CN111363983A - 一种超高强韧性超级马氏体不锈钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及油管用第三代先进高强度钢领域，公开了一种超高强韧性超级马氏体不锈钢及其制备方法，该不锈钢化学成分质量百分比为：C：≤0.03％、Cr：12.5～13.5％、Ni：4.8～5.2％、Mo：0.65～0.75％、Mn：1.8～2.2％、Si：0.25～0.35、P：<0.01、S：<0.01、N：0.3～0.4％、V：0.05～0.07％，余量为铁和不可避免的杂质。本发明在传统超级马氏体不锈钢的成分基础上，增添N、V和Mn元素，采用室温淬火‑配分工艺，最终获得抗拉强度≥1210MPa，断后延伸率≥33％，强塑积≥42GPa·％的超高强韧性超级马氏体不锈钢。且该制备方法简单易行，成本较低。

Description

一种超高强韧性超级马氏体不锈钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及油管用第三代先进高强度钢领域，具体涉及一种超高强韧性超级马氏体不锈钢及其制备方法。
背景技术
随着能源需求的大幅增加，我国油气勘探和开采不断向深井、超深井的油气田发展。由此所带来的一个突出问题是采用的油气管线用不锈钢必须满足深井、超深井下苛刻工况条件的使用性能需求。因此，研究开发具有超高强韧性能和优良耐腐蚀性能，同时具有良好成型性和焊接性能的深井、超深井用油气管线用新材料是非常重要的。
超级马氏体不锈钢由于超低碳的原因，其耐腐蚀性能和焊接性能得到很大改善，近年来逐渐在油气输送管道领域中得到了很好的应用。为保证超级马氏体不锈钢能够在深井、超深井苛刻工况条件下得到应用，需在保证拥有良好成型性和焊接性的同时，还需提高其强韧性能。Q&P工艺是提高强韧性的有效热处理手段，该工艺由美国学者Speer教授在2003年首次提出，即基于对碳在马氏体与残余奥氏体混合组织中再分配规律的重新认识，通过淬火-配分工艺实现C元素从马氏体向残余奥氏体的扩散，在室温下得到一定体积分数的亚稳奥氏体，亚稳奥氏体在变形过程中发生TRIP效应，从而获得良好的强度和塑性配合。由于超级马氏体不锈钢含碳量极低，在进行淬火-配分热处理时，C的配分效果并不明显，即淬火-配分工艺并不适合传统超级马氏体不锈钢。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种超高强韧性超级马氏体不锈钢及其制备方法，本发明采用合理的化学成分设计，通过淬火-配分工艺制备超高强韧性钢种，解决了由于超级马氏体不锈钢含碳量极低，在进行淬火-配分热处理时，C的配分效果并不明显，即淬火-配分工艺并不适合传统超级马氏体不锈钢的缺陷。
本发明采用的技术方案如下：
一种超高强韧性超级马氏体不锈钢，以质量百分数计，其化学成分包括：
C：≤0.03％，Cr：12.5％～13.5％，Ni：4.8％～5.2％，Mo：0.65％～0.75％，Mn：1.5％～2.5％，Si：0.25％～0.35，P：<0.01％，S：<0.01％，N：0.3％～0.4％，V：0.05％～0.07％，余量为铁和杂质。
一种超高强韧性超级马氏体不锈钢的制备方法，包括如下过程：
根据本发明超高强韧性超级马氏体不锈钢化学成分进行冶炼，得到坯件；
对坯件进行淬火-配分热处理，得到所述超高强韧性超级马氏体不锈钢；
进行淬火-配分热处理时，将坯件升温至1000～1100℃，保温300～600s，然后通过水淬降温至室温，然后加热至350～450℃并进行保温，保温时间为2～40min，之后再水淬至室温。
优选的：
对所述坯件先进行锻造和热轧，之后再进行淬火-配分热处理。
优选的：
锻造时，将坯料加热升温至1150～1200℃，保温60～90min后进行锻造。
优选的：
热轧时，将锻件升温至1200～1250℃，保温60～90min后，热轧至厚度为4～5mm的板材。
与现有工艺相比，本发明具有如下优点：
