CN113981192A - 一种提高304型亚稳奥氏体不锈钢屈服强度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种提高304型亚稳奥氏体不锈钢屈服强度的方法。首先，利用中低温保温处理增加不锈钢中原子的活动能力；接着在上述温度下进行轧制变形处理，以预定的压下量向退火态的奥氏体不锈钢组织内引入可控含量的层错、位错、变形带等形变缺陷；随后利用中温等温处理消除不锈钢中的残余应力；最后利用液氮环境对不锈钢进行深冷处理，向304型亚稳奥氏体不锈钢组织内引入强化相马氏体。本发明通过调控马氏体的引入量，实现304型亚稳奥氏体不锈钢屈服强度的提升。

Description

一种提高304型亚稳奥氏体不锈钢屈服强度的方法

技术领域

本发明属于304型亚稳奥氏体不锈钢生产技术领域，特别涉及一种304型亚稳奥氏体不锈钢屈服强度提升的方法。

背景技术

304型亚稳奥氏体不锈钢具有屈强比低、易加工、耐腐蚀、抗氧化等性能特点，被广泛应用于餐具、轨道交通、石油化工、航空航天等民用和国防领域。在工业生产中，304型亚稳奥氏体不锈钢常以退火态粗晶组织供货，导致其屈服强度较低，如20-80μm晶粒尺寸的304型亚稳奥氏体不锈钢屈服强度仅为100-300MPa。随着国民经济的发展，构件设计对结构轻量化及服役安全性提出了更高要求。304型亚稳奥氏体不锈钢低的屈服强度已不能满足其在承载、防撞、耐压等高强构件中的使用要求，这严重制约了304型亚稳奥氏体不锈钢的发展。因此，在保证成型性和安全性的同时，提高304型亚稳奥氏体不锈钢的屈服强度是其发展需要解决的难题。

马氏体相变强化是提高材料屈服强度的有效手段。然而，304型亚稳奥氏体不锈钢具有很高的热稳定性，室温组织为稳定的奥氏体，即使淬火到液氮温度组织中也很难形成马氏体强化相。所以，如何向304型亚稳奥氏体不锈钢中引入强化相马氏体是利用马氏体相变强化提高其屈服强度的一个难题。

对于上述难题，本发明发明人的在先研究工作中已提出可采用室温预变形的工艺手段向奥氏体组织内引入滑移带缺陷，利用滑移带作为马氏体相变的形核质点，激发变温马氏体相变，成功地向奥氏体不锈钢中引入了马氏体。但是，实际结果显示，奥氏体不锈钢经过上述工艺处理，组织中最多只能引入体积分数为10%左右的马氏体。马氏体的引入量与滑移带的引入量并未呈现线性关系。此事实揭示上述工艺不足以向奥氏体不锈钢中引入更多含量的马氏体，这制约了奥氏体不锈钢屈服强度的进一步提高。因此，如何向304型亚稳奥氏体不锈钢中引入更多含量（10%甚至15%以上）的马氏体成为利用相变强化提高该钢种屈服强度面临的难题。

发明内容

本发明针对现有304型亚稳奥氏体不锈钢中马氏体引入工艺（室温预变形+深冷处理）存在的不足：形核质点类型单一、组织中存在残余应力，提出通过在预变形之前增加中低温等温处理增加奥氏体不锈钢的塑性变形能力，及在预变形之后增加中温等温处理消除组织中内应力的方法改善马氏体板条的长大条件。此外，为了增加形核质点的种类，设计了不同温度的预变形工艺，以引入更多类型马氏体相变形核质点（位错、层错、滑移带等），改善马氏体板条的形核条件。最后，为了进一步增加马氏体的引入量，在深冷处理阶段设计了长时间的等温处理，利用形变引入形核质点的变温马氏体相变和等温马氏体相变的共同作用，提高奥氏体不锈钢中的最终马氏体含量，使其获得奥氏体+马氏体的双相组织，进而利用马氏体的相变强化改善304型亚稳奥氏体不锈钢的屈服强度。

