CN109811271A - 一种异质层状结构316l不锈钢的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异质层状结构316L不锈钢的制备方法，属于不锈钢制造领域。该方法首先将厚度为3～30mm的316L不锈钢进行固溶处理得到平均晶粒尺寸为20～100μm的均匀奥氏体组织；接着对其进行70～90％的冷轧处理，形成传统的带状冷轧组织；最后在720～780℃条件下对其进行5～30min的不完全再结晶退火处理，制备出异质层状结构316L不锈钢。该不锈钢具有600～1000MPa的屈服强度和850～1100MPa的抗拉强度，值得指出的是其均匀延伸率能达到≥8％，这种异质层状结构316L不锈钢既能满足苛刻条件下的力学性能要求且易实现工业化生产。

Description

一种异质层状结构316L不锈钢的制备方法

技术领域

本发明涉及不锈钢的制备领域，具体的指一种异质层状结构316L不锈钢的制备方法。

背景技术

316L奥氏体不锈钢因其具有优异的抗氧化，抗腐蚀性能，以及其良好的加工硬化效果和成形性而被广泛地应用于工业生产中，如核电管道、沿海区域建筑物外部用材料以及造纸、草酸、肥料等生产设备等。然而粗晶态奥氏体不锈钢的屈服强度较低，在常温条件下一般只有100～300MPa，严重制约了其在工业生产中的应用。随着工业化的高速发展，对不锈钢的强塑性匹配性能提出了更高的要求，因此快速制备出大批量的具有良好强塑性匹配的316L不锈钢显得至关重要。

晶粒细化是一种有效的提高金属材料屈服和断裂强度的方法，其经常通过剧烈塑性变形途径来实现，通过在金属材料中引入很大的应变，从而达到细化晶粒的目的。剧烈塑性变形的主要手段有大变形冷轧、表面机械研磨、等通道转角挤压、动态塑性变形等。这些方法虽然能大程度上提高316L不锈钢的强度，但随之而来的是其延展性和加工硬化率的降低。

近年来，大量研究表明金属材料的异质化可以有效的提高材料的综合力学性能。梯度结构、双峰结构、谐波结构以及异质层状结构能够提高材料的强塑性匹配性能的主要原因是在材料中引入了应变梯度和软硬界面，在变形的过程中细化的晶粒以及背应力提高了材料的屈服强度；同时，软硬/梯度界面处大量增殖的几何必须位错增强了材料的拉伸塑性。

现有的方法中，Yan等人采用动态塑性变形和热处理相结合的方法制备出具有纳米晶、纳米孪晶以及微米再结晶混合的异质层状结构316L不锈钢，其强度能到达1000MPa，断裂延伸率达到27％，但是该方法制备出来的异质316L不锈钢尺寸很小且生产效率低，不能满足工业生产的要求。

传统的大变形冷轧在某种程度上具有与动态塑性变形相似的细化作用，大变形冷轧与退火相结合的工艺如果也能够制备出具有类似层片状的异质结构组织316L不锈钢，进而获得增强的力学性能，这将十分有利于工业生产。

发明内容

本发明的目的主要是针对粗晶态316L强度低而纳米晶态316L不锈钢塑性低的问题，提供了一种异质层状结构316L不锈钢的制备方法，通过本方法获得屈服强度600～1000MPa，抗拉强度850～1100MPa，均匀延伸率≥8％的异质层状结构316L奥氏体不锈钢，本发明具有操作方法简单，效率高，容易实现工业化生产的优势。

实现本发明目的采用的技术方案是：一种异质层状结构316L不锈钢的制备方法，使用的316L奥氏体不锈钢的化学成分(wt.％)为：C≤0.03，Si≤1.0，Mn≤2.0，P≤0.045，S≤0.03，Ni≤10.0～14.0，Cr≤16.0～18.0，Mo≤2.0～3.0，其余为Fe及不可避免的杂质。

包括以下步骤：

(1)固溶处理

将3-30mm厚的316L不锈钢放入已经温度为1050～1150℃的箱式电阻炉中，保温5～3600min，得到均匀化的原始态奥氏体组织。奥氏体组织平均晶粒尺寸在20～100μm之间。

(2)冷轧处理

在室温条件下用同步/异步冷轧机对固溶处理的316L不锈钢进行冷轧处理，原始板材厚度为3～30mm，轧制后为0.3～9mm，总轧制压下量为70～90％。

(3)不完全再结晶退火处理

将箱式电阻炉加热到720～780℃，再将冷轧态的316L不锈钢迅速放入，进行5～30min的保温退火处理，随后采用空冷方式迅速冷却至室温。保温过程中，原先冷变形组织中变形严重的区域优先再结晶形成带状的再结晶偏聚，与纳米孪晶、残留的超细晶/纳米晶以及残留拉长的变形粗晶共同构成异质层状结构组织。

