CN115637376B

CN115637376B - 一种奥氏体不锈钢及其热处理工艺

Info

Publication number: CN115637376B
Application number: CN202110817082.9A
Authority: CN
Inventors: 李伟; 金学军; 李勇
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2021-07-20
Filing date: 2021-07-20
Publication date: 2024-01-16
Anticipated expiration: 2041-07-20
Also published as: CN115637376A

Abstract

本申请公开了一种奥氏体不锈钢，其金相组织为具有纳米晶、超细晶和粗晶的混晶组织，所述奥氏体不锈钢由以下质量百分比的元素组成：C：0.05‑0.1％；N：0.2‑0.25％；Cr：16.0‑18.0％；Ni：2.5‑3.5％；Mn：5.5‑6.5％；Cu：1.3‑2.0％；Si：0.3‑0.5％；Mo：0.05‑0.15％；S：≤0.004％；P：≤0.003％；O：0.0005‑0.001％；Ca：0.0005‑0.005％；余量为Fe。本发明的奥氏体不锈钢，在保证材料塑性的同时，有效提高材料的屈服强度，能够制备室温下强塑性兼具的奥氏体不锈钢。

Description

一种奥氏体不锈钢及其热处理工艺

技术领域

本申请涉及到不锈钢领域，具体而言，涉及奥氏体不锈钢及其热处理工艺。

背景技术

奥氏体不锈钢得益于其优异的耐蚀性和韧性，已经成为开发价值最高、应用最广泛的结构材料之一。但单相奥氏体不锈钢最主要的缺陷在于它的屈服强度往往不高。提高奥氏体不锈钢屈服强度的常规途径包括细晶强化和固溶强化，在这其中，通过简单的冷轧变形和再结晶退火是最为常用的热机械处理方式。然而，在室温轧制过程中，位错的动态回复过程也会相应伴随着发生，从而削弱强化效应。

为保证材料的塑性，在晶粒细化的同时还需在材料塑性变形过程中激发尽可能多的变形机制，如相变诱发塑性(TRIP)和孪晶诱发塑性(TWIP)等。然而，晶粒细化提高了奥氏体的稳定性，从而能够显著抑制相变和孪晶的发生。

因此，如何获得强塑性兼具的奥氏体不锈钢是亟需解决的问题。

发明内容

本申请实施例提供了一种奥氏体不锈钢，以至少解决目前尚没有强塑性兼具的奥氏体的问题。

根据本申请的一个方面，提供了一种奥氏体不锈钢，其金相组织为具有纳米晶、超细晶和粗晶的混晶组织。

进一步的，所述奥氏体不锈钢由以下质量百分比的元素组成：

C：0.05-0.1％；N：0.2-0.25％；Cr：16.0-18.0％；Ni：2.5-3.5％；Mn：5.5-6.5％；Cu：1.3-2.0％；Si：0.3-0.5％；Mo：0.05-0.15％；S：≤0.004％；P：≤0.003％；O：0.0005-0.001％；Ca：0.0005-0.005％；余量为Fe。

进一步的，所述奥氏体不锈钢，由以下质量百分比的元素组成：

C：0.05-0.08％；N：0.2-0.24％；Cr：17.0-18.0％；Ni：2.5-3.0％；Mn：6.0-6.5％；Cu：1.5-2.0％；Si：0.4-0.5％；Mo：0.08-0.15％；S：≤0.004％；P：≤0.003％；O：0.0005-0.001％；Ca：0.0005-0.005％；余量为Fe；

或

C：0.06-0.08％；N：0.21-0.24％；Cr：17.0-18.0％；Ni：2.7-3.0％；Mn：6.0-6.3％；Cu：1.5-1.8％；Si：0.4-0.45％；Mo：0.08-0.12％；S：≤0.004％；P：≤0.003％；O：0.0005-0.001％；Ca：0.0005-0.005％；余量为Fe；

