CN113088669A - 一种半奥氏体沉淀硬化不锈钢精密带钢提高表面硬度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高不锈钢精密带钢表面硬度的方法，依次包括：(1)对不锈钢精密带钢进行连续固溶热处理；(2)根据硬度级别进行冷轧处理；(3)将冷轧处理后的钢带冲压成零件，根据硬度级别进行沉淀硬化热处理。本发明的方法不仅大大减少了工序成本，提高了效率，提高了表面和板型质量，同时所生产的带钢的弹性极限显著提高。

Description

一种半奥氏体沉淀硬化不锈钢精密带钢提高表面硬度的方法
技术领域
本发明涉及不锈钢生产制造技术领域，具体涉及一种半奥氏体沉淀硬化不锈钢精密带钢提高表面硬度的方法。
背景技术
半奥氏体沉淀硬化不锈钢SUS631的成分体系为17Cr-7Ni-1Al，在固溶处理后其组织为奥氏体组织，具有良好的耐热、塑性和加工性能，利于复杂的成型加工，但这种奥氏体属于亚稳态组织，经过调整处理、深冷处理或冷加工，可以转变为马氏体，因而具有马氏体不锈钢的硬度和耐磨性。再经过沉淀硬化析出处理，析出沉淀硬化相进一步提高强度、硬度和弹性等。该材料兼有奥氏体和马氏体的优点，将热处理和成型工序相互配合，使成型和硬化两个工序有序衔接，可以在350℃下长期工作，是航空、航天、电子通讯、精密仪表等领域的结构件、精密薄壁零件的关键材料。
不锈精密带钢是指厚度≤0.5mm的不锈带钢，同时具有高精度尺寸公差、力学性能、表面粗糙度、光亮度、磁性、电阻等性能的产品，针对不同的行业需求制定产品的要求，精密带钢属于定制产品，而非大生产常规产品。近年来，随着消费类电子产品的轻量化、小型化发展趋势，对精密带钢的需求越来越广泛。弹片行业是精密带钢一大特色产品，主要采用冷轧硬化的方式进行生产，广泛应用于按键、弹簧、弹片等行业。
半奥氏体沉淀硬化不锈钢SUS631的热处理基本分为三个步骤，第一步为奥氏体化，采用固溶热处理的方法，第一步为马氏体化，目前主要采用调整处理和深冷处理，实现马氏体化后为下一步沉淀硬化处理打下良好的基础。第三步为沉淀相析出处理，采用低温时效的方法进一步提高材料的强度和硬度。这些方法的热处理工艺非常复杂，对于不锈精密带钢来说，表面和板型要求非常高，而这种多次热处理会导致表面及板型变差，而且成本也很高，能否开发出一种适合精密带钢的热处理方法满足下游用户的要求，代替目前复杂的热处理方法，同时提高硬度，解决存在的板型、表面问题是当前半奥氏体沉淀硬化不锈钢SUS631精密带钢首先要解决的难题。
发明内容
为了克服现有半奥氏体沉淀硬化不锈钢SUS631热处理过程中工艺复杂，存在的板型、表面及经济性等问题，本发明提供了一种半奥氏体沉淀硬化不锈钢精密带钢提高表面硬度的方法。
具体来说，本发明是通过如下技术方案实现的：
一种提高不锈钢精密带钢表面硬度的方法，依次包括：
(1)对不锈钢精密带钢进行连续固溶热处理；
(2)根据硬度级别进行冷轧处理；
(3)将冷轧处理后的带钢冲压成零件，根据硬度级别进行沉淀硬化热处理。
可选地，所述不锈钢精密带钢是牌号为SUS631的不锈钢精密带钢。
可选地，在步骤(1)中，连续固溶热处理在全氢气氛保护的光亮炉中进行，氢气的露点≤-55℃。
可选地，在步骤(1)中，连续固溶热处理的加热温度是1040～1060℃，保温时间以钢板的厚度计是2～3分钟/mm。
可选地，所述不锈钢精密带钢的硬度级别是1/2H态；
优选地，在步骤(2)中，冷轧总变形率是15～20％；
优选地，在步骤(3)中，沉淀硬化热处理的温度是480～490℃，保温时间以钢板的厚度计是0.5～1.5小时/0.1mm。
可选地，所述不锈钢精密带钢的硬度级别是3/4H态；