为了达到上述目的，本发明是通过如下手段得以实现的：

本发明第一方面提供了一种提高304型亚稳奥氏体不锈钢屈服强度的方法，包括如下步骤：

（1）将厚度为d（mm）的退火态304型亚稳奥氏体不锈钢板加热至80-200℃，并进行保温处理；

（2）将厚度为d（mm）的退火态304型亚稳奥氏体不锈钢板进行轧制变形处理，变形量为6-10%；

（3）对轧制变形后的304型亚稳奥氏体不锈钢进行300-400℃等温处理，之后冷却至室温；

（4）将冷却至室温的304型亚稳奥氏体直接投放到液氮环境中进行深冷处理，随后将其升温至室温。

作为本发明的优选，步骤（1）中所述保温时间为t1分钟，其中t1=（10-30）*d。

作为本发明的优选，步骤（1）中所述的保温温度为140℃，保温时间t1=30*d。

作为本发明的优选，步骤（2）中所述变形量为8%，轧制变形过程中每道次压下率为2%。

作为本发明的优选，步骤（3）中所述保温时间为t2分钟，其中t2=（3-5）*d。

作为本发明的优选，步骤（3）中所述的等温处理温度为350℃，等温处理时间t2=4*d。

作为本发明的优选，步骤（4）中所述深冷处理时间为t3分钟，其中t3=（40-60）*d。

作为本发明的优选，步骤（4）中所述的深冷处理时间t3=60*d。

作为本发明的优选，步骤（4）中升温速度为20℃/分钟。

本发明第二方面提供了一种根据上述方法制备得到的304型亚稳奥氏体不锈钢。

304型亚稳奥氏体不锈钢在单一深冷处理条件下组织中难以形成大量的强化相马氏体，这是由于其组织中具有很少的马氏体相变形核质点。形核质点是马氏体相变发生的前提条件，其数量及形核趋势直接影响马氏体的相变动力学。

针对室温预变形+深冷处理工艺无法向304型亚稳奥氏体不锈钢中引入大量马氏体的难题，发明人对其进行了深入分析。研究发现，上述工艺仅依据形核机制，通过主动引入形核质点（滑移带），进而促进马氏体相变。事实上，马氏体相变包含形核和长大两个过程，且这两个过程对马氏体相变均具有重要影响。

然而，上述工艺只考虑了马氏体相变形核质点的引入，且只引入了单一类型的形核质点（滑移带），而并未考虑马氏体板条的长大。马氏体相变是膨胀型相变，材料组织中的内应力会抑制马氏体相变。在上述工艺中，预变形手段在向组织中引入滑移带的同时也向组织中引入了内应力。

由此可见，室温预变形+深冷处理工艺只引入了单一类型的形核质点滑移带缺陷，且未考虑内应力对马氏体板条长大的影响，是该工艺无法引入大量马氏体的主要原因。此外，现有技术只利用了变温马氏体相变引入马氏体，而并未使用等温马氏体相变引入马氏体。

本发明基于前期工作提出的室温预变形+深冷处理工艺向材料组织中引入马氏体工艺方法存在的不足（引入的形核质点类型单一，形核趋势低；组织中存在内应力影响马氏体板条长大），而提出在轧制变形之前还可施加中低温保温处理，增加金属材料金属原子的活动能力，提高材料的塑性变形能力，同时在轧制变形之后施加中温等温处理，消除轧制变形引入的内应力，改善马氏体相变过程中马氏体板条的长大条件。

此外，本发明采用了中低温轧制预变形处理，不同的变形温度可向退火态的奥氏体组织中主动引入层错、位错和变形带等不同类型的形变亚结构，提供更多类型的马氏体相变的形核质点。相变的驱动力同样是马氏体相变发生的前提条件。

进一步，本发明设计了液氮深冷处理环境为中低温保温+轧制预变形+中温等温处理工艺引入的层错、位错和变形带等相变形核质点提供马氏体相变的驱动力，且同时利用变温马氏体相变和等温马氏体相变的共同作用向奥氏体不锈钢中引入更多含量的马氏体。

综上，本发明通过中低温保温、轧制变形、中温等温、液氮深冷处理等多步骤工艺的耦合作用实现304型亚稳奥氏体不锈钢中强化相马氏体的引入，进而提高304型亚稳奥氏体不锈钢的屈服强度。

本发明首先在进行轧制之前将304型亚稳奥氏体不锈钢通过气氛炉加热至80-200℃，不同的加热温度设置为了使304型亚稳奥氏体不锈钢在后续变形过程中，奥氏体组织中形成不同种类的形变亚结构（如80℃下变形主要形成变形带，而200℃下变形主要形成层错等）。

随后在上述温度下进行轧制变形处理，变形过程中设置了不同的变形量，目的是获取不同数量的形变亚结构（变形量越大，形变亚结构的数量越多）。

进一步，将变形处理后的304型亚稳奥氏体不锈钢升温至300-400℃保温，目的是消除其组织内的形变应力，该应力的存在会抑制马氏体相变。

最后，将304型亚稳奥氏体不锈钢直接投入到液氮环境中深冷处理（40-60）*d分钟，d为板厚，单位mm，目的是通过液氮的深冷处理作用使变形过程中产生的形变缺陷触发马氏体相变，形成强化相马氏体，长深冷处理时间是保证304型亚稳奥氏体不锈钢在液氮的环境中发生等温马氏体相变，此时马氏体的相变量=变温马氏体相变量+等温马氏体相变量。

