CN110066912B - 一种耐腐蚀高强度316l不锈钢及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及不锈钢组织及制备方法，具体涉及一种耐腐蚀高强度316L不锈钢及制备方法，包括固溶处理、低温轧制变形、深冷处理、时效处理。本发明方法制备了一种新型微观组织结构：纳米孪晶、纳米晶及超细晶的复合组织，平均晶粒尺寸≤200nm，硬度450～500Hv，抗拉强度达1200MPa～1400MPa。本方法制备的316L不锈钢点蚀电位E0＞‑0.4V，在5％NaCl溶液中浸泡60天仍保持良好的耐蚀性。本发明新型组织316L不锈钢具有优异的力学性能，较好的耐腐蚀性能，可广泛应用于压力容器、船舶工程、核电设备等复杂使用环境。
Description
技术领域
本发明涉及不锈钢组织及制备方法，具体涉及一种耐腐蚀高强度316L不锈钢及制备方法。
背景技术
奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的钢类，其产量和用量约占不锈钢总产量和用量的70％，具有良好的光泽度，优异的延展性以及强耐蚀性能等特点。目前不锈钢中主导的钢种仍然是以316L为代表的镍铬系奥氏体不锈钢。316L不锈钢因其优异的性能，在核电设备的设计中也常常被用作为结构材料，小型反应堆的压力容器及船舶工程等也广泛使用316L不锈钢。
奥氏体不锈钢的强度普遍较低，传统工艺制备高强度316L不锈钢的同时会导致耐蚀性的降低，在结构件的使用中受到限制。如何提高奥氏体不锈钢材料的综合性能，是一个具有重要学术价值和实际意义的课题。因此，开展新型组织奥氏体不锈钢的制备及新型组织的研究是一项重要任务。
发明内容
本发明提供了一种耐腐蚀高强度316L不锈钢及制备方法。针对现有奥氏体不锈钢普遍存在强度、硬度满足不了需求的情况，通过细化晶粒，并引入纳米孪晶、纳米晶及超细晶的这种复合组织，获得高耐蚀性与高强度的综合性能优异的316L不锈钢。
通过引入纳米孪晶、纳米晶及超细晶的这种复合组织来改善316L不锈钢的性能，这种新型组织具有以下优点：纳米孪晶可以显著改善纳米结构金属材料的塑韧性能，还有利于改善不锈钢的应变强化能力，纳米孪晶界和位错的交互作用让316L不锈钢拥有优异的综合力学性能。以纳米晶为基体的316L不锈钢不但容纳可观的塑性变形，同时还可以增强材料的耐腐蚀能力、加工硬化能力，达到提高316L不锈钢综合性能的目的。
本发明技术方案是这样实现的：
本发明耐腐蚀高强度316L不锈钢的制备方法具体步骤如下：
(1)将316L不锈钢在真空管式炉加热到1100℃，保温1h后取出迅速置于5％NaCl溶液中冷却；
将真空管式炉内保温处理后的316L不锈钢置于5％NaCl溶液冷却，冷却速度较快，更有利于得到过饱和固溶体。
(2)对经步骤(1)处理过的316L不锈钢进行低温轧制，每道次压下量10％～15％，最终轧制变形量为40～80％，低温环境为液氮冷却，温度为-196℃；
本发明轧制变形量为40％～80％，且每道次压下量控制在10％～15％，在该实验参数下得到的样品组织更均匀且稳定；在液氮环境下轧制变形可以确保每一次的轧制试样温度均与液氮温度保持一致，减少内外温差对轧制变形后组织的影响，避免动态回复的发生。
(3)将经步骤(2)变形处理后的316L不锈钢进行6～72小时的深冷处理；
其中，深冷处理在液氮环境下，温度为-196℃；
本发明的316L不锈钢在液氮环境深冷处理后可以让变形后的残余奥氏体进一步转变成马氏体，有利于提高材料的力学性能；并且进一步细化晶粒，提高材料的尺寸稳定性。
深冷时间低于6小时马氏体转变不明显，性能达不到要求。深冷时间超过72小时后，硬度急剧下降，因为材料内部发生马氏体脆化，所以本发明的深冷时间为6～72小时。
(4)将经步骤(3)深冷处理后的316L不锈钢进行真空下(氩气)500～800℃的0.5～4小时时效处理。
本发明的316L不锈钢经过时效处理后可以消除残余应力，稳定钢材组织与尺寸。经过时效处理后，会析出大量细小弥散的碳化物，提高材料的强度与硬度。
本发明方法得到的耐腐蚀高强度316L不锈钢是一种新型微观组织结构—纳米孪晶、纳米晶及超细晶的复合组织，在纳米晶基体上分布着纳米孪晶与微米晶的复合组织。
316L不锈钢组织中以大量纳米晶为基体，纳米晶晶粒尺寸≤80nm，纳米晶体积百分数50～70％。
纳米晶基体上分布着纳米孪晶以及微米晶，纳米孪晶尺寸≤100nm，体积百分数15～25％，微米晶粒尺寸≤100μm，体积百分数10％～35％。
所述316L不锈钢平均晶粒尺寸≤200nm，硬度450～500Hv，抗拉强度达1200MPa～1400MPa。