或

C：0.06-0.08％；N：0.22-0.24％；Cr：17.0-18.0％；Ni：2.7-3.0％；Mn：6.0-6.3％；Cu：1.5-1.7％；Si：0.4-0.5％；Mo：0.09-0.13％；S：≤0.004％；P：≤0.003％；O：0.0005-0.001％；Ca：0.0005-0.005％；余量为Fe。

本申请的第二个方面，提供一种奥氏体不锈钢的热处理工艺，包括以下步骤：

按配比取各元素组分混合后冶炼，再板坯连铸成铸锭，将钢锭加热并保温，再进行多步热轧处理后空冷；

将空冷后的钢板先进行低温轧制，自然恢复至室温后再进行冷轧获得轧制薄板，再将薄板进行时效处理后水淬至室温，最后进行再结晶退火再次水淬至室温。

进一步的，钢锭的加热温度为1100℃～1300℃。

进一步的，所述多步热轧包括以下步骤：

第一步：热轧温度：1150-1250℃，保温时间：115-125分钟；

第二步：热轧温度：880-970℃，保温时间：65-75分钟；

第三步：热轧温度：700-800℃，保温时间：20-30分钟。

进一步的，所述低温轧制为在液氮温度下进行单步轧制，压下率为8％-12％。

进一步的，所述冷轧为在室温下进行单步轧制，压下率为70％～75％。

进一步的，所述时效处理温度区间为350℃～450℃，处理时间为0.5h～1.5h。

进一步的，所述再结晶温度区间为650℃～750℃，保温时间为10min～20min。

在本申请实施例中，采用了具有混晶组织的奥氏体不锈钢，细晶起到提高强度的作用，粗晶则承担更大塑性变形从而起到提高材料加工硬化的能力的作用。本发明的奥氏体不锈钢，在保证材料塑性的同时，有效提高材料的屈服强度，能够制备室温下屈服强度达到1100-1300MPa、延伸率达到30％-40％的强塑性兼具的奥氏体不锈钢，从而解决了奥氏体不锈钢无法实现强塑性兼具的技术问题。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1显示为本发明实施例中经过轧制-时效-再结晶退火热机械处理后得到的两个奥氏体不锈钢扫描显微组织图1a，1b，其中1a为实施例1扫描显微组织图；1b为实施例2扫描显微组织图。

图2显示为本发明实施例中经过轧制-再结晶退火热机械处理后得到的对比例1奥氏体不锈钢扫描显微组织图。

图3显示为本发明实施例中经过轧制-时效-再结晶退火和轧制-再结晶退火热机械处理后得到的奥氏体不锈钢的变形10％透射电子显微镜图像。其中3a为实施例1变形态透射电子显微镜图像；3b为对比例1变形态透射电子显微镜图像。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如背景所述，细晶强化和变形机制是获得奥氏体不锈钢强塑性的两个方面，然而现有的工艺以及组织对实现兼顾强塑性具有矛盾，体现在一方面实现细晶强化的室温轧制过程中出现的位错动态回复会削弱强化效应，另一方面实现塑性的变形机制会因晶粒细化的组织而受到抑制。

本发明的实施例提供了一种奥氏体不锈钢，其金相组织为具有纳米晶、超细晶和粗晶的混晶组织。

上述混晶组织中，各晶粒的尺寸如下：纳米晶＜100nm、超细晶100nm-1000nm、粗晶＞1000nm。在混晶组织中，细晶起到提高强度的作用，粗晶则承担更大塑性变形从而起到提高材料加工硬化的能力的作用，从而实现了兼顾强塑性的效果。

实现上述组织，需要设计元素和加工工艺。以下实施例使用的含碳、镍、锰、铜、铝、磷、硫、氮、氧、铁等元素的原料均可从市场上购买，实现热轧处理、水淬、回火等工艺的设备也可以从市场上购买获得。