本发明相对于现有技术相比，具有以下显著优点：

1)本发明采用大变形冷轧与不完全再结晶退火相结合的方法制备出具有微米再结晶、纳米孪晶/超细晶/纳米晶、残留拉长变形粗晶相混合的异质层状结构316L不锈钢。

2)本发明生成的异质层状结构中，硬质的纳米孪晶/超细晶/纳米晶能够有效提高316L不锈钢的强度，软质的微米再结晶及残留拉长变形粗晶保证了材料的塑性，与此同时，大量的软硬界面可以有效地协调变形，通过背应力形式进一步提高材料的强度与塑性。

3)本发明的冷轧工艺是在室温下进行的，退火温度为中高温(再结晶温度附近)，条件简单，操作容易，可大规模工业化生产。

附图说明

图1为本发明处理后异质层状结构316L不锈钢的EBSD衬度形貌图。

图2为本发明处理后异质层状结构316L不锈钢的TEM形貌图。

图3为本发明处理后异质层状结构316L不锈钢的工程应力-工程应变曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进一步作详细说明。

实施例一

首先，本实施例采用如下的设备：热轧冷轧多用途轧机、热处理用箱式电阻炉。

本实施例制备良好综合力学性能的异质层状结构316L不锈钢的具体操作如下：

本实施例中取用的316L不锈钢钢板厚度为10mm，其成分(wt.％)如下：C为0.03，Si为0.53，Mn为1.42，P为0.03，S为0.005，Ni为10.1，Cr为16.47，Mo为2.0，其余为Fe及不可避免的杂质。

将上述的316L不锈钢板材放入到温度为1100℃的箱式电阻炉中保温10min，取出水冷至室温，固溶处理后粗晶态不锈钢晶粒尺寸比较均匀，平均晶粒尺寸约为40μm。

在室温条件下对固溶处理的不锈钢板材进行冷轧处理，轧制每道次压下量为0.17mm，最终将板厚轧制为1.5mm，总轧制压下量为85％。

将箱式电阻炉加热至750℃，接着放入85％冷变形的316L不锈钢板材，保温10min，迅速取出空冷至室温。保温过程中，原先冷变形组织中变形严重的区域优先再结晶形成带状的再结晶偏聚，与纳米孪晶、残留的超细晶/纳米晶以及拉长的变形粗晶共同构成异质层状结构组织，具体形貌如图1，2所示。

本实施例通过上述方法得到的该异质层状结构不锈钢的屈服强度为980MPa，抗拉强度为1059MPa，均匀延伸率为9.5％，断裂延伸率为19.4％。经过处理后异质层状结构316L不锈钢的工程应力-工程应变曲线如图3所示，可以看出通过本发明方法处理后的316L不锈钢具有良好的强度-塑性匹配，可以极大促进工业应用。

实施例二

首先，本实施例采用如下的设备：热轧冷轧多用途轧机、热处理用箱式电阻炉。

本实施例制备良好综合力学性能的异质层状结构316L不锈钢的具体操作如下：

本实施例中取用的316L不锈钢钢板厚度为10mm，其成分(wt.％)如下：C为0.03，Si为0.53，Mn为1.42，P为0.03，S为0.005，Ni为10.1，Cr为16.47，Mo为2.0，其余为Fe及不可避免的杂质。

将上述的316L不锈钢板材放入到温度为1100℃的箱式电阻炉中保温10min，取出水冷至室温，固溶处理后粗晶态不锈钢晶粒尺寸比较均匀，平均晶粒尺寸约为40μm。

在室温条件下对固溶处理的不锈钢板材进行冷轧处理，轧制每道次压下量为0.17mm，最终将板厚轧制为2.0mm，总轧制压下量为80％。

将箱式电阻炉加热至750℃，接着放入80％冷变形的316L不锈钢板材，保温15min，迅速取出空冷至室温。

本实施例通过上述方法得到的该异质层状结构不锈钢的屈服强度为705MPa，抗拉强度为902MPa，均匀延伸率为19.8％，断裂延伸率为28.9％。经过处理后异质层状结构316L不锈钢的工程应力-工程应变曲线如图3所示，可以看出通过本发明方法处理后的316L不锈钢具有良好的强度-塑性匹配，可以极大促进工业应用。

实施例三

首先，本实施例采用如下的设备：热轧冷轧多用途轧机、热处理用箱式电阻炉。

本实施例制备良好综合力学性能的异质层状结构316L不锈钢的具体操作如下：

本实施例中取用的316L不锈钢钢板厚度为10mm，其成分(wt.％)如下：C为0.03，Si为0.53，Mn为1.42，P为0.03，S为0.005，Ni为10.1，Cr为16.47，Mo为2.0，其余为Fe及不可避免的杂质。

将上述的316L不锈钢板材放入到温度为1100℃的箱式电阻炉中保温10min，取出水冷至室温，固溶处理后粗晶态不锈钢晶粒尺寸比较均匀，平均晶粒尺寸约为40μm。

在室温条件下对固溶处理的不锈钢板材进行冷轧处理，轧制每道次压下量为0.17mm，最终将板厚轧制为2.5mm，总轧制压下量为75％。

将箱式电阻炉加热至750℃，接着放入75％冷变形的316L不锈钢板材，保温20min，迅速取出空冷至室温。

本实施例通过上述方法得到的该异质层状结构不锈钢的屈服强度为670MPa，抗拉强度为880MPa，均匀延伸率为21.6％，断裂延伸率为30.7％。经过处理后异质层状结构316L不锈钢的工程应力-工程应变曲线如图3所示，可以看出通过本发明方法处理后的316L不锈钢具有良好的强度-塑性匹配，可以极大促进工业应用。