本发明超高强韧性超级马氏体不锈钢，为保证超级马氏体不锈钢能够通过淬火-配分工艺提高其强韧性能，本发明超高强韧性超级马氏体不锈钢中添加有氮、钒、锰元素，以实现以氮代碳的配分作用，在配分温度的驱动力下，氮会从马氏体扩散到残余奥氏体中，以及马氏体/奥氏体边界处。边界处高含量的氮会导致逆变奥氏体的形成，从而强韧性提高。本发明的超高强韧性超级马氏体不锈钢中C：≤0.03％，其中碳含量仍维持在超低水平，因此本发明的超高强韧性超级马氏体不锈钢具有优异的焊接性。
本发明超高强韧性超级马氏体不锈钢的加工方法，采用淬火-配分热处理工艺提高了高超高强韧性超级马氏体不锈钢的强韧性；进行淬火-配分热处理时，将坯件升温至1000～1100℃，保温300～600s，然后通过水淬降温至室温，此时组织为板条马氏体和残余奥氏体。然后加热至350～450℃并进行保温，保温时间为2～40min，由于氮在马氏体中的扩散速率大于在奥氏体中的扩散速率，所以在此温度下氮会在马氏体-奥氏体界面富集，为逆变奥氏体的形成提供了高的局部驱动力。最后水淬至室温，钢中组织为板条马氏体+残余奥氏体+逆变奥氏体。
进一步的，对所述坯件先进行锻造和热轧，之后再进行淬火-配分热处理，本发明中的淬火-氮配分取代了传统碳配分工艺，使得Q&P工艺在超级马氏体不锈钢中得到了应用。
附图说明
图1为本发明淬火-配分热处理步骤工艺流程图。
图2为本发明实施例1的EBSD组织照片。
图3为本发明实施例2的EBSD组织照片。
图4为本发明实施例3的EBSD组织照片。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不受实施案例所限。
本发明超高强韧性超级马氏体不锈钢以化学质量百分比计，其化学成分包括：C≤0.03％、Cr 12.5％～13.5％、Ni 4.8％～5.2％、Mo 0.65％～0.75％、Mn 1.5％～2.5％、Si0.25％～0.35、P<0.01％、S<0.01％、N 0.3％～0.4％、V 0.05％～0.07％，余量为铁和不可避免的杂质。
本发明在传统超级马氏体不锈钢的成分基础上，添加N、V、Mn元素，并采用淬火-配分热处理工艺，实现氮元素的配分作用，使得钢中碳含量维持在超低水平。在保证超级马氏体不锈钢优异焊接性的同时，并显著提高强韧性能。
进行淬火-配分热处理时：将本发明具有上述合金成分的合金材料升温至1000～1100℃，保温300～600s，然后通过水淬降温至室温，然后在350～450℃保温，保温时间为2～40min，最后水淬至室温。
作为本发明优选的实施方案，对所述坯件先进行锻造和热轧，之后再进行淬火-配分热处理，具体的：
根据本发明超高强韧性超级马氏体不锈钢化学成分进行冶炼，得到坯料；
对冶炼完成后坯料随炉升温至1150～1200℃，保温60～90min后进行锻造，得到厚度为30～50mm的锻板；对锻板进行热轧，锻板升温至1200～1250℃，保温60～90min后多次轧制至厚度4～5mm。
淬火-配分热处理后钢板具有如下组织：板条马氏体、残余奥氏体和薄膜状逆变奥氏体，以相对于全部组织的面积统计：板条马氏体含量为70～75％，残余奥氏体+逆变奥氏体含量为20～25％。得到的超高强韧性超级马氏体不锈钢的抗拉强度≥1210MPa，断后延伸率≥33％，强塑积≥42GPa·％。
本发明控制C元素含量在≤0.03％，C元素在超级马氏体不锈钢中含量极低，极低的C含量使其焊接性能优异，耐蚀性能也得到很大改善。C元素是传统淬火-配分工艺中最重要的元素，但是超级马氏体不锈钢中C含量极低，进行淬火-配分处理后性能提升不明显。
本发明控制Cr元素含量在12.5％～13.5％，Cr是不诱钢中最重要的合金元素，对耐烛性起着决定作用。使铁基固溶体的电极电位呈跳跃式地提高。在氧化性介质中，随铬含量增加，金属表面可以形成致密的氧化膜，起强烈的纯化作用。
本发明控制Ni元素含量在4.8％～5.2％，Ni能有效地降低晶体点阵中的位错运动抗力和位错与间隙原子之间交互作用的能量，促进应力松弛，从而减少脆性断裂的倾向。是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素，它降低马氏体转变温度，增加其萍透性，含量的增加会降低、在奥氏体中的溶解度，从而使碳氮化合物脱溶倾向增强，提高不绣钢晶间腐烛敏感性。