本发明的实施例中的奥氏体，由以下质量百分比的元素组成：

上述元素组成中，具有较高的氮和锰以及较低的碳和镍，其中氮和锰可以用于替代一部分镍元素，降低价格和开发难度，同时氮可以替代一部分碳用于稳定奥氏体以及优化固溶强化效果。更为重要的是，氮和锰的能够促进变形时形成层错和位错密度，有利于逆向变和再结晶从而形成上述多系孪生的组织。

同时，本发明中强塑性兼具的奥氏体不锈钢的元素组成，其中，低碳还能保证材料焊接性能，适量Cu元素引入析出强化效应，常规含量的Cr和微量的Mo元素用以保证材料的耐蚀性。

作为优选的第一个实施例，所述奥氏体不锈钢的质量百分比的元素组成如下：

C：0.05-0.08％；N：0.2-0.24％；Cr：17.0-18.0％；Ni：2.5-3.0％；Mn：6.0-6.5％；Cu：1.5-2.0％；Si：0.4-0.5％；Mo：0.08-0.15％；S：≤0.004％；P：≤0.003％；O：0.0005-0.001％；Ca：0.0005-0.005％；余量为Fe。

作为优选的第二个实施例，所述奥氏体不锈钢的质量百分比的元素组成如下：

作为优选的第三个实施例，所述奥氏体不锈钢的质量百分比的元素组成如下：

在上述元素的基础上，为了达到实现细晶强化目的的同时，激发多种提高塑性的变形渠道并最终获得混晶组织，需要结合大变形和随其而后的部分再结晶退火的热机械处理方式，因此，本发明的实施例提供一种奥氏体不锈钢的热处理工艺，包括以下步骤：

采用轧制-时效-再结晶退火工艺，其中轧制采取低温轧制和室温冷轧相结合的方式以抑制位错的动态回复。在热处理方面，氮和锰的合金化使低温下层错能降低至20mJ/m＾2左右，在基体内实现有效的纳米析出相的弥散析出，轧制时的大变形后基体内的大量位错促进了纳米析出相的形核。接下来的时效过程氮的偏聚以及再结晶退火时借助纳米析出相对晶界迁移的钉扎作用，获得含有纳米晶、超细晶和粗晶的混晶组织。在单轴拉伸变形过程中，利用细晶强化和纳米析出强化，粗晶奥氏体相的TRIP和TWIP效应，获得良好的强度和塑性，成本较低，热机械处理工艺较为简单。

采用本发明中的轧制-时效-再结晶退火工艺，开发了低温轧制结合室温冷轧的复合轧制方式，通过时效和再结晶退火获得组织得到有效细化的、含有纳米晶、超细晶和粗晶的混晶组织，解决现有奥氏体不锈钢屈服强度较低、强塑性难以兼具的问题。

作为可选的热处理工艺，具体可以采用以下步骤进行：

步骤一、按配比取各元素组分混合后冶炼，再板坯连铸成铸锭，将钢锭在1100℃-1300℃优选1200℃进行加热并保温≥2h后，再由初轧温度1150℃-1250℃至终轧温度700℃-800℃进行多步热轧处理后空冷。

具体的，所述多步热轧包括以下三步：

第一步：热轧温度：1150-1250℃，保温时间：115-125分钟；

第二步：热轧温度：880-970℃，保温时间：65-75分钟；

第三步：热轧温度：700-800℃，保温时间：20-30分钟。

所述多步热轧的每次压下率保持在20％-30％。所述压下率是指轧制过程中常用以表示相对变形的压下率表示变形程度，且当轧制压下率尽量维持在一个稳定范围内时，轧制效果较好。

步骤二、将空冷后的钢板先进行液氮温度下的低温轧制，压下率为8％-12％，自然回复至室温后再进行20℃-25℃室温下的冷轧，压下率为70％～75％，获得轧制薄板，再将薄板在350℃-450℃温度区间内进行时效处理0.5h-1.5h后水淬至室温，最后再在650℃～750℃优选680℃-730℃温度区间内进行再结晶退火10min～20min优选12min-18min后再次水淬至室温，即得强塑性兼具的奥氏体不锈钢。

