-2002进行平均晶粒度测定，结果如表1所示。
对比例1
将高铬超级铁素体不锈钢冷轧态板材进行1060℃再结晶退火，保温时间1min，加热炉气氛为空气气氛，之后以50℃/s的冷却速率冷却至室温。
将上述热处理后的试样按照ASTM A763-1993（R2009）铁素体不锈钢晶间腐蚀敏感性的检测规程中Y法进行晶间腐蚀敏感性试验，试验结果如图4，发生晶间腐蚀现象；按照国家标准GB/T 228.1-2010进行力学性能测试，结果如表1所示；按照国家标准GB/T 6394-2002进行平均晶粒度测定，结果如表1所示。
对比例2
S1：将高铬超级铁素体不锈钢冷轧态板材进行1040℃再结晶退火，保温时间1.5min，加热炉气氛为空气气氛，之后以46℃/s的冷却速率冷却至900℃。
S2：将充分再结晶的高铬超级铁素体不锈钢板材在900℃，保温时间1min，加热炉气氛为空气，之后以75℃/s的冷却速率快速冷却至室温。
将步骤2处理后的试样按照ASTM A763-1993（R2009）铁素体不锈钢晶间腐蚀敏感性的检测规程中Y法进行晶间腐蚀敏感性试验，试验结果如图5，发生晶间腐蚀现象；按照国家标准GB/T 228.1-2010进行力学性能测试，结果如表1所示；按照国家标准GB/T 6394-2002进行平均晶粒度测定，结果如表1所示。
对比例3
S1：将高铬超级铁素体不锈钢冷轧态板材进行1000℃再结晶退火，保温时间1.5min，加热炉气氛为空气气氛，之后以45℃/s的冷却速率冷却至780℃。
S2：将充分再结晶的高铬超级铁素体不锈钢板材在均匀化处理温度780℃，保温时间2.5min，加热炉气氛为空气，之后以70℃/s的冷却速率快速冷却至室温。
将步骤2处理后的试样按照ASTM A763-1993（R2009）铁素体不锈钢晶间腐蚀敏感性的检测规程中Y法进行晶间腐蚀敏感性试验，试验结果如图6，无晶间腐蚀现象发生；按照国家标准GB/T 228.1-2010进行力学性能测试，结果如表1所示；按照国家标准GB/T 6394-2002进行平均晶粒度测定，结果如表1所示。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
备注：晶间腐蚀检测：在金相显微镜下检查浸蚀试样用可放大250×至500×观察；表1中“√”表示不发生晶间腐蚀现象，“×”表示发生晶间腐蚀现象，并且存在沟状组织（一个或多个晶粒被腐蚀沟完全包围）。
实施例1~3使用S44660高铬超级铁素体不锈钢冷轧态板材，采用本发明方法处理得到的高铬超级铁素体不锈钢耐晶间腐蚀性能明显提高，按照ASTM A763-1993（R2009）铁素体不锈钢晶间腐蚀敏感性的检测规程中Y法，采用沸腾铜-硫酸铜-50%硫酸溶液试验，沸腾120h，晶间腐蚀检测晶界没有明显腐蚀现象，如图1~3。且力学性能均达到加工要求，如表1。
对比例1未采用均匀化处理，只采用步骤1能够满足力学性能要求，按照ASTMA763-1993（R2009）铁素体不锈钢晶间腐蚀敏感性的检测规程中Y法，采用沸腾铜-硫酸铜-50%硫酸溶液试验，沸腾120h，通过金相法检查发现晶界全部腐蚀呈沟槽状，明显发生晶间腐蚀如图4；
如果均匀化温度过高如对比例2，采用步骤1能够满足力学性能要求，但均匀化温度过高，会快速在晶界析出富铬金属间化合物（ σ、χ 、Laves相等），同样会造成晶界贫铬现象。按照ASTM A763-1993（R2009）铁素体不锈钢晶间腐蚀敏感性的检测规程中Y法，采用沸腾铜-硫酸铜-50%硫酸溶液试验，沸腾120h，过金相法检查发现晶界全部腐蚀呈沟槽状，且有晶粒明显脱落，明显发生晶间腐蚀如图5；
如果再结晶温度过低如对比例3，采用1000℃再结晶退火，晶粒没有充分再结晶，无法满足后续加工的力学性能要求如表1，按照ASTM A763-1993（R2009）铁素体不锈钢晶间腐蚀敏感性的检测规程中Y法，采用沸腾铜-硫酸铜-50%硫酸溶液试验，沸腾120h，金相检查晶界没有明显腐蚀现象。
实施例1~3结果表明，经过本发明的方法处理之后，高铬超级铁素体不锈钢在满足加工力学性能要求的同时，耐晶间腐蚀性能明显改善。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种耐晶间腐蚀的高铬超级铁素体不锈钢板材的退火方法，所述高铬超级铁素体不锈钢的成分及其重量百分比含量为：C：≤0.03%；Si：≤1.00%；Mn：≤1.00%；S：≤0.03%；Cr：27.0～35.0%；Mo：3.0～4.0%；Ni：0～3.0%；N：≤0 .04%；Ti+Nb：0.20~1.0%且≥6（C+N），余量为Fe和不可避免的杂质，其特征在于包括以下步骤：
S1、再结晶退火：将冷轧态高铬超级铁素体不锈钢板坯进行再结晶退火，再结晶退火温度为1060~1080℃，保温时间为1~1.5min/mm，加热炉气氛为空气或氢气气氛；板坯再结晶退火后冷却至750~830℃，冷却速度为45~50℃/s；
S2、均匀化处理：将步骤S1冷却后的板坯进行均匀化处理，均匀化处理温度为750~830℃，保温时间为1.5~2.5min/mm，加热炉气氛为空气或氢气气氛；板坯均匀化处理后快速冷却至室温，冷却速度不小于70℃/s。
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