CN107815527B - 提高不锈钢管材的低∑csl晶界比例的gbe工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高不锈钢管材的低∑CSL晶界比例的GBE工艺方法，将CN1515不锈钢管材冷轧加工30％～70％，然后在1020℃～1150℃退火5min～60min，然后以100℃/min的速度快速冷却；之后再对管材进行变形量为3％～15％的冷拔加工变形，然后在1020℃～1150℃退火3min～120min并以100℃/min的速度快速冷却至室温。可得到∑≤29的低∑CSL晶界比例高于70％的CN1515不锈钢管材。本工艺不仅不需改变材料的成分，而且与现有的同类工艺相比，既不需长时间退火，也不需要反复加工及退火，工艺更加简单，操作容易，具有十分明显的经济效益。

Description

提高不锈钢管材的低∑CSL晶界比例的GBE工艺方法
技术领域
本发明涉及一种金属材料晶界工程工艺方法，特别是涉及一种奥氏体不锈钢晶界工程工艺方法，应用于金属材料的形变及热处理工艺技术领域。
背景技术
CN1515不锈钢是在316奥氏体不锈钢成分基础上，调整Ni、Cr元素含量的比例到近似于15:15，并控制Ti和Si元素含量得到的新型奥氏体不锈钢，在国外也称为D9合金，主要用于快中子增殖反应堆的燃料元件包壳管材料。快堆不仅能够利用核能发电，而且能够增殖核燃料，将不能发生核裂变的铀-238转变为可裂变的鈈-239，还能嬗变由热堆运行产生的放射性长寿命核废料，是核能利用热堆-快堆-聚变堆的三步中必须经历的发展过程，也是极为重要的一步。快堆燃料元件包壳管内部是核燃料，外部是液态金属冷却剂。要求这种材料具有很好的抗中子辐照肿胀性能，抗高温蠕变性能以及抗管内部核燃料裂变产物导致的腐蚀性能。这些性能都与材料晶界等显微组织有关。
晶界工程，简称GBE，即grain boundary engineering。通过晶界工程技术可以大幅提高材料的低ΣCSL晶界比例(coincidence site lattice，重合位置点阵；低∑CSL晶界是指∑≤29的CSL晶界，∑：晶界两侧晶粒点阵重合位置密度的倒数)。低ΣCSL晶界，特别是Σ3晶界，由于结构有序度高，界面能低，具有优于一般大角度晶界的性能。通过大幅增加材料中这些特殊结构类型晶界的比例可以提高奥氏体不锈钢，镍基合金等材料与晶界相关的多种性能，如抗晶间腐蚀性能、抗蠕变性能、抗应力腐蚀开裂性能等。日本研究人员Sekine等研究了预先GBE处理对冷加工后316不锈钢抗电子辐照肿胀性能的影响。结果表明GBE处理后再经20％冷加工的316不锈钢，相比于未经过GBE处理而只经过同样20％冷加工的316不锈钢样品，在经电子辐照后的肿胀速率更低。大量研究表明电子辐照与中子辐照对材料产生的影响有很好的对应关系。因此，可以通GBE技术来提高CN1515奥氏体不锈钢的抗中子辐照肿胀性能。采用GEB技术也有潜力提高材料的抗高温蠕变性能以及抗裂变产物导致的晶间腐蚀性能。
晶界工程的研究主要集中于低层错能的面心立方金属材料，基于退火孪晶的形成来提高这类材料的低ΣCSL晶界比例。目前已经报道的主要有两种工艺路线：
一、通过3％～8％变形后，在略低于材料再结晶温度的温度以下进行10～100h的长时间退火；
二、通过15％～40％的变形后，在高于材料再结晶温度的温度以上进行3～60min的短时间退火，并重复这样的工艺3～7次。
上述这两种工艺都能明显提高材料的低ΣCSL晶界比例，从而大幅提高材料与晶界相关的多种性能。这两种工艺方法的优点是不用改变材料成分，只需调整冷加工变形和热处理方式，就可大幅提高材料的低ΣCSL晶界比例，改善材料与晶界相关的多种性能。但是第一种工艺需要长时间退火，第二种工艺需要反复冷加工及退火，这两种工艺都不利于工业生产中的成本控制。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种提高不锈钢管材的低∑CSL晶界比例的GBE工艺方法，能大幅度提高不锈钢管材的低ΣCSL晶界比例高于70％，尤其适合用于CN1515不锈钢管材工业生产的GBE工艺过程。本发明工艺不仅不需改变材料的成分，而且与现有的同类工艺相比，既不需长时间退火，也不需要反复加工及退火，工艺更加简单，操作容易，具有十分明显的经济效益。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种提高不锈钢管材的低∑CSL晶界比例的GBE工艺方法，包括以下步骤：