优选地，在步骤(2)中，冷轧总变形率是30～40％；
优选地，在步骤(3)中，沉淀硬化热处理的温度是470～480℃，保温时间以钢板的厚度计是0.5～1.5小时/0.1mm。
可选地，所述不锈钢精密带钢的硬度级别是H态；
优选地，在步骤(2)中，冷轧总变形率是50～55％；
优选地，在步骤(3)中，沉淀硬化热处理分两级进行；更优选地，第一级的温度是480～490℃，保温时间以钢板的厚度计是0.5～1.5小时/0.1mm，第二级的温度是470～480℃，保温时间以钢板的厚度计是0.5～1.5小时/0.1mm。
可选地，所述不锈钢精密带钢的硬度级别是EH态；
优选地，在步骤(2)中，冷轧总变形率是60～65％；
优选地，在步骤(3)中，沉淀硬化热处理分三级进行；更优选地，第一级的温度是480～490℃，保温时间以钢板的厚度计是0.5～1.5小时/0.1mm，第二级的温度是470～480℃，保温时间以钢板的厚度计是0.5～1.5小时/0.1mm，第三级的温度是460～470℃，保温时间以钢板的厚度计是0.5～1.5小时/0.1mm。
相比于现有技术，本发明的技术方案至少具有如下有益效果：
本发明的半奥氏体沉淀硬化不锈钢精密带钢提高表面硬度的方法不仅大大减少了工序成本，提高了效率，提高了表面和板型质量。同时所生产的产品的极限硬度HV由原来的不足400提高到580以上，弹性极限显著提高。
具体实施方式
为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。
目前，针对半奥氏体沉淀硬化不锈钢SUS631进行热处理的过程通常是“分条-冷轧-固溶处理-冷轧-固溶处理-调整处理-沉淀硬化处理-成型”工艺流程，但是，该工艺流程不仅存在过程复杂、成本高的问题，而且得到的产品的板型和表面质量差并且极限硬度低。
针对这些问题，发明人对工艺过程进行深入研究，从而创造性地提出了一种针对半奥氏体沉淀硬化不锈精密带钢SUS631的提高表面硬度的方法。
本发明针对半奥氏体沉淀硬化不锈钢SUS631热处理过程中存在的三个步骤，即，对不锈钢精密带钢进行连续固溶热处理；根据硬度级别进行冷轧处理；将冷轧处理后的带钢冲压成零件，根据硬度级别进行沉淀硬化热处理。本发明的方法通过“分条-冷轧-固溶处理-冷轧-成型-沉淀硬化处理”工艺流程，代替原“分条-冷轧-固溶处理-冷轧-固溶处理-调整处理-沉淀硬化处理-成型”工艺流程，利用亚稳态奥氏体的不稳定，在冷加工过程生成马氏体的特点，将材料成型和马氏体化两个步骤合二为一，解决了半奥氏体沉淀硬化不锈钢SUS631沉淀硬化热处理过程的板型、表面和经济性等问题。
具体地，本发明的提高表面硬度的方法包括如下步骤：
(1)对带钢进行连续固溶热处理，即奥氏体化热处理。
不锈钢精密带钢采用连续式固溶方法进行热处理，一般为在光亮炉中进行，包括开卷、加热、保温、冷却、收卷等五个步骤，光亮炉采用全氢气氛保护，氢气的露点≤-55℃，加热温度采用1050±10℃(即1040～1060℃)，以钢板温度为准，保温时间以钢板的厚度计是2～3分钟/mm(即保温时间＝钢板厚度×2～3分钟，钢板厚度的单位是毫米)，优选地保温时间以钢板的厚度计是3分钟/mm；然后冷却，例如采用快速风冷。
在本发明中，固溶热处理的目的是使组织中存在8～12％的铁素体组织，为下一步冷作硬化生成马氏体提供良好的基础保证。SUS631热轧态组织为纤维状组织，有长条状黑线，可能为碳化物析出。发明人通过研究发现，随着热处理温度的升高，碳化物逐渐熔断成不连续的点状，到1050℃后，碳化物析出基本消除，溶入基体中，铁素体比例是10％左右。1100-1150℃后晶粒尺寸达到40-50μm，发生晶粒粗大，铁素体比例降低为1％，说明温度已经偏高。因此，在本发明中，将固溶热处理的温度选择为1050±10℃，保温时间选择为每1mm厚度3分钟。
