CN105177259A - 一种快速促进形变诱导马氏体转变的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种促使具有形变诱导马氏体转变特征的合金材料中马氏体高效转变的处理方法，属于金属材料加工领域。所述方法包括依次进行的以下步骤：合金板材进行固溶—淬火或退火处理、低温冷却处理、轧制变形加工等，其中低温预冷处理在-50℃以下温度的冷却介质中进行。当亚稳奥氏体不锈钢板材经低温冷却及轧制变形时，较低的轧制变形量下便可获得与室温高轧制变形量相近的马氏体含量，如经低温冷却和30％轧制变形后所获马氏体转变量相当于室温80％轧制变形所得转变量。本发明所提供的方法可快速促进马氏体转变，可使诸如亚稳奥氏体不锈钢等合金材料在低变形量下获得较高的马氏体转变量并使合金获得明显硬化。<!-- 2 -->

Description

一种快速促进形变诱导马氏体转变的方法

技术领域

本发明公开了一种快速形变诱导马氏体转变的方法，可实现奥氏体向马氏体的快速和近乎完全的转变，快速改善原始钢的力学性能及加工变形特性，属于金属材料加工领域。

背景技术

奥氏体不锈钢以其优异的耐蚀性和成型性成为现代工业中的重要工程材料，但奥氏体不锈钢的强度和硬度偏低，其产品易产生划伤、磨损或发生屈服变形而引起失效，从而降低产品质量和使用寿命。

对于不锈钢而言，主要通过加工强化和细晶强化来实现性能提升，尤其是可发生形变诱导马氏体转变的钢，可通过形变诱导马氏体而达到细晶，而传统塑性变形方法产生加工强化和形变诱导相变形成细晶强化的效率太慢。快速、高效地实现加工硬化和形变诱导马氏体细化晶粒是改善可诱发马氏体转变的一类钢性能的有效方法。本发明所提供的方法能快速积累位错产生强化的同时，快速产生形变诱导马氏体形成，并达到细晶效果，可解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速促使亚稳不锈钢发生形变诱导马氏体的方法，为了实现本发明的目的：

本发明提出一种快速形变诱导马氏体相变的方法，具体技术步骤如下：

步骤1.1)采用可发生形变诱导马氏体转变的铸坯或热轧板坯为初始材料，经表面铣削成需要尺寸，将所述铸坯或热轧板坯进行固溶淬火或退火处理，处理温度为950℃-1150℃，保温时间为1-8小时；

步骤1.2)将步骤1.1处理的铸坯或热轧板坯后置于低温或超低温冷却介质中处理10-180分钟备用，其中，所述冷却处理介质的温度低于-50℃；

步骤1.3)将经过步骤1.2处理后的所述铸坯或热轧板坯利用轧机进行多道次轧制加工，其中，轧制过程中每道次变形量为2-15％，累积轧制变形量为50-85％。

在步骤1.1中针对铸坯或热轧板坯的淬火处理需在真空下进行，防止由于脱碳而影响板材表面质量和后续轧制变形。

在步骤1.1中所采用的铸坯或热轧板坯需具有形变诱导马氏体转变特征，包括亚稳奥氏体不锈钢、Fe-Ni/Fe-Ni-C、CuAlMn合金等。

在步骤1.2和1.3中，所述冷却预处理介质选择液氮或液氮-酒精混合液、液氮-丙酮混合液或其他可实现低温冷却的任一介质中。

在步骤1.3中进行多道次轧制时，每道次轧制前板材均需经低温或超低温冷却预处理介质中处理10-60分钟，得到下道次轧制变形所需冷却状态的合金钢板材。

在步骤1.3中进行轧制过程中，轧制小尺寸规格的铸坯或热轧板坯、即板材长向小于0.5-2米时尽可能将轧制及板材转移时间控制在20秒至1分钟，以免由于散热和传导传热使板材温度迅速升高。

在步骤1.3中进行轧制过程中，轧制铸坯或热轧板坯长向大于2米时需对板材进行实时冷却处理，确保未进入轧制区的铸坯或热轧板坯温度处于所用冷却介质温度的±10℃范围以内。

对板材进行实时冷却处理采用在线喷洒冷却介质或设置在线冷却介质槽的方法来实现，所用冷却介质选择液氮或液氮-酒精混合液、液氮-丙酮混合液或其他可实现低温冷却的任一介质中。

在步骤1.3中经低温或超低温冷却并轧制变形后的板材在空气中逐渐升温至室温或迅速置于18-25℃的水中升温至室温。

本发明所述方法主要通过超低温环境来使板材内原子扩散迁移能力明显降低，并迅速消耗轧制变形过程中产生的形变热，从而有效抑制轧制过程中动态回复或再结晶的发生，在显著细化初始组织的同时使位错、位错胞/墙、亚结构等变形缺陷不断积累达到较高密度。同时，由于不锈钢受应力后能形成马氏体，这些形变诱导马氏体的形核位置大多在高密度位错结构处形成，而超低温轧制引起的高密度位错恰好为其提供大量形核点。另外，从热力学角度来看，马氏体转变是一个成核长大过程，其胚芽的长大条件为：在Ms点以下过冷的程度越大，新旧两相自由能差(△F)越大，相变的驱动力相应增大，所要求的临界晶核尺寸就越小。超低的温度使相变的驱动大大增加，从而促使马氏体的大量转变，并改善其力学性能。