a.在室温下对不锈钢管材进行初次冷轧变形，控制变形量为30～70％；优选不锈钢管材为低层错能的面心立方金属材料的管材；更优选不锈钢管材为CN1515不锈钢管材；
b.在不锈钢管材完成所述步骤a初次冷轧变形后，对变形后的不锈钢管材进行初次退火，在1020～1150℃的初次退火温度下保温5～60min，然后以不低于100℃/min的速度将不锈钢管材快速冷却至室温；c.在室温下对经过所述步骤b进行初次退火的不锈钢管材进行再次冷轧变形，控制变形量为3～15％；
d.在不锈钢管材完成所述步骤c再次冷轧变形后，对变形后的不锈钢管材进行再次退火，在1020～1150℃的再次退火温度下保温3～120min，然后以不低于100℃/min的速度将不锈钢管材快速冷却至室温，得到低∑CSL晶界比例达到目标要求的不锈钢管材。
作为本发明优选的技术方案，在所述步骤b和d中，在非氧化气体保护气氛下进行退火处理工艺。更进一步优选在惰性气体保护气氛下进行退火处理工艺。最好在氮气或氩气保护气氛下进行退火处理工艺。
本发明主要针对CN1515不锈钢管材，确定形变及退火工艺，获得低ΣCSL(coincidence site lattice，按照Palumbo－Aust标准，低∑是指∑≤29晶界比例的材料达到76.9％的材料。而经传统工艺加工的材料，其低ΣCSL晶界比例约为20％～40％。
本发明GBE工艺方法应用于CN1515不锈钢管材生产加工过程中的最后两道冷加工及热处理的工序，通过本工艺可以实现在不改变合金成分的前提下大幅提高低ΣCSL晶界比例。达到提高与晶界相关性能的目的，如抗晶间腐蚀、抗高温蠕变、抗应力腐蚀开裂以及冷加工后的抗中子辐照肿胀性能等。首先管材对进行30％～70％冷轧加工及1020℃～1150℃的退火，目的是为了获得相对较为细小且均匀分布的晶粒尺寸，经过这样的处理晶粒度要细于5级，而且要保证材料中不存在形变储能。然后在室温进行3％～15％的冷拔加工变形，变形量要精确控制在这样的范围内，冷拔加工变形后进行1020℃～1150℃的退火。这种小变形量后的退火可明显提高材料中的Σ3n晶界(n＝1,2,3…)比例，从而提高材料的总体低ΣCSL晶界比例。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明GBE工艺方法应用于CN1515不锈钢管材生产加工过程中的最后两道冷加工及热处理的工序，通过本工艺可以实现在不改变合金成分的前提下大幅提高低ΣCSL晶界比例，达到提高与晶界相关性能的目的，如抗晶间腐蚀、抗高温蠕变、抗应力腐蚀开裂以及冷加工后的抗中子辐照肿胀性能，具有较重要的应用价值；
2.本发明GBE工艺方法既不需要长时间的退火，也不需要反复冷变形及退火，主要特点是对CN1515不锈钢管材加工过程中，首先获得晶粒尺寸相对细小、均匀分布且无形变储能的材料状态，然后进行小变形量冷加工，之后进行高温短时间退火，工艺更加简单，操作容易，成本低，具有十分明显的经济效益，尤其适合用于CN1515不锈钢管材工业生产中大幅提高低∑CSL晶界比例的GBE工艺生产。
附图说明
图1是本发明实施例一的在GBE处理之前和GBE处理之后CN1515奥氏体不锈钢管材不同类型晶界分布图对比。
图2是本发明实施例一的在GBE处理之前和GBE处理之后CN1515奥氏体不锈钢管材的低ΣCSL晶界比例的统计对比图。
图3是本发明实施例二的在GBE处理之前和GBE处理之后CN1515奥氏体不锈钢管材不同类型晶界分布图对比。
图4是本发明实施例二的在GBE处理之前和GBE处理之后CN1515奥氏体不锈钢管材的低ΣCSL晶界比例的统计对比图。
图5是本发明实施例三的在GBE处理之前和GBE处理之后CN1515奥氏体不锈钢管材不同类型晶界分布图对比。