(2)冷轧处理，即马氏体化处理
与常规调整热处理和深冷处理不同，精密带钢采用亚稳态奥氏体不锈钢冷变形形成马氏体的特点，利用冷轧变形，使材料组织全部或部分转变为马氏体。在本发明中，对半奥氏体沉淀硬化不锈精密带钢SUS631采用15-65％的总冷变形，道次变形率为15-25％，最后一个道次10-15％。具体的道次数根据硬度要求来确定，硬度越高，需要的变形率越大，道次也就越多。具体的道次数例如是一个道次、两个道次、三个道次，甚至更多的。在实际生产中，本领域技术人员可以根据生产需要和具体的硬度要求来选择合适的道次数，此处不做赘述。
在本发明中，冷轧处理的总变形率根据半奥氏体沉淀硬化不锈精密带钢SUS631的硬度级别来设定，具体是：
序号 硬度级别 成品硬度要求HV 冷轧总变形率％ 轧后硬度HV
1 1/2H态 ≥380 15-20 ≥350
2 3/4H态 ≥450 30-40 ≥400
3 H态 ≥530 50-55 ≥450
4 EH态 ≥560 60-65 ≥480
上表中的1/2H、3/4H、H、EH是冷硬态产品的硬度级别，根据硬度值范围来划分的。具体可参照JIS 4313。
在前面固溶热处理后形成亚稳态奥氏体的基础上，采用冷加工变形促进马氏体相的生产，马氏体相变是一种无扩散相变或位移型相变。该相变中只有原子位移以切变的方式进行，两相间以宏观弹性形变维持界面的连续和共格，通过畸变能改变相变动力学和完成相变。
(3)沉淀硬化热处理
沉淀硬化热处理具有消除加工应力、稳定零部件尺寸和形状、析出沉淀硬化相等作用，所以时效处理是材料成型后的最终热处理，主要目的是在马氏体的基体上析出金属间化合物：NiAl(β相)、(Fe，Ni)3Al(γ’)等，与基体保持共格关系。热处理在零件成型后进行，通常在真空试验炉或者氮气、氩气气氛保护的炉子中进行。在本发明中，零件可以是SUS631钢带能够制成的任何零件，在下述实施例中，以弹片为例，当然，这只是示例性的，而非限定性的。
在本发明中，沉淀硬化热处理根据半奥氏体沉淀硬化不锈精密带钢SUS631的硬度级别来设定，具体是：
Figure BDA0003003461290000051
Figure BDA0003003461290000061
上表中各热处理制度采用的保温时间优选是1h/0.1mm，即按照钢板的厚度计，保温时间优选等于(厚度÷0.1mm)×1小时，其中厚度单位是毫米。
实施例
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
下述各实施例中表面硬度HV的检测方法参照GB/T 4340金属材料维氏硬度试验第一部分：试验方法。
实施例1
在本实施例中，半奥氏体沉淀硬化不锈钢SUS631的化学成分按质量百分比为：C0.079％；Si 0.43％；Mn 0.71％；P 0.025％；S 0.001％；Cr 16.10％；Ni 7.37％；Al1.00％；N 0.0075％，其余为Fe和不可避免的杂质。
在本实施例中，原冷轧卷为0.8×1219×C(mm)，目标成品为0.2×600×C(mm)，状态为3/4H。设计工艺路线为分条-冷轧-固溶处理-冷轧-沉淀硬化处理。
本实施例的方法具体是：
首先在准备机组上对钢卷进行分条，1219mm宽材料一分为二，除去边丝，宽度为610mm。
第一轧程：采用二十辊轧机生产，厚度由0.8mm轧制到0.3mm，变形率控制在60％左右。
固溶处理：在连续光亮炉中进行，采用全氢气氛保护，氢气的露点-56％℃，加热温度采用1056℃，走带速度12m/min，保温时间按每1mm厚度3分钟，冷却采用快速风冷。固溶处理后晶粒尺寸20μm，铁素体含量8％。
