CN113802064B - 一种调控晶界硼重分布改善超级奥氏体不锈钢晶界第二相析出的方法 - Google Patents

一种调控晶界硼重分布改善超级奥氏体不锈钢晶界第二相析出的方法 Download PDF

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Abstract

一种调控晶界硼重分布改善超级奥氏体不锈钢晶界第二相析出的方法，属于超级奥氏体耐热钢制备与应用技术领域，目的在于通过阶梯固溶和低温保温处理实现了最大含量硼在超级奥氏体不锈钢的晶界偏聚，从而提高了超级奥氏体不锈钢的热塑性和耐蚀性能。本发明通过阶梯固溶和低温保温联合处理不改变超级奥氏体不锈钢的晶粒度等组织结构，仅使得更高含量的硼重新分布到晶界。通过晶界硼重新分布调控元素扩散速率，改善第二相析出数量和形态，进一步提高热塑性和耐蚀性。

Description

一种调控晶界硼重分布改善超级奥氏体不锈钢晶界第二相析 出的方法
技术领域
本发明属于超级奥氏体耐热钢制备与应用技术领域，具体涉及一种调控晶界硼重分布改善超级奥氏体不锈钢晶界第二相析出的方法。
背景技术
超级奥氏体不锈钢是一种高铬、高镍、高钼含量的高合金钢不锈钢，具有与镍基合金相近的优异机械性能和耐腐蚀性，广泛应用于石油化工、造纸、冶金、化工、化工等领域，海水淡化和其他非常恶劣的腐蚀环境中。然而，高合金化添加使Mo和Cr等元素在凝固过程中容易偏析，并容易形成硬脆相。由于凝固阶段形成的相尺寸远大于固态相变形成的相尺寸，均匀化处理后难以再回溶，导致连铸坯热塑性差，热轧时中心分层，易开裂。另外，在热轧过程中，在热力耦合的作用下，第二相通常以较快的速度析出，这给热变形过程带来了许多困难。在SASS热轧板中可以观察到含有大量析出物的显微组织带（MSB），严重劣化了材料性能。因此，控制钼偏析和第二相析出对提高热塑性和获得高性能超级奥氏体不锈钢至关重要。
超级奥氏体不锈钢中最常见的第二相是sigma（σ）、Chi（χ）、Laves和Cr2N相。有学者发现，当6Mo超奥氏体不锈钢在650-950℃时效时，首先形成亚稳Laves相，然后转变为σ相。此外，χ相和Cr2N相也相继形成。这些析出相提高了钢的硬度、屈服强度和抗拉强度，而延伸率和韧性降低。此外，在缓慢时效处理后，还发现了一些碳化物沉淀。相的形成与元素的扩散密切相关，因此人们期望通过控制元素向晶界的偏析来调节第二相的析出分布。以往的研究发现，Cr和Mo对σ相的形成有很大的驱动力，Mo的作用更为明显。向7Mo超级奥氏体不锈钢中添加W延迟了从χ相和Laves相到σ相的相变过程，从而间接控制了σ相的沉淀。在S31254超级奥氏体不锈钢中添加适量的Ce也可以提前促进铁素体在液相中的析出，并在一定程度上控制了Mo偏析和σ相析出。
与其它元素相比，硼不溶于奥氏体，并倾向于向晶界偏析，这对合金元素扩散和第二相析出有显著影响。例如，非平衡硼偏析增强了304奥氏体不锈钢的晶界硬化，其中含有33 ppm的硼，以及在750至1050℃时效处理后沿晶界形成的(Cr,Fe)23(C,B)6碳化物and(Cr,Fe)2B硼化物。硼向316L晶界偏析，并在“高B”（40 ppm）316L钢中形成富含铁、铬和钼的析出物，包括M2B、M5B3和M3B2。此外，在奥氏体化过程中，硼原子在耐热钢的奥氏体晶界中进入M23C6碳化物，形成M23(C, B)6。对于S31254钢，专利ZL 201910372589.0提出通过复合添加B和Ce可以改善6Mo型超级奥氏体不锈钢Sigma相析出及抗晶间腐蚀性。
奥氏体不锈钢中硼的溶解和析出取决于热处理时间和温度。在1125℃时，硼在18%Cr-15%Ni钢中的最大溶解度为97ppm。随着温度的降低，在900℃时，溶解度降低到低于30ppm。硼的偏析行为包括平衡偏析和非平衡偏析，导致晶界有一个更宽的硼富集区。非平衡偏析仍占主导地位，并可在高固溶处理温度下冷却时发生。最近，在500℃时效0.5h的304不锈钢中，观察到B和C的晶界优先偏析以及随后的Cr原子吸引导致碳化物的形成。此外，人们还发现，在低温下，硼和碳比耐热钢中的其他元素更快地到达晶界。因此，通过改变热处理工艺，可能使较高的含量的硼偏聚到超级奥氏体不锈钢晶界，从而调节调控超级奥氏体不锈钢的第二相析出行为。
发明内容
本发明通过阶梯固溶和低温保温处理实现了最大含量硼在超级奥氏体不锈钢的晶界偏聚，提供了一种调控晶界硼重分布改善超级奥氏体不锈钢晶界第二相析出的方法，从而提高了超级奥氏体不锈钢的热塑性和耐蚀性能。
本发明采用如下技术方案：
一种调控晶界硼重分布改善超级奥氏体不锈钢晶界第二相析出的方法，通过阶梯固溶和低温保温联合处理，使得最大含量的硼重新分布到晶界，并不改变超级奥氏体不锈钢的晶粒度组织结构，通过晶界硼重新分布调控元素扩散速率，改善第二相析出数量和形态，通过第二相析出数量和形态的调控，改善热塑性和耐蚀性。
一种调控晶界硼重分布改善超级奥氏体不锈钢晶界第二相析出的方法，包括如下步骤：
第一步，按照合金成分配比在真空感应炉中冶炼，在真空状态下浇铸成铸锭，待铸锭空冷后从模子中取出，所述超级奥氏体耐热不锈钢的化学成分按重量百分比计为：C≤0.03%、Si≤1.00%、Mn≤4.00%、P≤0.03%、S≤0.005%、Cr：19-25%、Ni：17.0-24.0%、Mo：6.0-8.0%、Cu：0.5-1%、N：0.18-0.50%、B≤0.01%，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素；
