CN109536685B - 一种消除双相不锈钢中有害相的热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种消除双相不锈钢中有害相的热处理方法，属于热处理技术领域。本发明提供的热处理方法通过多步骤、分阶段、控冷速相结合的综合热处理，在奥氏体铁素体双相区温度T₁保温一定时间来消除双相不锈钢中常见的σ、Cr₂N等有害相；通过缓慢的冷速将不锈钢冷却至T₂温度并保温，然后快速冷却到室温，有效避免了钢中γ₂相等有害相再次析出，显著提高双相不锈钢的塑韧性和耐腐蚀性，满足产品对综合性能的要求。上述双相不锈钢的热处理方法可用于石化、海工、核电等特殊领域。

Description

一种消除双相不锈钢中有害相的热处理方法

技术领域

本发明属于热处理技术领域，尤其涉及一种消除双相不锈钢中有害相的热处理方法。

背景技术

铁素体-奥氏体双相不锈钢(以下简称双相不锈钢)的组织由一定比例的铁素体α和奥氏体γ相组成，双相不锈钢兼具优良的耐氯化物应力腐蚀、耐点蚀性能和较高的强度、疲劳强度和良好的韧性，在石化、化工、海工、核电、建筑、造纸、食品等领域得到了广泛的应用，目前已经成为和奥氏体型、铁素体型、马氏体型不锈钢并列的一个钢种。

由于双相不锈钢中多含有较高含量的Cr、Mo、Ni等合金元素，在300～1000℃的温度范围内，除了奥氏体不锈钢中常见的σ、M₇C₃、M₂₃C₆等析出相外，还具有较高的Cr₂N、CrN、χ、R等相析出倾向。这些富Cr、Mo元素的有害相析出不仅造成钢的耐蚀性能下降，特别是σ相和一些脆性相，还会急剧恶化钢的塑韧性。

除了这类有害相外，在双相不锈钢中，一般在高温区时α+γ的双相组织变为晶粒粗大的高温铁素体δ组织，这种富含N的不稳定高温铁素体在随后的冷却过程中，由于N等元素固溶度的显著下降，极易形成二次奥氏体γ₂。与一次奥氏体γ不同，γ₂相呈魏氏组织形貌，非常容易引起应力集中，从而显著降低钢的强度和塑性。

双相不锈钢中这些有害析出相的存在给钢在冷加工、热成形等制造工艺过程和最终使用都带来了很大的困扰，需要通过一定工艺手段控制或消除有害析出相的影响。已有研究表明，一般在较高温度下保温足够时间可以消除σ、Cr₂N、M₂₃C₆等这类中高温形成的有害析出相，但是，传统的固溶+快速冷却的热处理工艺过程中很容易发生γ₂等相的再次析出；目前公开的技术中有采用分步热处理的工艺，但是其工艺需加热至1300℃以上，温度太高，常规生产设备很难达到，不适用于工业生产，并且此种工艺采用高温快速冷却，容易导致γ₂相再次析出；目前公开的技术中未见在消除σ、Cr₂N、γ₂等有害相的同时，可以有效避免有害相再次析出的工艺方法。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种消除双相不锈钢中有害相的热处理方法，用以解决现有热处理方法处理中有害相再次析出的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种消除双相不锈钢中有害相的热处理方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：将双相不锈钢加热到T₁温度，保温30-300min，所述T₁温度为奥氏体铁素体双相区温度；

步骤2：从T₁温度开始，以冷速V₁缓慢冷却到T₂温度；

步骤3：在T₂温度保温60-120min后，以冷速V₂快速冷却到室温。

进一步地，步骤1中T₁为1130-1200℃。

进一步地，步骤2中T₂为1050-1120℃，V₁为10-60℃/h。

进一步地，步骤3中冷速V₂大于或等于120℃/s。

进一步地，温度T₁和T₂的温度差ΔT为30-120℃。

进一步地，双相不锈钢为2507双相不锈钢。

进一步地，本发明的双相不锈钢经过热处理后的显微组织为奥氏体+铁素体。

进一步地，本发明的双相不锈钢经过热处理后，在-60℃时的夏比冲击功大于300J。

进一步地，本发明的双相不锈钢经过热处理后，在质量分数为6％、温度为50℃的FeCl₃溶液浸泡48h，腐蚀速率小于或等于0.052g/m²·h。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明提供的消除双相不锈钢中有害相的热处理方法通过多步骤、分阶段、控冷速相结合的综合热处理，通过在奥氏体铁素体双相区温度T₁保温一定时间来消除双相不锈钢中常见的σ、Cr₂N等有害相；通过缓慢的冷速将不锈钢冷却至T₂温度并保温(T₁和T₂的温度差ΔT为30-120℃)，有效避免了钢中γ₂相等有害相再次析出，尽可能地减轻了钢中元素偏析现象，提高热处理效率，显著提高双相不锈钢的塑韧性和耐腐蚀性。

