CN111519008B - 一种控制高氮低镍奥氏体不锈钢结构和性能梯度化的热处理方法 - Google Patents

一种控制高氮低镍奥氏体不锈钢结构和性能梯度化的热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种控制高氮低镍奥氏体不锈钢结构和性能梯度化的热处理方法，包括以下步骤：（1）将高氮低镍奥氏体不锈钢钢件放置真空炉内；（2）对真空炉进行抽气，将炉内气压降至‑0.05MPa，将炉内温度升至795‑805℃进行5min的预热；然后进行第二段升温，升至1150‑1170℃进行保温，保温时间为120‑360min；（3）保温结束后，将钢件快速取出，先以100‑150℃/min的冷却速度迅速冷却到495‑505℃，然后继续以20‑30℃/min的冷却速度冷却到室温，完成热处理。本发明方法先进科学，可实现并控制高氮低镍奥氏体不锈钢结构和性能梯度化的热处理。

Description

一种控制高氮低镍奥氏体不锈钢结构和性能梯度化的热处理 方法
技术领域
本发明涉及一种控制高氮低镍奥氏体不锈钢结构和性能梯度化的热处理方法，属于钢件热加工技术领域。
背景技术
全球每年因腐蚀而损坏的金属构件占生产总量的5%，其中有30%无法回收。不锈钢的使用、研究与发展一直受到各行各业的广泛关注。
按显微组织的不同，通常可以将不锈钢分为铁素体型不锈钢、马氏体型不锈钢、奥氏体型不锈钢以及双相不锈钢。它们的性能各有差异，其中以性能高、加工性能好的奥氏体型不锈钢的使用最为广泛。
奥氏体不锈钢是一种高铬镍钢。其中镍是一种昂贵的战略资源，其大量的使用受到了制约。因此，低镍或无镍奥氏体的研发引起了广泛的关注。以少量的氮（0.7-1.0%）代替8-10%镍的高氮低镍不锈钢目前已经研发成功，然而其抗还原性介质的腐蚀能力较差、机加工能力有待提高，特别是钢材在热轧空冷状态下易存在δ相和氮化物。
不锈钢工件中的断裂、腐蚀等失效通常从表面开始。若对就已经加工成型的高氮低镍奥氏体制件不锈钢进行科学有效的加工处理，使表层形成高强度、高抗腐蚀的相结构，次层形成高塑性的单相组织结构，心部依旧为原始状态组织结构，将可大幅度提高其承受更为恶劣的服役腐环境的能力，提高其使用范围和档次。
本发明采用一种热处理方法能够实现并控制上述梯度结构和性能，在工艺并不复杂的基础之上，具有新颖性（目前尚无这样的工艺）、先进性（改善提高前工件所没有的结构和性能）和实用性（具有广泛应用前景）。
发明内容
本发明的目的就是针对上述存在的问题，提供一种控制高氮低镍奥氏体不锈钢结构和性能梯度化的热处理方法。
本发明的目的是这样实现的，一种控制高氮低镍奥氏体不锈钢结构和性能梯度化的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将高氮低镍奥氏体不锈钢钢件放置真空炉内；
（2）对真空炉进行抽气，将炉内气压降至-0.05MPa，将炉内温度升至795-805℃进行5min的预热；然后进行第二段升温，升至1150-1170℃进行保温，保温时间为120-360min；
（3）保温结束后，将钢件快速取出，先以100-150℃/min的冷却速度迅速冷却到495-505℃，然后继续以20-30℃/min的冷却速度冷却到室温，完成热处理。
步骤（2）中，保温分为三个阶段：
第一阶段：保温时间为总预设时长的三分之一，为40-120mim；
第二阶段：将炉内气压调至-0.1MPa，保温时间为总预设时长的三分之一，为40-120mim；
第三阶段：将炉内气压继续下降，下降至-0.2MPa，保温时间为总预设时长的三分之一，为40-120mim。
第一阶段中，保温过程的压力P1= -0.05MPa；
第二阶段中，保温过程的压力P2= -0.1MPa；
第三阶段中，保温过程的压力P3= -0.2MPa。
本发明方法先进科学，基于不锈钢中的体心立方晶格的高铬δ相的抗蚀性优于面心立方晶格的γ相，而高氮低镍奥氏体不锈钢中的氮是保证具有奥氏体（γ相）的主要元素。本发明利用脱氮作用发生由奥氏体向铁素体相变以及氮的扩散均匀化来设计的。本发明提供了一种高氮无镍奥氏体不锈钢表面脱氮的方法，即真空脱氮热处理，主要控制参数如下：
脱氮温度：1150-1170ºC。高温有利于增加了氮在钢中的扩散和脱氮速度，但温度过高会引起晶粒长大，引起粗化，降低力学性能。
整个保温过程分为三个阶段，这三个阶段对应的真空炉气压依次为-0.05MPa、-0.1MPa、-0.2MPa，每个阶段的保温时间皆为预设时间的三分之一。
此举可防止钢件氧化（氧化膜会阻碍脱氮），负压下加热有利于氮从钢中脱溶形成氮气（N+N→N2）进入炉气。
炉气中的氮势影响钢件表面相的氮含量，在真空加热条件下，炉中的氮势接近于零，因此表面相的氮含量也接近于零。
加热保温时间也是影响表层深度的主要控制因素。时间越长，表层深度越深，各梯度层的厚度也加大。
高氮低镍奥氏体不锈钢经脱氮处理后，其组织由表及里为：柱状δ相层→等轴块状γ相→γ相基体加少量断条状δ相以及微量氮化物相。
本发明为控制高氮低镍奥氏体不锈钢结构和性能梯度化的热处理方法，即一种使高氮低镍奥氏体不锈钢制件实现表层结构性能梯度化并控制各层厚度的一种热处理，使制件由奥氏体加少量铁素体组成的显微组织转化成表层由柱状δ铁素体，次表层为等轴状γ奥氏体，内部为类似原始组织的多层显微结构。同时，提供了炉温、炉压以及炉气保温时间与各个组成相层厚度之间的关系，这种状态的出现是通过采用脱氮方法，控制氮的逆向扩散而获得的。
附图说明
图1为本发明的高氮低镍奥氏体不锈钢钢件梯度结构形成的工艺热处理工艺图。
图2为本发明所使用的原始材料显微组织放大100倍图；
图3为本发明所使用的原始材料显微组织放大200倍图；
图4为采用本发明工艺加工后获得的多层结构的显微组织放大100倍图；
图5为采用本发明工艺加工后获得的多层结构的显微组织放大200倍图；
图6为在本发明工艺下，不同参数下的高氮低镍奥氏体不锈钢铁素体层厚度。
图7为在P=0MPa的状态下，试样1160℃保温240min后的放大500倍纵截面显微组织和表层单相铁素体放大200倍的显微组织。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
真空电阻炉进行加热，调节炉内气压，首先达到压力P=-0.05MPa，采用首先预热到795-805℃停留较短时间约为5min，然后升温到设定温度1150-1170℃的加热方式。
将高氮低镍奥氏体不锈钢工件快速推入到加热炉中进行加热保温，等待温度稳定回升到1150-1170℃开始计保温时间。保温时间为预设总保温时间的三分之一，约为40-120min。
调节炉内气压，将压力降至P=-0.1MPa，这一段保温时间为预设总保温时间的三分之一，约为40-120min。
继续对炉内气压调节，将压力降至P=-0.2MPa，这一段保温时间为预设总保温时间的三分之一，约为40-120min。
在加热炉中热处理完后，快速取出工件，以100-150℃/min速度迅速冷却到495-505℃，然后继续以20-30℃/min速度冷却到室温。
实例1：零件编号#1
不改变气压，在P=0MPa的状态下，将试样于1160℃进行保温240min后，Cr18Mn20Mo2N0.7高氮低镍奥氏体不锈钢表面出现了柱状单相δ铁素体层，见图7(a)和(b)。与原始样相比，条带状的铁素体中指纹状的氮化物消失，从图7（b）中可以看出单相δ铁素体层的晶粒较为粗大。
实例2：零件编号#2
不改变气压，在P=0MPa的状态下，将试样于1160℃进行保温120、240min、360min后，得到了不同厚度的单相δ铁素体层，其数值分别为45.9μm、90.5μm、117.4μm。单相δ铁素体层的厚度随着固溶时间的延长而增加，如图4黑色方块数据所示。
实例3：零件编号#3
采用本发明工艺，与P=0MPa的钢件进行对比，两者都得到了不同厚度的单相δ铁素体层，表明在低的压力下，δ单相铁素体层厚度有所增加，其数值分别为57.5μm、94.5μm、141.5μm。如图4黑色圆形数据所示。也就说明通过不同阶段的调节气压，可以获得所设计的表层层厚。