第二轧程：厚度由0.3mm轧制到0.2mm，总变形率控制在33％，两个道次轧成，第一道次变形率23％，由0.3mm轧制到0.23mm，第二道次由0.23mm轧制到0.20mm，变形率为13％，轧制后实测表面硬度HV为415。之后对钢卷进行切边，宽度满足600mm要求。
沉淀硬化处理：对钢带进行冲压成金属弹片后，进行沉淀硬化热处理，选用氮气氛保护炉进行。炉温475℃，保温时间2h，出炉空冷。实测材料的表面硬度HV为474，满足要求。
实施例2
在本实施例中，半奥氏体沉淀硬化不锈钢SUS631的化学成分按质量百分比为：C0.074％；Si 0.48％；Mn 0.65％；P 0.024％；S 0.001％；Cr 16.27％；Ni 7.50％；Al0.91％；N 0.010％，其余为Fe和不可避免的杂质。
在本实施例中，原冷轧卷为0.5×1219×C(mm)，目标成品为0.1×600×C(mm)，状态为H。设计工艺路线为分条-冷轧-固溶处理-冷轧-沉淀硬化处理。
本实施例的方法具体是：
首先在准备机组上对钢卷进行分条，1219mm宽材料一分为二，除去边丝，宽度为610mm。
第一轧程：采用二十辊轧机生产，厚度由0.5mm轧制到0.2mm，变形率控制在60％左右。
固溶处理：在连续光亮炉中进行，采用全氢气氛保护，氢气的露点-56％℃，加热温度实际1050℃，走带速度20m/min，保温时间按每1mm厚度3分钟，冷却采用快速风冷。固溶处理后晶粒尺寸15μm，铁素体含量10％。
第二轧程：厚度由0.2mm轧制到0.1mm，总变形率控制在50％，四个道次轧成，第一道次变形率20％，由0.2mm轧制到0.16mm，第二道次由0.16mm轧制到0.135mm，变形率为15％，第三个道次由0.135mm轧制到0.115mm，变形率为15％第四个道次由0.115mm轧制到0.10mm，变形率为13％。轧制后实测表面硬度HV为476。之后对钢卷进行切边，宽度满足600mm要求。
沉淀硬化处理：对钢带进行冲压成金属弹片后，进行沉淀硬化热处理，选用氮气氛保护炉进行。采用两级热处理方法：第一级炉温485℃，保温时间1h，出炉空冷。第二级炉温475℃，保温时间1h，出炉空冷。实测材料的表面硬度HV为555，满足要求。
实施例3
在本实施例中，本实施例中半奥氏体沉淀硬化不锈钢SUS631的化学成分按质量百分比为：C 0.065％；Si 0.52％；Mn 0.75％；P 0.025％；S 0.001％；Cr 16.36％；Ni7.46％；Al 1.15％；N 0.006％，其余为Fe和不可避免的杂质。
在本实施例中，原冷轧卷为0.7×1219×C(mm)，目标成品为0.1×600×C(mm)，状态为EH。设计工艺路线为分条-冷轧-固溶处理-冷轧-沉淀硬化处理。
本实施例的方法具体是：
首先在准备机组上对钢卷进行分条，1219mm宽材料一分为二，除去边丝，宽度为610mm。
第一轧程：采用二十辊轧机生产，厚度由0.6mm轧制到0.25mm，变形率控制在65％左右。
固溶处理：在连续光亮炉中进行，采用全氢气氛保护，氢气的露点-56％℃，加热温度实际1050℃，走带速度20m/min，保温时间按每1mm厚度3分钟，冷却采用快速风冷。固溶处理后晶粒尺寸15μm，铁素体含量11％。
第二轧程：厚度由0.25mm轧制到0.1mm，总变形率控制在60％，五个道次轧成，第一道次变形率20％，由0.25mm轧制到0.20mm，第二道次由0.20mm轧制到0.16mm，变形率为20％，第三个道次由0.16mm轧制到0.135mm，变形率为15％第四个道次由0.135mm轧制到0.115mm，变形率为15％，第五个道次由0.115mm轧制到0.10mm，变形率为13％。轧制后实测表面硬度HV为501。之后对钢卷进行切边，宽度满足600mm要求。