以对上文提及的前两种优选实施例中的成分按照上文提及的加工工艺加工奥氏体不锈钢，分别获得样品1#和样品2#。

其中，样品1#，为采用优选的第一个实施例中的成分并进行以下更为优选的操作：

将钢锭除锈去油，清洗干净，避免轧制过程中的受力不均现象。将钢锭在初轧温度1200℃至终轧温度750℃进行多步热轧后空冷。多步热轧条件为：分别连续在1200、950、750℃温度下，压下率分别为24.2％，23.8％，25.3％，保温时间分别为120、70、25分钟。

然后，将热轧后的奥氏体不锈钢钢板进行热机械处理，即低温轧制压下率为10％,、室温冷轧压下率为73％，然后进行时效处理，即在400℃下进行等温时效1.0h，然后水淬至室温；将时效处理后的不锈钢在700℃下进行再结晶退火15min，最后水淬至室温。

其中，样品2#，为采用优选的第二个实施例中的成分并进行以下更为优选的操作：

将钢锭除锈去油，清洗干净，避免轧制过程中的受力不均现象。将钢锭在初轧温度1200℃至终轧温度750℃进行多步热轧后空冷。多步热轧条件为：分别连续在1200、950、750℃温度下，压下率分别为25.2％，23.6％，24.1％，保温时间分别为120、70、25分钟。

以对上文提及的优选的第一个实施例中的成分并更改加工工艺，获得样品1*。

加工工艺的更改具体体现在，在完成低温和室温轧制后，不进行等温时效和水淬，而是将不锈钢钢板直接在700℃下进行再结晶退火15min，最后水淬至室温。获得的强塑性兼具的奥氏体不锈钢样品1*在扫描电子显微镜下检测，具体显微组织见图2。

将样品1#、样品2#和样品1*分别采用扫描电子显微镜进行奥氏体相和纳米析出相观察，具体结果见图1a、1b、2。

由图1a、1b可知，经过轧制-时效-再结晶退火处理后的组织即样品1#、样品2#呈现混晶分布，覆盖纳米晶到超细晶到粗晶，尺寸分布为0.2μm-1.5μm。由图2可知，经过轧制-再结晶退火的对比样即样品1*也呈现混晶分布，尺寸分布为0.35μm-1.6μm。三个样品的基体中均分布有大量尺寸不一的纳米析出相，尺寸在20nm-85nm左右。因此，混晶组织来源于较短时间的再结晶退火处理，此外，析出相在奥氏体再结晶的过程中也能起到钉扎晶界迁移从而抑制长大。

室温拉伸实验

将样品1#、样品2#和样品1*分别进行室温拉伸实验，具体实验结果见表1。由表1可知，相较于未进行时效处理的对比例样品1*来说，经过轧制-时效-再结晶退火处理的样品1#、样品2#具有更高的屈服强度，能够达到1180-1250MPa的级别，且延伸率高达30％以上，这主要得益于细晶强化和析出强化带来的综合效应，同时在塑性变形过程中激发了TRIP和TWIP效应，从而提高材料的加工硬化能力和塑性。对于对比样品1*来说，由于缺少时效处理这一步，因而基体中未得到足够高密度的纳米析出相，因此1*样品的强度相较于1#、2#样品有所降低(约为120MPa)。但三个样品由于在塑性变形过程中均激发了TRIP和TWIP效应，故它们在延伸率方面的差距并不明显(3％以内)。

表1

样品	时效	再结晶退火	屈服强度(MPa)	抗拉强度(MPa)	延伸率(％)
						1#	√	√	1180-1250	1260-1320	30.2-33.5
2#	√	√	1170-1245	1220-1290	31.5-34.1
						1*	/	√	1050-1120	1170-1220	34.3-37.5

