CN103097555B

CN103097555B - 马氏体不锈钢可加工性的优化处理

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Publication number: CN103097555B
Application number: CN201180044118.9A
Authority: CN
Inventors: 吉恩-弗朗索瓦·劳伦特·沙博; 劳伦特·费勒; 帕斯卡尔·查尔斯·埃米尔·汤姆逊
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2010-09-14
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2031-09-08
Also published as: CN103097555A; WO2012035240A1; BR112013006063A2; CA2810781A1; RU2013116810A; EP2616561B1; US9464336B2; CA2810781C; US20130180628A1; FR2964668A1; FR2964668B1; BR112013006063B1; EP2616561A1; RU2598427C2

Abstract

本发明涉及一种制备马氏体不锈钢的方法，包括如下热处理步骤：1)将钢加热到一定温度，该温度高于钢的奥氏体化温度TAUS，然后对钢进行淬火，直到钢最热部分温度小于或等于最大温度Tmax，大于或等于最小温度Tmin，冷却速率足够快，以便奥氏体不会转变为铁素体-珠光体结构。2)对钢进行第一次退火处理，而后冷却，直到钢最热部分温度小于或等于所述最大温度Tmax，大于或等于所述最小温度Tmin；以及3)对钢进行第二次退火处理，而后冷却至环境温度TA；最大温度Tmax小于或等于所述钢的枝晶间空间内冷却时马氏体转变结束温度MF'，且其特征还在于，在每个步骤1)和2)结束时，进行如下分步骤：ω)钢最热部分温度一达到所述最大温度Tmax，便立即对钢再加热。

Description

马氏体不锈钢可加工性的优化处理

技术领域

本发明涉及到包括如下热处理步骤在内的马氏体不锈钢的制备方法：

1) 将所述不锈钢加热到一定温度，该温度高于钢奥氏体化温度，然后，进行淬火处理，直到钢最热部分的温度小于或等于最大温度Tmax，大于或等于最小温度Tmin，冷却速率需足够快，以便使奥氏体不会转变成铁素体-珠光体(ferrito-perlitic)结构；

2)对钢进行第一次退火处理，而后冷却，直到钢最热部分的温度小于或等于所述最大温度Tmax，大于或等于所述最小温度Tmin；

3)对钢进行第二次退火处理，而后冷却至环境温度TA。

环境温度等于实施所述方法的房间的温度。

按照本发明，成分比例为重量百分比，除非另有说明。

背景技术

马氏体不锈钢是一种钢材，其中，铬的含量大于10.5%，结构主要是马氏体（即，与γ型晶体数量相比，α-型晶体的数量足够高，见如下说明）。

起始材料是任意形状的半成品，例如，钢锭或钢棒形式。

然后，对半成品进行预切割成具有一定形状的子部件（通过锻压或轧制），目的是使其形状接近最终形状。于是，每个子部件成为一种工件（又称之为“坯件”），与其最终使用的尺寸相比，厚度更厚。

随后，对具有附加厚度的坯件进行机加工，使其达到其最终形状（成品）。

当成品要求尺寸精度很高（例如，航空部件）时，坯件需要在机加工之前进行热处理（特性热处理quality heat treatment）。这种特性热处理不能在机加工后进行，因为这会引起尺寸变化，而这些尺寸对于复杂形状的部件来讲是很难预测的。