本发明控制Mo元素含量在0.65％～0.75％，Mo是铁素体形成元素和强碳化物形成元素。当其含量较低时，形成复合的渗碳体，含量较高时，则形成特殊碳化物。在较高温度回火，由于特殊碳化物弥散分布，所以还有二次硬化作用，能提高不锈钢的强度、韧性和回火稳定性。Mo和Cr配合使用，可显著提高钢的淬透性并抑制或降低回火脆性，提高钢的热强性和蠕变强度。
本发明控制Mn元素含量在1.5％～2.5％，Mn元素会降低钢的Ms点，延迟铁素体和珠光体的形成，扩大奥氏体区范围，从而使残余奥氏体含量增多，改善钢的强度。Mn元素还是有效的固溶强化元素之一，可有效提高淬透性，同时Mn元素还可以细化马氏体板条和奥氏体晶粒。
本发明控制Si元素含量在0.25％～0.35％，Si元素可以扩大α+γ相区，同时还可以通过固溶强化来提高产品的强度和冷加工变形硬化率。但是Si元素添加过量会增加产生裂纹的可能性。
本发明控制P、S元素含量在<0.01％，P、S为残留元素，P易造成钢板中心偏析，严重破坏钢的冲击韧性，且存在二次加工脆性，不利于钢板的热加工及焊接性；S易与Mn形成非金属夹杂物，使钢板的冷弯和扩孔性能下降，故两者均应尽量控制在较低水平。
本发明控制N元素含量在0.3％～0.4％，氮元素的加入能够扩大γ相区，是一种很强的形成和稳定奥氏体的元素，在α-Fe和γ-Fe中的最大溶解度分别为0.1％～2.8％。它在钢中不形成碳化物，而是与其它元素形成氮化物，如NbN等。由于氮化物在晶界上的析出而使晶界高温强度提高，从而増加了钢的蠕变强度。钢经渗氮后，可增加表层的硬度、强度、耐磨性及抗蚀性。氮与其它合金元素化合，有沉淀硬化作用，并有一定的固溶强化和提高淬透性作用。氮在马氏体不锈钢中以间隙原子形式存在，这对马氏体不锈钢的强度有很大的影响。
本发明控制V元素含量在0.05％～0.07％，钒对氮的亲和力高于铬，两者可形成间隙化合物NV，可有效防止Cr2N生成引起耐蚀性的下降，氮钒化合物的生成还可以提高其强度。
图1为本发明淬火-配分热处理步骤工艺流程图。铸坯的主要化学成分(wt.％)如表1所示。
表1
Figure BDA0002448762880000061
实施例1
根据表1所述的化学成分进行冶炼，对冶炼完成后坯料随炉升温至1150℃，保温60min后进行锻造，得到厚度为30mm的锻板，对锻板进行热轧，锻板升温至1200℃，保温60min后多次轧制至厚度4mm。
对上述轧板进行淬火-配分热处理：将钢板升温至1000℃，保温300s，然后通过水淬降温至室温，然后在350℃保温，保温时间为2min，最后水淬至室温。
图2为实施例1所述钢材组织的EBSD照片，组织由马氏体和奥氏体组成。如图2所示，白色箭头标注的灰色组织为块状奥氏体，黑色圆圈内条状的灰色组织为薄膜状奥氏体，其余部分为板条马氏体组织。块状奥氏体为淬火至室温时的残余奥氏体，薄膜状奥氏体为配分过程中形成的逆变奥氏体，由于是在氮元素扩散而导致的高驱动力下形成的，所以逆变奥氏体中氮含量高于残余奥氏体，即逆变奥氏体的稳定性高于残余奥氏体。在机械拉伸过程中，稳定性不同的奥氏体发生着更为连续的TRIP行为，引起强韧性的提升。而且逆变奥氏体位于马氏体-马氏体和马氏体-奥氏体界面处，呈现一种焊缝形式，可以防止裂纹从马氏体晶粒渗透到另一个马氏体晶粒中，这也有效的提升了其强韧性能。该材料力学性能测试断后伸长率达到35.13％，抗拉强度达到1214MPa，强塑积达到42.647GPa·％。
实施例2
根据表1所述的化学成分进行冶炼，对冶炼完成后坯料随炉升温至1170℃，保温70min后进行锻造，得到厚度为30mm的锻板，对锻板进行热轧，锻板升温至1230℃，保温70min后多次轧制至厚度4.5mm。
对上述轧板进行淬火-配分热处理：将钢板升温至1050℃，保温400s，然后通过水淬降温至室温，然后在400℃保温，保温时间为20min，最后水淬至室温。