第二步，将第一步合成的铸锭在1250-1280℃下均匀化10h，然后在1200-1250℃下锻造并轧制成板材；
第三步，将第二步的板材经过1180-1220℃下固溶处理后，以2-4℃/min的速率缓冷至1130-1160℃，迅速水冷，可使得一部分硼从溶解的奥氏体中偏聚到晶界；
第四步，经过第三步处理的板材于350℃下保温处理20-30min，使得更多含量的硼重分布到晶界；
第五步，只经过固溶处理和经过硼重新分布处理的试样在敏感温度时效不同时间，可以看出晶界硼重分布调控后，晶界和晶内第二相析出明显减少，有利于改善热塑性和耐蚀性。
进一步地，第三步中所述固溶处理时间为60min。
进一步地，第五步中所述敏感温度为950-1000℃，时效时间为2h和6h。
本发明的有益效果如下：
1. 本发明通过阶梯固溶和低温保温联合处理并不改变超级奥氏体不锈钢的晶粒度等组织结构，仅使得更高含量的硼重新分布到晶界。
2. 通过晶界硼重新分布调控元素扩散速率，改善第二相析出数量和形态。
3. 通过第二相析出数量和形态的调控，改善热塑性和耐蚀性。
附图说明
图1为超级奥氏体不锈钢对比试样和晶界硼重分布后试样显微组织的SEM照片；其中，（a）为对比试样，（b）为晶界硼重分布后试样。
图2为超级奥氏体不锈钢对比试样和晶界硼重分布后试样经950℃时效2h和6h后显微组织的SEM照片；其中，（a）为对比试样时效2h；（b）为晶界硼重分布后试样时效2h；（c）为对比试样时效6h；（d）为晶界硼重分布后试样时效6h。
图3为超级奥氏体不锈钢对比试样和晶界硼重分布后试样经950℃时效6h后晶界元素偏聚的面扫描分布。
图4为超级奥氏体不锈钢对比试样和晶界硼重分布后试样经950℃时效6h后的室温拉伸曲线图。
图5为超级奥氏体不锈钢对比试样和晶界硼重分布后试样经950℃时效6h后的双环动电位再活化曲线。
具体实施方式
实施例1
含B的S31254超级奥氏体不锈钢晶界重分布调控及敏感温度时效第二相析出影响。
（1）按照合金成分配比在真空感应炉中冶炼，在真空状态下浇铸成铸锭，待铸锭空冷后从模子中取出。所述超级奥氏体耐热不锈钢的化学成分按重量百分比计为：C≤0.02%、Si≤1.00%、Mn≤1.00%、P≤0.03%、S≤0.005%、Cr：19.50-20.50%、Ni：17.50-18.50%、Mo：6.00-6.50%、Cu：0.5-1%、N：0.18-0.25%、B≤0.006%，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。
（2）将所合成铸锭在1250℃下均匀化10小时，然后在1200℃下锻造并轧制成板材。
（3）钢板经过1180℃下固溶处理60min后，以3℃/min的速率缓冷至1150℃，迅速水冷。经过该方法可使得一部分硼从溶解的奥氏体中偏聚到晶界。
（4）经过步骤3处理的钢板于300℃保温处理20min，使得更多含量的硼重分布到晶界。
（5）只经过固溶处理和经过硼重新分布处理的试样在950℃时效不同时间（时效2h和时效6h），可以看出晶界硼重分布调控后，晶界和晶内第二相析出明显减少，有利于改善热塑性和耐蚀性。
如图1所示，超级奥氏体不锈钢晶界硼重分布后试样经阶梯固溶处理后并未改变原始组织结构。
如图2所示，超级奥氏体不锈钢晶界硼重分布后试样经950℃时效6h后较对比试样经950℃时效后第二相析出显著减弱。
如图3所示，超级奥氏体不锈钢对比试样和晶界硼重分布后试样经950℃时效6h后晶界元素偏聚的面扫描分布（分别为Fe Kα1、Cr Kα1、Mo Lα1、Ni Kα1、C Kα1_2、B Kα1_2，标尺为10μm），可以看到经过处理后晶界处B偏析较明显，对第二相析出起到一定抑制作用。
如图4和图5所示，晶界重分布试样的韧性更好，以及晶间腐蚀敏感度更低，说明第二相析出较少，有利于改善热塑性和耐蚀性。
实施例2
含B的S32654超级奥氏体不锈钢晶界重分布调控方法
（1）按照合金成分配比在真空感应炉中冶炼，在真空状态下浇铸成铸锭，待铸锭空冷后从模子中取出。所述超级奥氏体耐热不锈钢的化学成分按重量百分比计为：C≤0.03%、Si≤1.00%、Mn：2.00-4.00%、P≤0.03%、S≤0.005%、Cr：24.00-25.00%、Ni：21.00-23.00%、Mo：7.00-8.00%、Cu：0.30-0.60%、N：0.45-0.55%、B≤0.006%，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。
（2）将所合成铸锭在1280℃下均匀化10小时，然后在1200℃下锻造并轧制成板材。
（3）钢板经过1220℃下固溶处理60min后，以2℃/min的速率缓冷至1150℃，迅速水冷。经过该方法可使得一部分硼从溶解的奥氏体中偏聚到晶界。
（4）经过步骤3处理的钢板于350℃保温处理30min，使得更多含量的硼重分布到晶界。
（5）只经过固溶处理和经过硼重新分布处理的试样在1000℃时效不同时间，可以看出晶界硼重分布调控后，晶界和晶内第二相析出明显减少，有利于改善热塑性和耐蚀性。