这种特性热处理可以通过冶金转变使得钢工件的特性得以细微调整，其包括如下六个主要步骤：

A) 奥氏体化，即加热到上述温度，在这个温度下，钢的微结构会转变成奥氏体（奥氏体温度TAUS）；

B)淬火处理；

C)第一次退火处理；

D)冷却处理；

E)第二次退火处理；以及

F)冷却处理。

步骤A）的目的是使工件内微结构变均匀，并放回到溶液粒子中，溶液粒子通过再结晶作用而在该温度下可溶解。

步骤B）是指在钢工件中第一次将奥氏体最大限度地转变成马氏体。然而，马氏体微结构的转变在工件内的所有点上不会同时进行，而是从其表面开始，逐渐进入其芯部。因此，伴随着这种转变的晶体容积的变化则会引起内部应力，且在淬火结束时（因为当时达到的低温），这些变化限制了应力释放的程度。第二个目的是将淬火裂纹的风险降到最小，这种裂纹是因为钢材内释放残余应力所致，尽管是韧性较低的马氏体状态。为了实现上述两个相互矛盾的目的，通常的做法是，一旦工件最热部分冷却到最大温度Tmax和最小温度Tmin所确定的范围内，在退火处理阶段再次对工件再次加热(步骤C))，以避免裂纹。最大温度Tmax大体上等于钢马氏体转变结束时的标称温度MF，即对于马氏体不锈钢，温度为150°C至200°C。而最小温度Tmin则根据化学成分而在20°C至28°C范围之间。为此，在尚未转变的钢中，仍存在残余奥氏体含量。

步骤C），第一次退火处理，这个特性热处理的目的是，首先，将新鲜马氏体转变成退火的马氏体（更稳定和更坚韧），其次，使来自前面步骤的残余奥氏体失稳。

步骤D），对第一次退火进行冷却，该特性热处理旨在将残余奥氏体转变为马氏体。工件最热部分也必须冷却到温度范围[Tmax, Tmin]内的某个温度上。

步骤E），第二次退火处理，该特性热处理旨在将新的新鲜马氏体转换成退火后的马氏体（更稳定，更坚韧），试图在钢的机械性能方面获得更好的解决办法。

步骤F)，对第二次退火进行冷却，该特性热处理是将坯件返回到环境温度。

尽管经过了这种特性热处理，但在工件机加工时，目前仍能发现，钢制工件成批可加工性中存在大量扩散，这是因为这种制备方法所致。这会引起加工刀具磨损量会发生很大变化，机床需要提供的功率也会很不相同，从而才能加工出这种钢质工件。结果，切削加工刀具的损耗太高，扩散太大，无法预测，从而引起工件成批加工时产量下降，同时，也会引起最后表面状态的扩散，有时，还会引起工件加工后的表面状态质量较差。

发明内容

本发明试图提供一种制备方法，该方法可使得这种钢的可加工性得到改善。

该目的可以通过最大温度小于或等于所述钢材的枝晶间空间冷却时马氏体转变结束温度MF'来实现，在上述步骤1)和2)的每个步骤结束时，实施如下分步骤：

ω)钢的最热部分的温度达到所述最大温度Tmax时，则立即对所述钢再加热。

通过这些措施，就每个单元加工长度来讲，切削加工刀具磨损量较小，而且，加工所需动力也会较少。加工后，钢的表面状态也会改善(因为加工刀具在表面移动而引起的较小尺寸的条带)，从而降低该方法的成本。

通过阅读如下以非限定性示例给出的详细实施说明，可以更好地理解本发明，本发明的优点也会更好地显现出来。

附图说明

图1为本发明所述方法热处理的示意图；

图2为枝晶和枝晶间区域之间的示意图；以及

图3为本发明方法中所使用钢材的时间-温度曲线示意图。

具体实施方式

根据本发明方法，起始原料为具有特别厚度的坯件，该坯件已经经过了一系列形变热处理（诸如锻造，轧制），目的是使其形状尽可能接近其最终形状。

该坯件在经过了特性热处理后,随后便进行机加工，以获得其最终形状。

将这种钢制成的坯件加热到一定温度，该温度高于奥氏体化温度TAUS，并将坯件保持在该温度，直到整个坯件的温度都高于奥氏体温度TAUS（对钢进行奥氏体化处理）。

然后，以足够快的速度对钢进行淬火，防止奥氏体转变成铁素体-珠光体结构（见图3和如下说明）。于是，钢坯件的大部分适合转变成马氏体，因为，只有在奥氏体已经转变为铁素体-珠光体结构后，其才可以转变成马氏体。