附图说明

图1304不锈钢经室温轧制不同变形量下的X射线衍射图谱

图2304不锈钢经超低温轧制不同变形量下的X射线衍射图谱

图3室温和超低温下马氏体转变量和合金硬度随轧制变形量的变化

图4室温轧制变形后的TEM组织：(a)20％总变形量，(b)80％总变形量。

图5超低温轧制变形后的TEM组织：(a)20％总变形量，(b)80％总变形量。

具体实施方法

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1

将商用304不锈钢热轧板铣削成10*30*100(mm)尺寸，上下表面光洁。将板材在1100℃真空保温1小时，出炉后快速水淬。对淬火态304不锈钢板材进行室温冷轧变形，道次变形量为10％，每道次间隔15-20分钟或连续冷轧，分别获得10％，20％，30％，40％，50％，80％变形量的轧板。利用XRD衍射图谱进行物相分析，利用TEM进行微观组织形貌分析，实例图分别为图1和图4。图1为304不锈钢经室温轧制后的X射线衍射图谱，从图中可以看出，在轧制过程中马氏体衍射峰强度随着变形量的增加而增加，奥氏体衍射峰则出现相反的变化规律。在10％变形量时，衍射图谱中马氏体只有BCC(110)衍射峰出现。随着变形量增加其余三个峰开始逐渐显现。最总，当变形量为80％时，衍射峰以马氏体衍射峰为主，奥氏体只存在FCC(111)以及微弱的FCC(220)。通过物相分析，随着变量的增加，马氏体转变量从0％增加到81％左右。图4为室温轧制后TEM组织照片，经室温轧制变形20％后，马氏体转变量为19.29％，其组织中的奥氏体主要以层错或变形孪晶的形式存在，如图4(a)，而当室温轧制变形量增加到80％时，马氏体转变量达81％，其组织以马氏体为主，如图4(b)。

实施例2

以商用304不锈钢热轧板为轧制原材料，对初始材料进行表面铣削，做成10*30*100(mm)板，保证上下表面光洁。将板材在1100℃真空处理1小时后水淬。将热处理后的不锈钢板材浸入液氮中冷却2小时以上，随后以10％道次变形量进行轧制。每道次间不锈钢板材均浸入液氮冷却15-20分钟，总变形量分别获得10％，20％，30％，40％，50％，80％。利用XRD衍射图谱进行物相分析，利用TEM进行微观组织分析，实例图分别为图2、图5(a)和图5(b)。对比实施例1的XRD衍射图谱，实施例2中经10％轧制变形便可使马氏体四个衍射峰全部出现(图2)，而实施例1则需要达到30％轧制变形量才能全部显现(图1)。当实施例1轧制变形量为40％时，奥氏体的四个衍射峰还能明显存在，而当轧制变形量达到50％时就只剩下明显存在的FCC(220)峰。而实施例2轧制变形量达到40％时不存在明显的四个奥氏体衍射峰，经50％超低温轧制变形后只能观察到极弱的FCC(220)峰。通过对奥氏体和马氏体物相体积分数计算(如图3)得知此时马氏体含量为92％。当变形量到80％时，XRD衍射图谱上已经只剩马氏体衍射峰，观察TEM照片整体都是板条马氏体，如图5b。通过XRD物相分析得知，实例2中马氏体转变量从0％增加到100％(通过XRD已经检测不到奥氏体衍射峰的存在)。

与实施例1相比，室温轧制变形10％时的马氏体含量仅为～12％，而此时实施例2中马氏体已增加到50％；实施例2中经30％超低温轧制变形后的马氏体转变量可达80％左右，而此时实施例1中需要轧制变形量达到50％才能获得相同含量的马氏体转变量，并且随着之后变量的增加马氏体转变是不增加。但是实施例2可使马氏体转变量随轧制变形量的增加而继续增加，直到几乎完全转变。对比图4a和5a可看出，图5a以板条马氏体为主，像图4a中那样的以层错和变形孪晶结构存在的奥氏体比较少。对实施例1和实施例2中所获轧制板材进行显微硬度测试，发现合金的显微硬度随轧制变形量的增加而增加，与马氏体转变量和轧制变形量的变化趋势相一致，如图3所示，从而可获知马氏体转变量的不断增加是合金硬度提升的主要原因。在轧制变形量较小时(如小于40％)，经超低温轧制后的板材硬度远大于室温轧制板材，如轧制变形量为20％时，超低温轧制板材的显微硬度较室温轧制板材高～40％，增加轧制变形量至50％时前者较后者的显微硬度也要高～12％。显然，这种高的硬度主要得益于较高的马氏体转变量。