Claims (2)

1.一种控制高氮低镍奥氏体不锈钢结构和性能梯度化的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将高氮低镍奥氏体不锈钢钢件放置真空炉内；
（2）对真空炉进行抽气，将炉内气压降至-0.05MPa，将炉内温度升至795-805℃进行5min的预热；然后进行第二段升温，升至1150-1170℃进行保温，保温时间为120-360min；
（3）保温结束后，将钢件快速取出，先以100-150℃/min的冷却速度迅速冷却到495-505℃，然后继续以20-30℃/min的冷却速度冷却到室温，完成热处理；
步骤（2）中，保温分为三个阶段：
第一阶段：保温时间为总预设时长的三分之一，为40-120mim；
第二阶段：将炉内气压调至-0.1MPa，保温时间为总预设时长的三分之一，为40-120mim；
第三阶段：将炉内气压继续下降，下降至-0.2MPa，保温时间为总预设时长的三分之一，为40-120mim。
2.根据权利要求1所述的一种控制高氮低镍奥氏体不锈钢结构和性能梯度化的热处理方法，其特征在于，
第一阶段中，保温过程的压力P1= -0.05MPa；
第二阶段中，保温过程的压力P2= -0.1MPa；
第三阶段中，保温过程的压力P3= -0.2MPa。
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