最后，依据该方法，连续进行两次退火处理后结束，以对钢材的特性进行精炼。

对钢的奥氏体化和淬火处理对应于图1所示处理方法1。

下面介绍在本发明所述钢从奥氏体温度冷却时，在其内会出现的各种冶金转变情况。

在制备方法的上游，在准备和制备最后钢锭的作业期间，钢在冷却的同时会逐渐凝固。这种凝固通过枝晶10的生长而发生，如图2所示。根据马氏体不锈钢的相图，枝晶10（相当于凝固的第一批颗粒）实际上在α型晶体方面更丰富，而枝晶间区域20则在γ型晶体方面更丰富（将已知的分段规则应用于相图）。 α型晶体是一种有利于铁素体型结构的型晶体（在低温时更稳定的结构：贝氏体、铁素体-珠光体、马氏体）。 γ型晶体是一种有利于奥氏体结构的晶型（在高温时更稳定的结构：奥氏体）。因此，在枝晶10和枝晶间区域20之间会发生偏析。

图3是本发明钢在从高于奥氏体温度TAUS的温度处冷却时的已知温度(T)-时间(t)曲线图。曲线D和F表示从奥氏体(区域A)转变到铁素体-珠光体结构(区域FP)时的起始与结束。当钢锭的冷却曲线C分别进入曲线D和F之间的区域或进入FP区域时，所述这些转变会局部或全部出现。而当冷却曲线完全处在区域A内时，则不会发生这种转变，如图3所示。

当冷却曲线C在冷却时马氏体转变开始温度MS下方通过时（图3中的线MS），存留在钢中的大部分奥氏体开始转变成马氏体。当冷却曲线从冷却时马氏体转变结束温度MF下方通过时（图3中的线MF），存留在钢中的大部分奥氏体已经转变成马氏体，这称之为新鲜马氏体。

在图3中，以实线画出的曲线D，F，MS和MF对于α型晶体更丰富的结构是有效的（即在钢的枝晶中），而以虚线画出的相同曲线则对于γ型晶体更丰富的结构是有效的（即钢中的枝晶间空间）。

值得注意的是，与在枝晶内奥氏体转变成铁素体-珠光体结构的曲线(曲线D和F)相比，将奥氏体转变成适用于枝晶间空间的铁素体-珠光体结构的曲线（曲线D'和F'）向右偏移。因此，在给定温度时，从奥氏体变换成铁素体-珠光体结构在枝晶间空间内所花费的时间要比在枝晶内长。

值得注意的是，相对于在枝晶内奥氏体转变成马氏体的曲线（线MS和MF），在枝晶间空间内奥氏体转变成马氏体的曲线(线MS'和MF')向下偏移。因此，奥氏体转变成马氏体的温度，在枝晶间空间内要低于枝晶内的温度。

根据本发明的方法，在奥氏体化后的淬火期间的冷却处理（对应于图1中步骤1的处理）沿图3中的曲线C进行。于是，在枝晶间空间内冷却时，钢从马氏体转变结束温度下方通过。考虑到冷却过程，工件的表皮温度低于其芯部温度，因为芯部是工件的最热部分。

一旦工件最热部分温度达到最大温度Tmax，而该温度低于冷却时枝晶间空间内马氏体转变结束温度MF'，则对该工件再次加热。

例如，这次加热是将工件置放在一种环境（预热烘箱或加热箱）内进行，在这个环境中，温度不低于最大温度Tmax。

然后，对钢材进行第一次退火处理，即继续加热至温度TR，该温度低于奥氏体温度TAUS。这次退火可以使新鲜马氏体晶体相得以稳定，例如，通过使碳化物在马氏体内沉淀的方法，从而赋予钢的马氏体更大韧性。

该第一次退火处理对应于图1中的步骤2。

然后，对该钢进行冷却，一直到钢的最热部分达到所述最大温度Tmax，所述最大温度小于冷却时枝晶间空间内马氏体转变结束温度MF'，而后，立即对钢再次加热。

而后，立即将钢进行第二次退火处理，此处退火处理大体上与第一次退火处理相同，在此之后，使钢冷却到环境温度TA。

该第二次退火处理对应于图1中的步骤3。

发明者对马氏体不锈钢进行了可加工性试验，该马氏体不锈钢是根据本发明所述方法制备的。他们将这些测试结果与在经过奥氏体化的钢材上进行的切削加工性试验结果进行了比较，而后进行淬火和两次退火处理，但是，其中，工件最热部分的最小温度仅仅小于枝晶内冷却时马氏体转变结束温度MF，而且，此时，在淬火和第一次退火之间，或者在第一次退火和第二次退火之间，该钢并没有立即再次加热。