Claims (3)

1.一种调控晶界硼重分布改善超级奥氏体不锈钢晶界第二相析出的方法，其特征在于：通过阶梯固溶和低温保温联合处理，使得最大含量的硼重新分布到晶界，并不改变超级奥氏体不锈钢的晶粒度组织结构，通过晶界硼重新分布调控元素扩散速率，改善第二相析出数量和形态，提高热塑性和耐蚀性，具体包括如下步骤：
第一步，按照合金成分配比在真空感应炉中冶炼，在真空状态下浇铸成铸锭，待铸锭空冷后从模子中取出，所述超级奥氏体耐热不锈钢的化学成分按重量百分比计为：C≤0.03%、Si≤1.00%、Mn≤4.00%、P≤0.03%、S≤0.005%、Cr：19-25%、Ni：17.0-24.0%、Mo：6.0-8.0%、Cu：0.5-1%、N：0.18-0.50%、B≤0.01%，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素；
第二步，将第一步合成的铸锭在1250-1280℃下均匀化10h，然后在1200-1250℃下锻造并轧制成板材；
第三步，将第二步的板材经过1180-1220℃下固溶处理后，以2-4℃/min的速率缓冷至1130-1160℃，迅速水冷；
第四步，经过第三步处理的板材于350℃下保温处理20-30min；
第五步，只经过固溶处理和经过硼重新分布处理的试样在敏感温度时效不同时间，可以看出晶界硼重分布调控后，晶界和晶内第二相析出明显减少，有利于改善热塑性和耐蚀性。
2.根据权利要求1所述的一种调控晶界硼重分布改善超级奥氏体不锈钢晶界第二相析出的方法，其特征在于：第三步中所述固溶处理时间为60min。
3.根据权利要求1所述的一种调控晶界硼重分布改善超级奥氏体不锈钢晶界第二相析出的方法，其特征在于：第五步中所述敏感温度为950-1000℃，时效时间为2h和6h。
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