注：其中√代表已处理，/代表未处理

将样品1#和样品1*在拉伸变形10％后分别采用透射电子显微镜进行检测，具体实验结果见图3a、3b。由图3可知，两个样品中均出现了变形孪晶，证明在塑性变形过程中均激发了孪晶诱导塑性，通过动态细晶的方式提高了材料的加工硬化能力。

综上所述，本发明提供的一种强塑性兼具的奥氏体不锈钢及其热处理工艺，采用轧制-时效-再结晶退火热处理工艺，制备获得强塑性兼具的奥氏体不锈钢，具有良好的强度和优异的塑性，含Ni量低，制备成本低，热处理工艺较为简单。因此，本发明有效克服了现有生产技术中的不足，具有进一步开发应用的价值。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims

1.一种奥氏体不锈钢的热处理工艺，其特征在于：包括以下步骤：

将空冷后的钢板先进行低温轧制，所述低温轧制为在液氮温度下进行单步轧制，压下率为8%-12%，自然恢复至室温后再进行冷轧获得轧制薄板，所述冷轧为在室温下进行单步轧制，压下率为70%~75%，再将薄板进行时效处理后水淬至室温，最后进行再结晶退火再次水淬至室温，所述再结晶温度区间为650℃~750℃，保温时间为10min~20min；

其中，所述奥氏体不锈钢的配比由以下质量百分比的元素组成：

C：0.05-0.1%；N：0.2-0.25%；Cr：16.0-18.0%；Ni：2.5-3.5%；Mn：5.5-6.5%； Cu：1.3-2.0%；Si：0.3-0.5%；Mo：0.05-0.15%；S：≤0.004%；P：≤0.003%； O：0.0005-0.001%；Ca：0.0005-0.005%；余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢的热处理工艺，其特征在于：所述奥氏体不锈钢的配比由以下质量百分比的元素组成：

C：0.05-0.08%；N：0.2-0.24%；Cr：17.0-18.0%；Ni：2.5-3.0%；Mn：6.0-6.5%； Cu：1.5-2.0%；Si：0.4-0.5%；Mo：0.08-0.15%；S：≤0.004%；P：≤0.003%； O：0.0005-0.001%；Ca：0.0005-0.005%；余量为Fe。

3.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢的热处理工艺，其特征在于：所述奥氏体不锈钢的配比由以下质量百分比的元素组成：

C：0.06-0.08%；N：0.21-0.24%；Cr：17.0-18.0%；Ni：2.7-3.0%；Mn：6.0-6.3%； Cu：1.5-1.8%；Si：0.4-0.45%；Mo：0.08-0.12%；S：≤0.004%；P：≤0.003%； O：0.0005-0.001%；Ca：0.0005-0.005%；余量为Fe。

4.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢的热处理工艺，其特征在于：所述奥氏体不锈钢的配比由以下质量百分比的元素组成：

C：0.06-0.08%；N：0.22-0.24%；Cr：17.0-18.0%；Ni：2.7-3.0%；Mn：6.0-6.3%； Cu：1.5-1.7%；Si：0.4-0.5%；Mo：0.09-0.13%；S：≤0.004%；P：≤0.003%； O：0.0005-0.001%；Ca：0.0005-0.005%；余量为Fe。

5.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢的热处理工艺，其特征在于：

钢锭的加热温度为1100℃~1300℃。

6.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢的热处理工艺，其特征在于：所述多步热轧包括以下步骤：

第一步：热轧温度：1150-1250℃，保温时间：115-125分钟；

第二步：热轧温度：880-970℃，保温时间：65-75分钟；

第三步：热轧温度：700-800℃，保温时间：20-30分钟。

7.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢的热处理工艺，其特征在于：所述时效处理温度区间为350℃~450℃，处理时间为0.5h~1.5h。