Z12CNDV12钢的成分如下（标准DMD0242-20 索引 E）：C (0.10%至 017%) - Si (<0.30%) - Mn (0.5%至0.9%) - Cr (11%至12.5%) - Ni (2%至3%) - Mo (1.50%至2.00%) - V (0.25%至0.40%) - N2 (0.010%至0.050%) - Cu (<0.5%) - S (<0.015%) - P (<0.025%), 满足如下标准：

4.5 ≤(Cr-40×C-2×Mn-4×Ni+6×Si+4×Mo+11×V-30×N) < 9

发明者发现，与采用现有技术方法制备的钢相比，采用本发明所述方法制成的钢，对于切割速度为每分钟120米来讲，每米加工钢的切削刀具磨损量除以大约10（从11mm到1.3mm）。切削加工所需的功率与采用现有技术方法制备的钢相比也是除以2以上。切削加工后的钢的表面状态也得到改善。

特别是，当最大温度Tmax在28°C至35°C范围内时，每个切削加工钢单元长度的切削加工刀具磨损量为除以15，而加工所需功率也除以2.5。当最大温度Tmax在20°C至75°C范围时，也会获得良好结果。

当最大温度Tmax大于90°C（且达到180°C）时，切削加工结果则非常差。

中等结果(良好与差结果之间的中间结果)发现是在当工件最热部分温度超过180°C（最高300°C）后立即对钢进行加热的时侯。

根据本发明者所说，这些测试结果的说明如下：如上所述，冷却时在枝晶间区域内马氏体转变结束温度MF'低于冷却时枝晶内马氏体转变结束温度MF。然而，人们已经发现，在钢的冷却期间，钢会凝固成一种枝晶和枝晶间区域交替的微结构(图2)。为此，当该温度低于冷却时枝晶内马氏体转变结束温度MF时，枝晶结束转变为马氏体，而枝晶间区域尚未结束转变为马氏体。于是，如果钢一旦达到冷却时枝晶内马氏体转变结束温度MF后再次加热，那么，在整个钢(即枝晶间区域内)中则存在含有残余奥氏体的区域。这种残余奥氏体的一部分在随后的第一次退火步骤期间会转变为新鲜马氏体。该残余奥氏体的其余部分则仅位于材料最偏析（例如，在最集中的枝晶间空间内）的各个点处。

在第二次退火期间，新的新鲜马氏体稳定，但是，剩余的残余奥氏体的另一部分则继续在那些最偏析位置转变为新鲜马氏体。为此，该钢呈现出具有颗粒更硬的结构非均匀性，这些颗粒对应于较软基质内的新鲜马氏体。正是该非均匀性，才使得钢的可加工性变差，坚硬颗粒通过阻塞刀具前行而对其形成磨损。

相反，如果工件最热部分一达到高温(180°C到300°C范围内)就对钢进行加热时，残余奥氏体就会保存，在后续机加工期间不会再生成中等特性(medium behavior)。

为此，可以看出，这就是为什么钢冷却到枝晶间区域内马氏体转变结束温度MF'，而后当其达到该温度MF'时立即对钢进行再加热，从而可以使得钢内微结构更加均匀化的原因。

例如，再次加热前，钢的最热部分所达到的最大温度Tmax在20°C至75°C范围内。上述温度Tm低于冷却时枝晶间空间内马氏体转变结束时的温度MF'。

例如，该最大温度Tmax可以在28°C至35°C范围内。

为了确定钢的最热部分到达最大温度Tmax的时候，例如，在步骤ω)时，测量钢的表皮的温度并利用图表，从中推导出钢的最热部分的温度。

另外，钢表面和钢最热部分之间的温度梯度也可以很容易保持尽可能小，从而可以减小冷却时枝晶内马氏体转变结束温度MF和枝晶间空间内马氏体转变结束温度MF'之间的差别。通过减小该差值，工件内的应力得以降低并可提高可生产性。

为此，有利的是，在每个步骤1)和2)时，在进行分步骤ω)之前，可进行如下分步骤：

ψ)一旦钢最热部分的温度达到门限温度Ts，该温度低于所述钢内枝晶冷却时马氏体转变开始温度MS，且高于枝晶间空间内冷却时马氏体转变结束温度MF'，将该钢保持在一种环境中，在该环境下，大体上存在一种温度，该温度在最小温度Tmin和门限持续时间温度MF'之间，从而减小钢表面和钢最热部分之间的温度梯度。