所述不锈钢在5％NaCl溶液中浸泡60天仍保持良好的耐蚀，点蚀电位E0＞-0.4V。
本发明在轧制变形的基础上，通过上述的制备工艺，将液氮低温轧制与深冷处理工艺相结合，并通过时效处理得到本发明组织的316不锈钢，并且进一步提高材料的强度与硬度。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明所提出的一种316L不锈钢新型组织，以纳米晶为基体，基体上分布着纳米孪晶与微米晶。经过低温轧制变形，晶粒细化至纳米级，316L不锈钢的强度得到明显改善。由于纳米孪晶界阻碍了位错的运动，纳米孪晶界与位错反应并塞积位错提高加工硬化能力。显示纳米尺度的孪晶组织在明显提高材料强度的同时，还能保持优异的韧性，改变了材料强度-断裂韧性的倒置关系，具有良好的工程应用前景。另外，大量的纳米孪晶界，在保证材料高强度的同时使得其耐蚀性也得到提高，这得益于孪晶-位错的特殊交互作用。
(2)本发明工艺方法符合环境友好概念，生产成本相对较低，可重复性生产，经济适用性强。
附图说明
图1为所实施例制得不同变形量的316L样品与标准316L不锈钢固溶后在3.5％NaCl溶液中的极化曲线；
图2为标准316L不锈钢固溶后在5％NaCl溶液中浸泡60天的形貌图；
图3为实施例1在5％NaCl溶液中浸泡60天的形貌图；
图4为实施例2在5％NaCl溶液中浸泡60天的形貌图；
图5为实施例3在5％NaCl溶液中浸泡60天的形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
将316L不锈钢在真空管式炉加热到1100℃，保温1h后取出后迅速置于5％NaCl溶液中冷却至室温，随后在液氮环境下进行40％变形量的轧制处理，在液氮设备中浸泡48h进行深冷处理，最后在500℃下真空时效4h。经X射线衍射技术和透射电镜表征，制备所得的316L不锈钢合金相组成，材料以纳米孪晶为主，由一定成分的纳米晶及微米晶组成的复相材料。平均晶粒尺寸200nm，纳米晶平均晶粒尺寸80nm，纳米晶体积百分数50％。纳米晶基体上分布着纳米孪晶以及微米晶，纳米孪晶平均尺寸100nm，体积百分数15％；微米平均晶粒尺寸70μm，体积百分数35％。该方法制备的316L不锈钢点蚀电位-0.37V，在5％NaCl溶液中浸泡60天仍保持良好的耐蚀性。显微硬度450Hv，抗拉强度1200MPa。
实施例2
将316L不锈钢在真空管式炉加热到1100℃，保温1h后取出后迅速置于5％NaCl溶液中冷却至室温，随后在液氮环境下进行60％变形量的轧制处理，在液氮设备中浸泡24h进行深冷处理，最后在500℃下真空时效2h。经X射线衍射技术和透射电镜表征，制备所得的316L不锈钢合金相组成，材料以纳米孪晶为主，是由一定成分的纳米晶及微米晶组成的复相材料。平均晶粒尺寸190nm，纳米晶平均晶粒尺寸70nm，纳米晶体积百分数60％。纳米晶基体上分布着纳米孪晶以及微米晶，纳米孪晶平均尺寸90nm，体积百分数15％；微米平均晶粒尺寸70μm，体积百分数25％。该方法制备的316L不锈钢，点蚀电位-0.36V，在5％NaCl溶液中浸泡60天仍保持良好的耐蚀性。显微硬度达470Hv，抗拉强度1300MPa。
实施例3
将316L不锈钢在真空下固溶处理后迅速置于5％NaCl溶液中冷却至室温，随后在液氮环境下进行80％变形量的轧制处理，在液氮设备中浸泡12h进行深冷处理，最后在500℃下真空时效1h。经X射线衍射技术和透射电镜表征，制备所得的316L不锈钢合金相组成，材料以纳米孪晶为主，是由一定成分的纳米晶及微米晶组成的复合材料。平均晶粒尺寸180nm，纳米晶平均晶粒尺寸60nm，纳米晶体积百分数70％。纳米晶基体上分布着纳米孪晶以及微米晶，纳米孪晶平均尺寸80nm，体积百分数20％；微米平均晶粒尺寸70μm，体积百分数10％。该方法制备的316L不锈钢，点蚀电位-0.35V，在5％NaCl溶液中浸泡60天仍保持良好的耐蚀性。显微硬度达500Hv，抗拉强度1400MPa。
从图1看出经过本发明制备工艺加工以后，316L不锈钢在在3.5％NaCl溶液中点蚀电位升高，对应的耐蚀性得到改善；从图2看出，316L不锈钢在5％NaCl溶液中浸泡60天后表面产生了大量点蚀，图3～图5经过本发明制备工艺加工以后，316L不锈钢表面点蚀数量降低，对应耐蚀性得到改善。
对比实施例1