实施例四

首先，本实施例采用如下的设备：热轧冷轧多用途轧机、热处理用箱式电阻炉。

本实施例制备良好综合力学性能的异质层状结构316L不锈钢的具体操作如下：

本实施例中取用的316L不锈钢钢板厚度为10mm，其成分(wt.％)如下：C为0.03，Si为0.53，Mn为1.42，P为0.03，S为0.005，Ni为10.1，Cr为16.47，Mo为2.0，其余为Fe及不可避免的杂质。

将上述的316L不锈钢板材放入到温度为1100℃的箱式电阻炉中保温10min，取出水冷至室温，固溶处理后粗晶态不锈钢晶粒尺寸比较均匀，平均晶粒尺寸约为40μm。

在室温条件下对固溶处理的不锈钢板材进行冷轧处理，轧制每道次压下量为0.17mm，最终将板厚轧制为3mm，总轧制压下量为70％。

将箱式电阻炉加热至750℃，接着放入70％冷变形的316L不锈钢板材，保温25min，迅速取出空冷至室温。

本实施例通过上述方法得到的该异质层状结构不锈钢的屈服强度为797MPa，抗拉强度为981MPa，均匀延伸率为9％，断裂延伸率为17.7％。经过处理后异质层状结构316L不锈钢的工程应力-工程应变曲线如图3所示，可以看出通过本发明方法处理后的316L不锈钢具有良好的强度-塑性匹配，可以极大促进工业应用。

实施例五

首先，本实施例采用如下的设备：两辊可逆温轧机、热处理用箱式电阻炉。

本实施例制备良好综合力学性能的异质层状结构316L不锈钢的具体操作如下：

本实施例中取用的316L不锈钢钢板厚度为3mm，其成分(wt.％)如下：C为0.016，Si为0.52，Mn为1.38，P为0.03，S为0.006，Ni为10.2，Cr为16.61，Mo为1.95，其余为Fe及不可避免的杂质。

将上述的316L不锈钢板材放入到温度为1100℃的箱式电阻炉中保温10min，取出水冷至室温，固溶处理后粗晶态不锈钢晶粒尺寸比较均匀，平均晶粒尺寸约为40μm。

在室温条件下对固溶处理的不锈钢板材进行冷轧处理，轧制每道次压下量为0.17mm，最终将板厚轧制为0.75mm，总轧制压下量为75％。

将箱式电阻炉加热至750℃，接着放入75％冷变形的316L不锈钢板材，保温10min，迅速取出空冷至室温。

本实施例通过上述方法得到的该异质层状结构不锈钢的屈服强度为650MPa，抗拉强度为894MPa，均匀延伸率为17.5％，断裂延伸率为25.5％。经过处理后异质层状结构316L不锈钢的工程应力-工程应变曲线如图3所示，可以看出通过本发明方法处理后的316L不锈钢具有良好的强度-塑性匹配，可以极大促进工业应用。

Claims (7)

1.一种异质层状结构316L不锈钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

固溶处理

将316L不锈钢在1050～1150℃保温5～3600min固溶处理，得到均匀化后的原始态奥氏体组织；

冷轧处理

在室温条件下对固溶处理的316L不锈钢进行冷轧处理，原始板材厚度为3～30mm，轧制后为0.3～9mm；

不完全再结晶退火处理

在720～780℃条件下对冷轧态316L不锈钢进行5～30min的退火处理，随后迅速冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的异质层状结构316L不锈钢的制备方法，其特征在于，所述的316L不锈钢的质量百分比含量为：C≤0.03，Si≤1.0，Mn≤2.0，P≤0.045，S≤0.03，Ni≤10.0～14.0，Cr≤16.0～18.0，Mo≤2.0～3.0，其余为Fe及不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的异质层状结构316L不锈钢的制备方法，其特征在于，固溶处理中，加热到指定温度进行放样，水冷冷却至室温工艺。

4.根据权利要求1所述的异质层状结构316L不锈钢的制备方法，其特征在于：冷轧处理中采用同步/异步轧机，冷轧总压下量为70～90％。

5.根据权利要求1所述的异质层状结构316L不锈钢的制备方法，其特征在于：不完全再结晶退火处理采用箱式电阻炉。

6.一种根据权利要求1-5任一项所述的方法制备的异质层状结构316L不锈钢，其特征在于，异质层状结构316L不锈钢中异质层状结构为由条带状聚集的再结晶、细化的超细晶/纳米晶/纳米孪晶以及残留拉长变形的粗晶共同呈层状堆积。

7.根据权利要求6所述异质层状结构316L不锈钢，其特征在于，条带状聚集的再结晶的体积分数一般在20～70％，平均晶粒尺寸为1～5μm，纳米孪晶的体积分数在5～15％，纳米晶体积分数在5～45％，拉长变形粗晶体积分数在10～20％。