(2)本发明提供的综合热处理工艺操作简便，无特殊设备要求，可以利用制造企业现有的生产装备实现，在本行业中有极大的推广使用价值。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的特征和优点从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例使用的存在大量有害相的2507双相不锈钢原始组织；

图2为采用本发明实施例1热处理后的2507双相不锈钢组织；

图3为采用本发明实施例2热处理后的2507双相不锈钢组织；

图4为采用本发明实施例3热处理后的2507双相不锈钢组织；

图5为采用本发明实施例4热处理后的2507双相不锈钢组织；

图6为采用本发明实施例5热处理后的2507双相不锈钢组织；

图7为采用本发明对比例1热处理后的2507双相不锈钢组织；

图8为采用本发明对比例2热处理后的2507双相不锈钢组织。

附图标记：

1-有害相；2-有害相；3-有害相。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

对于双相不锈钢，随加热温度升高，钢中铁素体α和奥氏体γ两相比例发生变化：随加热温度升高，铁素体数量增多，奥氏体数量减少；一般当加热温度超过1300℃时，双相不锈钢出现单一的晶粒粗大的铁素体δ组织，这种高温δ铁素体不稳定，溶解了过多的N、Ni等奥氏体形成元素；在随后的冷却过程中，缘于N等元素在铁素体中的固溶度急剧下降，逐渐发生铁素体相向富N、Ni奥氏体相的转变，如果该过程冷却速度快，在较大的过冷度提供的形核驱动力下，新生奥氏体相在原有铁素体晶界这类位置开始形核；加之N元素在铁素体中极高的扩散速度，奥氏体新相往往呈板条状魏氏组织向铁素体晶内生长，一般称作二次奥氏体γ₂。

二次奥氏体形成机制随形成温度的不同而不同，它的形成的位置和形貌与铁素体相内及其周围的化学成分、邻近区的扩散途径有关，形核位置的不同也会影响二次奥氏体形貌的不同。除了上文描述的魏氏组织型的扩散相变析出，在双相不锈钢中，从铁素体相中还可以马氏体型切变转变和共析反应两种方式形成二次奥氏体。其中，马氏体型切变转变多发生在高温水淬+低温(300-650℃)下等温时效时，形成极为细小、具有马氏体转变的特征的二次奥氏体。而共析反应往往发生在600～800℃范围，以α→M₂₃C₆+γ₂和α→σ+γ₂的次序，最终全部共析分解为σ+γ₂的形式发生。

无论是魏氏组织型相变、马氏体型切变转变还是共析反应形成的二次奥氏体，虽然其均可通过更高温度下的保温热处理加以消除，但是由于钢在生产加工过程中必然面临从高温到室温的温度梯度变化，如何在生产过程中保证有害相的固溶的同时，避免冷却过程中有害相的再次析出至关重要。相比于其它有害相，二次奥氏体的溶解和冷却过程中的再析出倾向控制更为重要，虽然经过较高的温度保温足够时间可以保证二次奥氏体相的溶解，但过高的温度热处理，一方面引起双相不锈钢中N等奥氏体形成元素在铁素体相中溶解度的大幅上升，另一方面带来奥氏体相比例的下降，这两种情况都势必造成N元素分布向铁素体相中的富集，在此条件下，双相不锈钢一旦发生温度下降，缘于铁素体中N元素溶解度的急剧下降，过饱和的N元素在溶解度梯度的作用下促进相转变，温差越大，N元素溶解度梯度差越大，冷却过程中更易发生二次奥氏体转变；另外，由于双相不锈钢中固态相变为元素扩散型相变，其相变速度受热处理温度影响显著，如果采用较低温度进行热处理，一则可能无法满足有害相溶解热力学条件，二则不利于提高有害相消除过程中的元素扩散速度。因此，传统的单一的热处理工艺无法很好地消除双相不锈钢有害相。

因此，本发明的消除双相不锈钢中有害相的热处理方法具体如下：

步骤1：将双相不锈钢加热到T₁温度，保温30-300min，所述T₁温度为奥氏体铁素体双相区温度；在此温度保温足够时间，保证双相不锈钢中σ、Cr₂N以及γ₂等有害析出相完全固溶进入基体。

步骤2：将双相不锈钢从T₁温度开始，以一定冷速V₁缓慢冷却到T₂温度，冷速V₁为10-60℃/h；在此冷却速度下，保证双相不锈钢中γ₂等有害相不易析出。

步骤3：将双相不锈钢在T₂温度保温60-120min后，以一定冷速V₂冷却到室温，冷速V₂为≥120℃/s；在此温度下保温足够时间，使得双相不锈钢基体中Ni、Cr、Mo等元素充分扩散，减轻元素偏析现象。