图6是本发明实施例三的在GBE处理之前和GBE处理之后CN1515奥氏体不锈钢管材的低ΣCSL晶界比例的统计对比图。
图7是本发明实施例四的在GBE处理之前和GBE处理之后CN1515奥氏体不锈钢管材不同类型晶界分布图对比。
图8是本发明实施例四的在GBE处理之前和GBE处理之后CN1515奥氏体不锈钢管材的低ΣCSL晶界比例的统计对比图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1和图2，一种提高CN1515奥氏体不锈钢管材的低∑CSL晶界比例的GBE工艺方法，包括以下步骤：
a.在室温下对CN1515奥氏体不锈钢管材进行初次冷轧变形，将尺寸为Φ9.52×0.70mm的CN1515奥氏体不锈钢管材冷轧到Φ8.00×0.49mm的尺寸，控制变形量为40％；
b.在CN1515不锈钢管材完成所述步骤a初次冷轧变形后，在气体保护连续退火炉中，在氩气保护气氛下，对变形后的CN1515不锈钢管材进行初次退火，在1060℃的初次退火温度下保温15min，然后以不低于100℃/min的速度将不锈钢管材快速冷却至室温；
c.在室温下对经过所述步骤b进行初次退火的CN1515不锈钢管材进行冷拔变形，将尺寸为Φ8.0×0.49mm的CN1515奥氏体不锈钢管材冷拔到Φ7.4×0.49mm的尺寸，控制变形量为9.2％；
d.在CN1515不锈钢管材完成所述步骤c再次冷轧变形后，在气体保护连续退火炉中，在氩气保护气氛下，对变形后的CN1515不锈钢管材进行再次退火，在1060℃的再次退火温度下保温15min，然后以不低于100℃/min的速度将不锈钢管材快速冷却至室温，得到低∑CSL晶界比例达到目标要求的CN1515不锈钢管材。
在本实施例中，CN1515不锈钢管材的GBE处理前后不同类型晶界分布图和低ΣCSL晶界比例的统计如图1和图2所示。图1是实施例一的在GBE处理之前和GBE处理之后CN1515奥氏体不锈钢管材不同类型晶界分布图对比。图2是实施例一的在GBE处理之前和GBE处理之后CN1515奥氏体不锈钢管材的低ΣCSL晶界比例的统计对比图。其中图1(a)是在GBE工艺处理前，CN1515不锈钢管材的低ΣCSL比例为36.8％；图1(b)是在GBE工艺处理后，CN1515不锈钢管材的低ΣCSL比例达到76.9％。
本实施例主要针对CN1515不锈钢管材，确定形变及退火工艺，获得低ΣCSL(coincidence site lattice，按照Palumbo－Aust标准，低∑是指∑≤29晶界比例的材料达到76.9％的材料。而经传统工艺加工的材料，其低ΣCSL晶界比例约为20％～40％。
本实施例GBE工艺方法应用于CN1515不锈钢管材生产加工过程中的最后两道冷加工及热处理的工序，通过本工艺实现在不改变合金成分的前提下大幅提高低ΣCSL晶界比例。达到提高与晶界相关性能的目的，如抗晶间腐蚀、抗高温蠕变、抗应力腐蚀开裂以及冷加工后的抗中子辐照肿胀性能等。首先管材对进行大变形量的冷轧加工及退火，目的是为了获得相对较为细小且均匀分布的晶粒尺寸，经过这样的处理晶粒度要细于5级，而且要保证材料中不存在形变储能。然后在室温进行小变形量的冷拔加工变形，变形量要精确控制在这样的范围内，冷拔加工变形后进行退火。这种小变形量后的退火可明显提高材料中的Σ3n晶界(n＝1,2,3…)比例，从而提高材料的总体低ΣCSL晶界比例。
本实施例在CN1515奥氏体不锈钢管材制造过程中应用晶界工程工艺来提高低∑CSL晶界的材料特殊结构晶界比例的，能广泛应用于金属材料的形变及热处理工艺技术领域。本实施例中的工艺方法不仅不需改变材料的成分，而且与现有的同类工艺相比，既不需长时间退火，也不需要反复加工及退火，工艺更加简单，操作容易，具有十分明显的经济效益。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图3和图4，一种提高CN1515奥氏体不锈钢管材的低∑CSL晶界比例的GBE工艺方法，包括以下步骤：
a.在室温下对CN1515奥氏体不锈钢管材进行初次冷轧变形，将尺寸为Φ9.52×0.70mm的CN1515奥氏体不锈钢管材冷轧到Φ7.20×0.43mm的尺寸，控制变形量为53％；