阈值持续时间ds取决于工件的形状。工件最小尺寸为50mm时，持续时间ds至少为15分钟，工件最小尺寸为100mm时，持续时间ds最少为30分钟，工件的最小尺寸为150mm时，持续时间ds最少为45分钟，以此类推。对于工件最小尺寸在这些值之间时，可以通过使用如下公式的外推法来从该最小尺寸推导出持续时间ds：

ds = (15 min) × {最小尺寸(mm)}/50

为了将钢保持在一种环境内，即温度大体上在最小温度Tmin和温度MF'之间，可以将钢置于温度在Tmin 至 MF'的范围内的烘箱内。

或者，可将钢与外界环境热隔离，例如，可将其置于毡毯(blanket)内。

有利的是，在第二次退火处理后，对该钢至少松弛一次，所用温度低于实施第一次和第二次退火处理时所用退火温度TR。

这种松弛对应于图1中的步骤4。其用来松弛钢内的残余应力，从而可以改善其使用寿命。

为了提高本发明的钢的疲劳强度，可增加钢的夹杂物清洁度，即减少可能存在于钢内的无用夹杂物的数量（某些合金相，氧化物，碳化物，金属间化合物）。这些夹杂物会起到产生裂纹的基础，这些裂纹在循环应力作用下引起钢的过早失效。

人们已知有可提高夹杂物清洁度的方法，特别是，重熔法，诸如电渣重熔(ESR)或真空电弧重熔(VAR)。这些方法都为人们所熟知，所以，仅就这些方法的总的使用原理归纳如下。

所述电渣重熔(ESR)方法是将钢锭置入坩埚内，在坩埚内，抛入电渣(矿物混合物，例如，石灰、氟化物、镁砂、氧化铝、氟石)，以便坩埚底部浸入在电渣内。此后，坩埚通电流，坩埚起电极作用。电流液化电渣并熔化了与电渣接触的电极的低端。从电极熔化的钢以细滴的形式流过电渣，并在下方凝固了电渣的清液层，从而形成了新的钢锭，该钢锭逐渐增大。其中，电渣起过滤器的作用，它将夹杂物从钢滴中提出，这样，位于电渣层下方的新钢锭所含夹杂物就少于最初的钢锭(电极)。这种工作原理是在大气压力和空气中进行的。

所述真空电弧重熔(VAR)方法是在高真空下在坩埚内熔化钢锭，所述钢锭起电极作用。钢锭/电极端部和第二钢锭顶部之间建立电弧，从而熔化所述钢锭/电极，所述第二钢锭是由于钢锭/电极的熔化而形成。第二钢锭在与坩埚壁接触时凝固，夹杂物漂浮到第二钢锭的表面，随后，从第二表面处被清除。于是，可获得第二钢锭，该钢锭的纯度高于初始钢锭/电极。

有利的是，在步骤1)之前，对钢进行重新熔化。

例如，这种重新熔化可以是从包括电渣重熔(ESR)和真空电弧重熔(VAR)的一组方法中选择。

有利的是，在步骤1)之前，进行钢的均质化处理。

在该均质化处理期间，合金元素会从高浓缩区域扩散到低浓缩区域。这可用来减少枝晶10内的α型晶体的强度，并减少枝晶间区域20内的γ型晶体的强度。特别是，降低这些γ型晶体强度的结果就是，冷却时枝晶内马氏体转变结束温度MF更接近冷却时枝晶间空间内马氏体转变结束温度MF'，并使得枝晶10和枝晶间区域20之间的结构差更小。

关于均质化处理的特性，发明者发现，当将钢锭置于烘箱内进行均质化处理，钢锭最冷点温度达到均质化温度T后，保持一定时间t，该保持时间t等于至少一个小时，而均值化温度T则位于钢的低温Tinf和燃烧温度之间，此时，可获得令人满意的结果。