实施例3

以商用304不锈钢热轧板为轧制原材料，对初始材料铣削成10*30*100(mm)规格，保证上下表面光洁。将板材在1100℃真空处理1小时后水淬，并将淬火后板材分为A和B两组。将A组不锈钢板材浸入液氮中冷却2小时以上，随后以10％道次变形量进行轧制，而B组板材则直接在室温下进行轧制变形，分别对A和B组板材分别实施总变形量为20％和40％的轧制变形。其中，A组板材轧制道次间均需浸入液氮冷却15-20分钟，B组板材直接在空气中冷却。随后对A和B组板材的表层、1/4厚度层和1/2厚度层的马氏体物相进行分析。

表1为A组和B组板材分别经20％和40％轧制变形后试样不同厚度位置处的马氏体转变量，发现经超低温轧制变形后的A组板材在厚度方向上的马氏体转变量及其均匀性要优于室温轧制的B组板材。例如，轧制变形量为20％时，室温与超低温轧制板板表层的马氏体转变量均高于心部，但超低温轧制板材心部与表层的马氏体转变量的差异要远小于室温轧制板材；增加变形量至40％时，室温轧制板材表层与心部马氏体转变量的差异并未减小，而超低温轧制板材表层与心部的马氏体转变量几乎相近。可见，超低温轧制可促进板材心部的变形和马氏体转变，减小板厚方向上马氏体转变量的差异，使厚向变形及组织更加均匀，而室温轧制较难实现厚度方向上均匀的马氏体转变。进一步提高超低温轧制变形量，可使板厚方向上马氏体转变更加充分和均匀。

本发明可以使形变诱导马氏体迅速大量发生，并且比室温条件下转变的更彻底。对于需要迅速产生和提高形变马氏体最终转变量的钢种有极大的帮助，同时对提高板材硬度及马氏体转变的均匀性都有极大的优势。

表1不同轧面的马氏体转变量(％)(RP表示轧板表层)

Claims (9)

1.一种快速促进形变诱导马氏体转变的方法，其特征在于，所述方法依次进行以下步骤：

步骤1.1)采用可发生形变诱导马氏体转变的铸坯或热轧板坯为初始材料，经表面铣削成需要尺寸，将所述铸坯或热轧板坯进行固溶淬火或退火处理，处理温度为950℃-1150℃，保温时间为1-8小时；

步骤1.2)将步骤1.1处理的铸坯或热轧板坯后置于低温或超低温冷却介质中处理10-180分钟备用，其中，所述冷却处理介质的温度低于-50℃；

步骤1.3)将经过步骤1.2处理后的所述铸坯或热轧板坯利用轧机进行多道次轧制加工，其中，轧制过程中每道次变形量为2-15％，累积轧制变形量为50-85％。

2.根据权利要求1所述的快速促进形变诱导马氏体转变的方法，其特征在于，在步骤1.1中针对铸坯或热轧板坯的淬火处理需在真空下进行，防止由于脱碳而影响板材表面质量和后续轧制变形。

3.根据权利要求1所述的快速促进形变诱导马氏体转变的方法，其特征在于，在步骤1.1中所采用的铸坯或热轧板坯需具有形变诱导马氏体转变特征，包括亚稳奥氏体不锈钢、Fe-Ni/Fe-Ni-C、CuAlMn合金。

4.根据权利要求1所述的快速促进形变诱导马氏体转变的方法，其特征在于，在步骤1.2和1.3中，所述冷却预处理介质选择液氮或液氮-酒精混合液、液氮-丙酮混合液或其他可实现低温冷却的任一介质中。

5.根据权利要求1所述的快速促进形变诱导马氏体转变的方法，其特征在于，在步骤1.3中进行多道次轧制时，每道次轧制前板材均需经低温或超低温冷却预处理介质中处理10-60分钟，得到下道次轧制变形所需冷却状态的合金钢板材。

6.根据权利要求1所述的快速促进形变诱导马氏体转变的方法，其特征在于，在步骤1.3中进行轧制过程中，轧制小尺寸规格的铸坯或热轧板坯、即板材长向小于0.5-2米时尽可能将轧制及板材转移时间控制在20秒至1分钟，以免由于散热和传导传热使板材温度迅速升高。

7.根据权利要求1所述的快速促进形变诱导马氏体转变的方法，其特征在于，在步骤1.3中进行轧制过程中，轧制铸坯或热轧板坯长向大于2米时需对板材进行实时冷却处理，确保未进入轧制区的铸坯或热轧板坯温度处于所用冷却介质温度的±10℃范围以内。

8.根据权利要求7所述的快速促进形变诱导马氏体转变的方法，其特征在于对板材进行实时冷却处理采用在线喷洒冷却介质或设置在线冷却介质槽的方法来实现，所用冷却介质与权利要求4所述一致。

9.根据权利要求1所述的快速促进形变诱导马氏体转变的方法，其特征在于，在步骤1.3中经低温或超低温冷却并轧制变形后的板材在空气中逐渐升温至室温或迅速置于18-25℃的水中升温至室温。