b.在CN1515不锈钢管材完成所述步骤a初次冷轧变形后，在气体保护连续退火炉中，在氩气保护气氛下，对变形后的CN1515不锈钢管材进行初次退火，在1080℃的初次退火温度下保温15min，然后以不低于100℃/min的速度将不锈钢管材快速冷却至室温；
c.在室温下对经过所述步骤b进行初次退火的CN1515不锈钢管材进行再次冷轧变形，将尺寸为Φ7.20×0.43mm的CN1515奥氏体不锈钢管材冷拔到Φ6.80×0.43mm的尺寸，控制变形量为9.4％；
d.在CN1515不锈钢管材完成所述步骤c再次冷轧变形后，在气体保护连续退火炉中，在氩气保护气氛下，对变形后的CN1515不锈钢管材进行再次退火，在1080℃的再次退火温度下保温10min，然后以不低于100℃/min的速度将不锈钢管材快速冷却至室温，得到低∑CSL晶界比例达到目标要求的CN1515不锈钢管材。
在本实施例中，CN1515不锈钢管材的GBE处理前后不同类型晶界分布图和低ΣCSL晶界比例的统计如图3和图4所示。图3是实施例二的在GBE处理之前和GBE处理之后CN1515奥氏体不锈钢管材不同类型晶界分布图对比。图4是实施例一的在GBE处理之前和GBE处理之后CN1515奥氏体不锈钢管材的低ΣCSL晶界比例的统计对比图。其中图3(a)是在GBE工艺处理前，CN1515不锈钢管材的低ΣCSL比例为32.5％；图3(b)是在GBE工艺处理后，CN1515不锈钢管材的低ΣCSL比例达到85.3％。
本实施例对CN1515不锈钢管材加工过程中，首先获得晶粒尺寸相对细小、均匀分布且无形变储能的材料状态，然后进行小变形量冷加工，之后进行高温短时间退火。本实施例中的工艺方法不仅不需改变材料的成分，而且与现有的同类工艺相比，既不需长时间退火，也不需要反复加工及退火，工艺更加简单，操作容易，具有十分明显的经济效益。
实施例三：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图5和图6，一种提高CN1515奥氏体不锈钢管材的低∑CSL晶界比例的GBE工艺方法，包括以下步骤：
a.在室温下对CN1515奥氏体不锈钢管材进行初次冷轧变形，将尺寸为Φ9.52×0.70mm的CN1515奥氏体不锈钢管材冷轧到Φ9.14×0.50mm的尺寸，控制变形量为30％；
b.在CN1515不锈钢管材完成所述步骤a初次冷轧变形后，在气体保护连续退火炉中，在氩气保护气氛下，对变形后的CN1515不锈钢管材进行初次退火，在1020℃的初次退火温度下保温5min，然后以不低于100℃/min的速度将不锈钢管材快速冷却至室温；
c.在室温下对经过所述步骤b进行初次退火的CN1515不锈钢管材进行冷拔变形，将尺寸为Φ9.14×0.50mm的CN1515奥氏体不锈钢管材冷拔到Φ8.88×0.50mm，控制变形量为3％；
d.在CN1515不锈钢管材完成所述步骤c再次冷轧变形后，在气体保护连续退火炉中，在氩气保护气氛下，对变形后的CN1515不锈钢管材进行再次退火，在1020℃的再次退火温度下保温3min，然后以不低于100℃/min的速度将不锈钢管材快速冷却至室温，得到低∑CSL晶界比例达到目标要求的CN1515不锈钢管材。
在本实施例中，CN1515不锈钢管材的GBE处理前后不同类型晶界分布和低ΣCSL晶界比例不同，在GBE工艺处理前，CN1515不锈钢管材的低ΣCSL比例为37.9％；在GBE工艺处理后，CN1515不锈钢管材的低ΣCSL比例达到78.9％。
本实施例对CN1515不锈钢管材加工过程中，首先获得晶粒尺寸相对细小、均匀分布且无形变储能的材料状态，然后进行小变形量冷加工，之后进行高温短时间退火。本实施例中的工艺方法不仅不需改变材料的成分，而且与现有的同类工艺相比，既不需长时间退火，也不需要反复加工及退火，工艺更加简单，操作容易，具有十分明显的经济效益。
实施例四：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图7和图8，一种提高CN1515奥氏体不锈钢管材的低∑CSL晶界比例的GBE工艺方法，包括以下步骤：