图3为实施例2所述钢材组织的EBSD照片，组织由马氏体和奥氏体组成。如图3所示，白色箭头标注的灰色组织为块状奥氏体，黑色圆圈内条状的灰色组织为薄膜状奥氏体，其余部分为板条马氏体组织。块状奥氏体为淬火至室温时的残余奥氏体，薄膜状奥氏体为配分过程中形成的逆变奥氏体，由于是在氮元素扩散而导致的高驱动力下形成的，所以逆变奥氏体中氮含量高于残余奥氏体，即逆变奥氏体的稳定性高于残余奥氏体。在机械拉伸过程中，稳定性不同的奥氏体发生着更为连续的TRIP行为，引起强韧性的提升。而且逆变奥氏体位于马氏体-马氏体和马氏体-奥氏体界面处，呈现一种焊缝形式，可以防止裂纹从马氏体晶粒渗透到另一个马氏体晶粒中，这也有效的提升了其强韧性能。该材料力学性能测试断后伸长率达到34.06％，抗拉强度达到1235MPa，强塑积达到42.064GPa·％。
实施例3
根据表1所述的化学成分进行冶炼，对冶炼完成后坯料随炉升温至1200℃，保温90min后进行锻造，得到厚度为30mm的锻板，对锻板进行热轧，锻板升温至1250℃，保温90min后多次轧制至厚度5.0mm。
对上述轧板进行淬火-配分热处理：将钢板升温至1100℃，保温600s，然后通过水淬降温至室温，然后在450℃保温，保温时间为40min，最后水淬至室温。
图4为实施例3所述钢材组织的EBSD照片，组织由马氏体和奥氏体组成。如图4所示，白色箭头标注的灰色组织为块状奥氏体，圆圈内条状的灰色组织为薄膜状奥氏体，其余部分为板条马氏体组织。块状奥氏体为淬火至室温时的残余奥氏体，薄膜状奥氏体为配分过程中形成的逆变奥氏体，由于是在氮元素扩散而导致的高驱动力下形成的，所以逆变奥氏体中氮含量高于残余奥氏体，即逆变奥氏体的稳定性高于残余奥氏体。在机械拉伸过程中，稳定性不同的奥氏体发生着更为连续的TRIP行为，引起强韧性的提升。而且逆变奥氏体位于马氏体-马氏体和马氏体-奥氏体界面处，呈现一种焊缝形式，可以防止裂纹从马氏体晶粒渗透到另一个马氏体晶粒中，这也有效的提升了其强韧性能。该材料力学性能测试断后伸长率达到33.91％，抗拉强度达到1265MPa，强塑积达到42.896GPa·％。

Claims (5)

1.一种超高强韧性超级马氏体不锈钢，其特征在于，以质量百分数计，其化学成分包括：
C：≤0.03％，Cr：12.5％～13.5％，Ni：4.8％～5.2％，Mo：0.65％～0.75％，Mn：1.5％～2.5％，Si：0.25％～0.35，P：<0.01％，S：<0.01％，N：0.3％～0.4％，V：0.05％～0.07％，余量为铁和杂质。
2.一种超高强韧性超级马氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，包括如下过程：
根据权利要求1所述的超高强韧性超级马氏体不锈钢的化学成分进行冶炼，得到坯件；
对坯件进行淬火-配分热处理，得到所述超高强韧性超级马氏体不锈钢；
进行淬火-配分热处理时，将坯件升温至1000～1100℃，保温300～600s，然后通过水淬降温至室温，然后加热至350～450℃并进行保温，保温时间为2～40min，最后水淬至室温。
3.根据权利要求2所述的一种超高强韧性超级马氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：
对所述坯件先进行锻造和热轧，之后再进行淬火-配分热处理。
4.根据权利要求3所述的一种超高强韧性超级马氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：
锻造时，将坯料加热升温至1150～1200℃，保温60～90min后进行锻造。
5.根据权利要求3所述的一种超高强韧性超级马氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：
在热轧时，将锻件升温至1200～1250℃，保温60～90min后，热轧至厚度为4～5mm的板材。
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