沉淀硬化处理：对钢带进行冲压成金属弹片后，进行沉淀硬化热处理，选用氮气氛保护炉进行。采用两级热处理方法：第一级炉温485℃，保温时间1h，出炉空冷。第二级炉温475℃，保温时间1h，出炉空冷。第三级炉温465℃，保温时间1h，出炉空冷。实测材料的表面硬度HV为585，满足要求。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的替代、修饰、组合、改变、简化等，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提高不锈钢精密带钢表面硬度的方法，其特征在于，依次包括：
(1)对不锈钢精密带钢进行连续固溶热处理；
(2)根据硬度级别进行冷轧处理；
(3)将冷轧处理后的带钢冲压成零件，根据硬度级别进行沉淀硬化热处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不锈钢精密带钢是牌号为SUS631的不锈钢精密带钢。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，连续固溶热处理在全氢气氛保护的光亮炉中进行，氢气的露点≤-55℃。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，连续固溶热处理的加热温度是1040～1060℃，保温时间以钢板的厚度计是2～3分钟/mm。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述不锈钢精密带钢的硬度级别是1/2H态；
优选地，在步骤(2)中，冷轧总变形率是15～20％；
优选地，在步骤(3)中，沉淀硬化热处理的温度是480～490℃，保温时间以钢板的厚度计是0.5～1.5小时/0.1mm。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述不锈钢精密带钢的硬度级别是3/4H态；
优选地，在步骤(2)中，冷轧总变形率是30～40％；
优选地，在步骤(3)中，沉淀硬化热处理的温度是470～480℃，保温时间以钢板的厚度计是0.5～1.5小时/0.1mm。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述不锈钢精密带钢的硬度级别是H态；
优选地，在步骤(2)中，冷轧总变形率是50～55％；
优选地，在步骤(3)中，沉淀硬化热处理分两级进行；更优选地，第一级的温度是480～490℃，保温时间以钢板的厚度计是0.5～1.5小时/0.1mm，第二级的温度是470～480℃，保温时间以钢板的厚度计是0.5～1.5小时/0.1mm。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述不锈钢精密带钢的硬度级别是EH态；
优选地，在步骤(2)中，冷轧总变形率是60～65％；
优选地，在步骤(3)中，沉淀硬化热处理分三级进行；更优选地，第一级的温度是480～490℃，保温时间以钢板的厚度计是0.5～1.5小时/0.1mm，第二级的温度是470～480℃，保温时间以钢板的厚度计是0.5～1.5小时/0.1mm，第三级的温度是460～470℃，保温时间以钢板的厚度计是0.5～1.5小时/0.1mm。
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