具体来说，T₁为1130-1200℃，T₂为1050-1120℃，T₁和T₂的温度差ΔT为30-120℃；在此温差范围内，既有利于双相不锈钢中元素的扩散，又避免钢中出现过大的N元素溶解度梯度差，抑制冷却过程中的二次奥氏体转变。

与现有技术相比，本发明提供的消除双相不锈钢中有害相的热处理方法通过多步骤、分阶段、控冷速相结合的综合热处理，通过在一定的温度下保温足够时间来消除双相不锈钢中常见的σ、Cr₂N等有害相；然后通过控制不同步骤的热处理温度和步骤间温差ΔT，通过缓慢的冷速将双相不锈钢冷却至特定温度并保温，可以有效避免钢中γ₂相等有害相再次析出的同时，尽可能地减轻钢中元素偏析现象，提高热处理效率，提高双相不锈钢的塑韧性和耐腐蚀性。

示例性地，冷速V₁为15-60℃/h。

示例性地，温度T₁和T2的温度差ΔT为30-100℃。

示例性地，使用本发明的方法处理的双相不锈钢为2507双相不锈钢，其化学成分的质量百分比为C：0.020％；Cr：25.2％；Ni：6.8％；Mo：3.8％；Si：0.40％；Mn：0.70％；N：0.27％；余量为Fe和其他不可避免的杂质元素。

从而，上述双相不锈钢经过热处理后的显微组织为奥氏体+铁素体，在-60℃时的冲击功大于300J，例如303-334J；在质量分数为6％、温度为50℃的FeCl₃溶液浸泡48h后的腐蚀速率小于或等于0.052g/m²·h，例如0.017-0.052g/m²·h。

本实施例使用的2507双相不锈钢热轧板的初始显微组织如图1所示，实施例1-5和两种对比例1-2的热处理工艺列于表1，表2为实施例1-5及对比例6-7的显微组织、力学性能及耐腐蚀性能结果。

表1本发明实施例1-5和对比例1-2的热处理工艺

表2本发明实施例1-5和对比例1-2的检测结果

*采用质量分数为6％、温度为50℃的FeCl₃溶液浸泡48h。

如图2-6所示，通过上述本发明实施例1-5的热处理工艺处理后，双相不锈钢的有害相得到有效消除，显微组织为奥氏体+铁素体；如图7-8所示，通过本发明对比例1-2采用传统的热处理工艺，双相不锈钢的有害相并未得到有效消除，显微组织为奥氏体+铁素体+有害相。

由表2可以看出，通过本发明实施例1-5的热处理工艺处理后，双相不锈钢在-60℃时的冲击功为303-334J，在质量分数为6％、温度为50℃的FeCl₃溶液浸泡48h后的腐蚀速率为0.017-0.052g/m²·h；通过本发明对比例1-2采用传统的热处理工艺，双相不锈钢在-60℃时的冲击功为192-215J，在质量分数为6％、温度为50℃的FeCl₃溶液浸泡48h后的腐蚀速率为0.056-0.072g/m²·h。

综上所述，采用本发明的多步骤、分阶段、控冷速相结合的综合热处理方法处理后，双相不锈钢的显微组织为奥氏体+铁素体，常见的σ、Cr₂N等有害相得到消除，并且有效控制γ₂有害相的再次析出，同时减轻了钢中元素偏析现象，显著提高了双相不锈钢的塑韧性及耐腐蚀性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本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。

Claims (6)

1.一种消除双相不锈钢中有害相的热处理方法，其特征在于，所述热处理方法步骤为：

步骤1：将双相不锈钢加热到T₁温度，保温30-300min，所述T₁温度为奥氏体铁素体双相区温度；

步骤2：从T₁温度开始，以冷速V₁缓慢冷却到T₂温度；

步骤3：在T₂温度保温60-120min后，以冷速V₂快速冷却到室温；

所述T₁为1150-1200℃；

所述T₂为1050-1120℃；

所述冷速V₁为10-60℃/h；

所述冷速V₂大于或等于120℃/s。

2.根据权利要求1所述的消除双相不锈钢中有害相的热处理方法，其特征在于，所述温度T₁和T₂的温度差ΔT为30-120℃。

3.根据权利要求1所述的消除双相不锈钢中有害相的热处理方法，其特征在于，所述双相不锈钢为2507双相不锈钢。

4.根据权利要求1-3任一所述的消除双相不锈钢中有害相的热处理方法，其特征在于，所述双相不锈钢经过热处理后的显微组织为奥氏体+铁素体。

5.根据权利要求4所述的消除双相不锈钢中有害相的热处理方法，其特征在于，所述双相不锈钢经过热处理后，在-60℃时的夏比冲击功大于300J。

6.根据权利要求5所述的消除双相不锈钢中有害相的热处理方法，其特征在于，所述双相不锈钢经过热处理后，在质量分数为6％、温度为50℃的FeCl₃溶液中浸泡48h，腐蚀速率小于或等于0.052g/m²·h。

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