温度Tinf等于大约900°C。钢的燃烧温度规定为原料固化状态下的温度，在这种状态下，颗粒的边界是在钢转变时（即，成为液体时），且高于Tinf。钢在烘箱内的保持时间t会随着均质化温度T而成逆向变化。

例如，在测试期间发明者所使用的马氏体不锈钢Z12CNDV12 (AFNOR标准)，均质化温度T为950°C，相应的保持时间t等于70小时。当均质化温度T等于1250°C时，其稍低于燃烧温度，那么，对应的保持时间t等于10小时。

在本发明的另一个实施例中，为了改善马氏体不锈钢的可加工性，可以进行上述的钢材均质化处理，然后实施现有技术的步骤1)，2)和3)，不实施分步骤ω)。在该实施例中，最大温度Tmax低于钢材枝晶中冷却时马氏体转变结束温度MF，且在步骤1)和2)中，可保证钢保持温度等于或低于最大温度Tmax，保持时间尽可能的短。

Claims

1.一种制备马氏体不锈钢的方法，其包括如下热处理步骤：

1)将钢加热到一定温度，该温度高于钢的奥氏体化温度T_AUS，然后对钢进行淬火，直到钢最热部分温度小于或等于最大温度T_max，大于或等于最小温度T_min，冷却速率足够快，以便奥氏体不会转变为铁素体-珠光体结构；

2)对钢进行第一次退火处理，而后冷却，直到钢最热部分温度小于或等于所述最大温度T_max，大于或等于所述最小温度T_min；以及

3)对钢进行第二次退火处理，而后冷却至环境温度T_A；

所述方法的特征在于，所述最大温度T_max小于或等于所述钢的枝晶间空间内冷却时马氏体转变结束温度M_F'，在每个步骤1)和2)结束时，进行如下分步骤：

ω)钢最热部分温度一达到所述最大温度T_max，便立即对钢再加热。

2.根据权利要求1所述的制备马氏体不锈钢的方法，其特征在于，所述最大温度T_max在20℃至75℃的范围内。

3.根据权利要求2所述的制备马氏体不锈钢的方法，其特征在于，所述最大温度T_max在28℃至35℃的范围内。

4.根据权利要求1到3任一项所述的制备马氏体不锈钢的方法，其特征在于，在步骤ω)时，测量钢的表皮温度，并使用图表来从中推导出钢的最热部分的温度。

5.根据权利要求1到3任一项所述的制备马氏体不锈钢的方法，其特征在于，在步骤3)后，所述钢进行至少一次松弛，松弛温度低于退火温度，后者为进行步骤2)的第一次退火处理和步骤3)的第二次退火处理时的温度。

6.根据权利要求1到3任一项所述的制备马氏体不锈钢的方法，其特征在于，在步骤1)和2)的每个步骤时，在分步骤ω)之前，进行如下分步骤：

ψ)钢最热部分温度一旦达到阈值温度T_s，该温度低于所述钢枝晶内冷却时马氏体转变开始温度M_S，且高于枝晶间空间内冷却时马氏体转变结束温度M_F'，便立即将该钢保持在一种环境中，在该环境下，温度大体上在最小温度T_min和温度M_F'之间持续时间d_s，从而减小钢表面和钢最热部分之间的温度梯度。

7.根据权利要求6所述的制备马氏体不锈钢的方法，其特征在于，在步骤ψ)时，将钢置于一个烘箱内，其温度在所述最小温度T_min至所述温度M_F'的范围内。

8.根据权利要求1到3任一项所述的制备马氏体不锈钢的方法，其特征在于，在步骤1)之前，对所述钢进行重熔。

9.根据权利要求1到3任一项所述的制备马氏体不锈钢的方法，其特征在于，在步骤1)之前，对所述钢进行均质化处理。

10.根据权利要求1到3任一项所述的制备马氏体不锈钢的方法，其特征在于，所述钢的成分是C:0.10％到0.17％、Si<0.30％、Mn：0.5％到0.9％、Cr：11％到12.5％、Ni：2％到3％、Mo：1.50％到2.00％、V：0.25％到0.40％、N₂：0.010％到0.050％、Cu<0.5％、S<0.015％、P<0.025％,且满足如下标准：

4.5≤(Cr-40×C-2×Mn-4×Ni+6×Si+4×Mo+11×V-30×N)<9。