将316L不锈钢在真空下固溶处理后迅速置于5％NaCl溶液中冷却至室温，随后在液氮环境下进行80％变形量的轧制处理，最后在500℃下真空时效1h。经X射线衍射技术和透射电镜表征，制备所得的316L不锈钢合金相组成，材料以纳米孪晶为主，是由一定成分的纳米晶及微米晶组成的复合材料。平均晶粒尺寸328nm，纳米晶平均晶粒尺寸226nm，纳米晶体积百分数60％。纳米晶基体上分布着纳米孪晶以及微米晶，纳米孪晶平均尺寸185nm，体积百分数5％，微米平均晶粒尺寸95μm，体积百分数35％。该方法制备的316L不锈钢，显微硬度达390Hv，抗拉强度1015MPa。
对比实施例2
将316L不锈钢在真空下固溶处理后迅速置于水中冷却至室温，随后在液氮环境下进行80％变形量的轧制处理，在液氮设备中浸泡12h进行深冷处理，最后在500℃下真空时效1h。经X射线衍射技术和透射电镜表征，制备所得的316L不锈钢合金相组成，材料以纳米孪晶为主，是由一定成分的纳米晶及微米晶组成的复合材料。平均晶粒尺寸189nm，纳米晶平均晶粒尺寸68nm，纳米晶体积百分数62％。纳米晶基体上分布着纳米孪晶以及微米晶，纳米孪晶平均尺寸81nm，体积百分数14％，微米平均晶粒尺寸77μm，体积百分数24％。显微硬度达475Hv，抗拉强度1325MPa。
对比实施例3
将316L不锈钢在真空下固溶处理后迅速置于3％NaCl溶液中冷却至室温，随后在液氮环境下进行80％变形量的轧制处理，在液氮设备中浸泡12h进行深冷处理，最后在500℃下真空时效1h。经X射线衍射技术和透射电镜表征，制备所得的316L不锈钢合金相组成，材料以纳米孪晶为主，是由一定成分的纳米晶及微米晶组成的复合材料。平均晶粒尺寸186nm，纳米晶平均晶粒尺寸67nm，纳米晶体积百分数66％。纳米晶基体上分布着纳米孪晶以及微米晶，纳米孪晶平均尺寸84nm，体积百分数17％；微米平均晶粒尺寸75μm，体积百分数17％。显微硬度达480Hv，抗拉强度1360MPa。
对比实施例4
将316L不锈钢在真空下固溶处理后迅速置于5％NaCl溶液中冷却至室温，随后在室温环境下进行80％变形量的轧制处理，在液氮设备中浸泡12h进行深冷处理，最后在500℃下真空时效1h。经X射线衍射技术和透射电镜表征，制备所得的316L不锈钢合金相组成，材料以纳米孪晶为主，是由一定成分的纳米晶及微米晶组成的复合材料。平均晶粒尺寸193nm，纳米晶平均晶粒尺寸73nm，纳米晶体积百分数61％。纳米晶基体上分布着纳米孪晶以及微米晶，纳米孪晶平均尺寸77nm，体积百分数12％；微米平均晶粒尺寸79μm，体积百分数27％。显微硬度达470Hv，抗拉强度1300MPa。
所述实施例仅用于解释本发明的发明构思，并非对本发明权利保护的限定，在不背离本发明的实质内容的情况下,本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进，均应在本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种耐腐蚀高强度316L不锈钢的制备方法，其特征在于：所述制备方法具体步骤如下：
(1)将316L不锈钢在真空管式炉中加热到1100℃，保温1h后取出迅速置于5％NaCl溶液中冷却；
(2)对经步骤(1)处理过的316L不锈钢进行低温轧制，每道次压下量10％～15％，最终轧制变形量为40～80％，低温环境为液氮冷却，温度为-196℃；
(3)将经步骤(2)变形处理后的316L不锈钢进行6～72小时的深冷处理；
(4)将经步骤(3)深冷处理后的316L不锈钢进行真空下500～800℃的0.5～4小时时效处理。
2.一种根据权利要求1所述方法制备的耐腐蚀高强度316L不锈钢，其特征在于：所述不锈钢具有微观组织结构—纳米孪晶、纳米晶及超细晶的复合组织，在纳米晶基体上分布着纳米孪晶与微米晶的复合组织。
3.根据权利要求2所述的耐腐蚀高强度316L不锈钢，其特征在于：所述316L不锈钢基体组织存在纳米晶，纳米晶晶粒尺寸≤80nm，纳米晶体积百分数50～70％。
4.根据权利要求2所述的耐腐蚀高强度316L不锈钢，其特征在于：所述316L不锈钢纳米晶基体上分布着纳米孪晶以及微米晶，纳米孪晶尺寸≤100nm，体积百分数15～25％，微米晶晶粒尺寸≤100μm，体积百分数10％～35％。
5.根据权利要求2所述的耐腐蚀高强度316L不锈钢，其特征在于：所述316L不锈钢平均晶粒尺寸≤200nm，硬度450～500Hv，抗拉强度达1200MPa～1400MPa。
6.根据权利要求2所述的耐腐蚀高强度316L不锈钢，其特征在于：所述不锈钢在5％NaCl溶液中浸泡60天仍保持良好的耐蚀，点蚀电位E0＞-0.4V。
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