a.在室温下对CN1515奥氏体不锈钢管材进行初次冷轧变形，将尺寸为Φ9.52×0.70mm的CN1515奥氏体不锈钢管材冷轧到Φ6.11×0.32mm的尺寸，控制变形量为70％；
b.在CN1515不锈钢管材完成所述步骤a初次冷轧变形后，在气体保护连续退火炉中，在氩气保护气氛下，对变形后的CN1515不锈钢管材进行初次退火，在1150℃的初次退火温度下保温60min，然后以不低于100℃/min的速度将不锈钢管材快速冷却至室温；
c.在室温下对经过所述步骤b进行初次退火的CN1515不锈钢管材进行冷拔变形，将尺寸为Φ6.11×0.32mm的CN1515奥氏体不锈钢管材冷拔到Φ5.24×0.32mm的尺寸，控制变形量为15％；
d.在CN1515不锈钢管材完成所述步骤c再次冷轧变形后，在气体保护连续退火炉中，在氩气保护气氛下，对变形后的CN1515不锈钢管材进行再次退火，在1150℃的再次退火温度下保温120min，然后以不低于100℃/min的速度将不锈钢管材快速冷却至室温，得到低∑CSL晶界比例达到目标要求的CN1515不锈钢管材。
在本实施例中，CN1515不锈钢管材的GBE处理前后不同类型晶界分布和低ΣCSL晶界比例不同，在GBE工艺处理前，CN1515不锈钢管材的低ΣCSL比例为36.3％；在GBE工艺处理后，CN1515不锈钢管材的低ΣCSL比例达到79.7％。
本实施例对CN1515不锈钢管材加工过程中，首先获得晶粒尺寸相对细小、均匀分布且无形变储能的材料状态，然后进行小变形量冷加工，之后进行高温短时间退火。本实施例中的工艺方法不仅不需改变材料的成分，而且与现有的同类工艺相比，既不需长时间退火，也不需要反复加工及退火，工艺更加简单，操作容易，具有十分明显的经济效益。
总之，按照上述工艺处理完之后，能够将CN1515奥氏体不锈钢管材的低∑CSL晶界比例从30％左右大幅度提高到70％以上。达到提高与晶界相关性能的目的，如抗晶间腐蚀、抗高温蠕变、抗应力腐蚀开裂以及冷加工后的抗中子辐照肿胀性能等。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明提高不锈钢管材的低∑CSL晶界比例的GBE工艺方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种提高不锈钢管材的低∑CSL晶界比例的GBE工艺方法，其特征在于, 包括以下步骤：
a.在室温下对不锈钢管材进行初次冷轧变形，控制变形量为30～70%，所述不锈钢管材为CN1515不锈钢管材；
b.在不锈钢管材完成所述步骤a初次冷轧变形后，对变形后的不锈钢管材进行初次退火，在1020～1150℃的初次退火温度下保温5～60min，然后以不低于100℃/min的速度将不锈钢管材快速冷却至室温；
c.在室温下对经过所述步骤b进行初次退火的不锈钢管材进行再次冷轧变形，控制变形量为3～15%；
d. 在不锈钢管材完成所述步骤c再次冷轧变形后，对变形后的不锈钢管材进行再次退火，在1020～1150℃的再次退火温度下保温3～120min，然后以不低于100℃/min的速度将不锈钢管材快速冷却至室温，得到低∑CSL晶界比例达到目标要求的不锈钢管材。
2.根据权利要求1所述提高不锈钢管材的低∑CSL晶界比例的GBE工艺方法，其特征在于：在所述步骤b和d中，在非氧化气体保护气氛下进行退火处理工艺。
3.根据权利要求2所述提高不锈钢管材的低∑CSL晶界比例的GBE工艺方法，其特征在于：在所述步骤b和d中，在惰性气体保护气氛下进行退火处理工艺。
4.根据权利要求3所述提高不锈钢管材的低∑CSL晶界比例的GBE工艺方法，其特征在于：在所述步骤b和d中，在氮气或氩气保护气氛下进行退火处理工艺。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述提高不锈钢管材的低∑CSL晶界比例的GBE工艺方法，其特征在于：在所述步骤a中，所述不锈钢管材为低层错能的面心立方金属材料的管材。
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