深冷时间与厚度相关是保证不锈钢能达到液氮温度（不锈钢厚度越大深冷处理时间越长）。工艺处理后的304型亚稳奥氏体不锈钢组织中含有18-25%的马氏体，获得了奥氏体+马氏体的双相组织，其屈服强度提高了285-367MPa。

本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

（1）在现有的室温预变形+液氮深冷处理工艺基础上，本发明提出在变形前后施加等温处理，改善了马氏体板条的长大条件；设置不同的变形温度调控了变形引入马氏体相变形核质点的种类，改善了形核质点的形核趋势；采用变温马氏体相变+等温马氏体相变的共同作用促进了马氏体转变。通过以上工艺改进，本发明将304型亚稳奥氏体不锈钢中马氏体的引入量由5%增加到了至高25%，解决了现有技术引入马氏体含量低的难题。

（2）本发明提高了304型亚稳奥氏体不锈钢中马氏体引入量的上限，增大了304型亚稳奥氏体不锈钢中马氏体引入量的调节范围，可实现马氏体含量的主动调控，进而实现304型亚稳奥氏体不锈钢屈服强度的可量化提升。

（3）在未增加合金成本的基础上，将304型亚稳奥氏体不锈钢屈服强度提高了285-367MPa，解决了304型亚稳奥氏体不锈钢屈服强度低的难题；同时生产工艺简单，成本低廉，可进行大规模生产。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种提高304型亚稳奥氏体不锈钢屈服强度的方法，包括如下步骤：

（1）取1mm厚的退火态304型亚稳奥氏体不锈钢，将其放置在气氛炉内升温至140℃，保温30分钟；

（2）对保温后的304型亚稳奥氏体不锈钢进行轧制变形处理，变形量为8%，每道次压下率为2%；

（3）将轧制变形后的304型亚稳奥氏体不锈钢加热至350℃，保温4分钟，随后冷却至室温，冷却速率为20℃/分钟；

（4）将冷却至室温的304型亚稳奥氏体不锈钢直接投入到液氮环境中，进行深冷处理，处理时间为60分钟，随后将其以20℃/分钟的速度升温至室温。

实施例2

一种提高304型亚稳奥氏体不锈钢屈服强度的方法，包括如下步骤：

（1）取2mm厚的退火态304型亚稳奥氏体不锈钢，将其放置在气氛炉内升温至80℃，保温20分钟；

（2）对保温后的304型奥氏体不锈钢进行轧制变形处理，变形量为6%，每道次压下率为2%；

（3）将轧制变形后的304型亚稳奥氏体不锈钢加热至300℃，保温6分钟，随后冷却至室温，冷却速率为20℃/分钟；

（4）将冷却至室温的304型亚稳奥氏体不锈钢直接投入到液氮环境中，进行深冷处理，处理时间为80分钟，随后将其以20℃/分钟的速度升温至室温。

实施例3

一种提高304型亚稳奥氏体不锈钢屈服强度的方法，包括如下步骤：

（1）取3mm厚的退火态304型奥氏体不锈钢，将其放置在气氛炉内升温至200℃，保温60分钟；

（2）对保温后的304型亚稳奥氏体不锈钢进行轧制变形处理，变形量为10%，每道次压下率为2%；

（3）将轧制变形后的304型亚稳奥氏体不锈钢加热至400℃，保温15分钟，随后冷却至室温，冷却速率为20℃/分钟；

（4）将冷却至室温的304型亚稳奥氏体不锈钢直接投入到液氮环境中，进行深冷处理，处理时间为150分钟，随后将其以20℃/分钟的速度升温至室温。

对比例1

一种提高304型亚稳奥氏体不锈钢屈服强度的方法，包括如下步骤：

（1）取1mm厚退火态304型亚稳奥氏体不锈钢，对其进行室温轧制变形处理，变形量为8%，每道次压下率为2%；

（2）将轧制变形后的304型亚稳奥氏体不锈钢直接投入到液氮环境中，进行深冷处理，处理时间为60分钟，随后将其以20℃/分钟的速度升温至室温。

对比例2

一种提高304型亚稳奥氏体不锈钢屈服强度的方法，包括如下步骤：

（1）取1mm厚退火态304型亚稳奥氏体不锈钢，对其进行室温轧制变形处理，变形量为8%，每道次压下率为2%；

（2）将轧制变形后的304型亚稳奥氏体不锈钢加热至350℃，保温4分钟，随后冷却至室温，冷却速率为20℃/分钟；

（3）将冷却至室温的304型亚稳奥氏体不锈钢直接投入到液氮环境中，进行深冷处理，处理时间为60分钟，随后将其以20℃/分钟的速度升温至室温。

对比例3

一种提高304型亚稳奥氏体不锈钢屈服强度的方法，包括如下步骤：

（1）取1mm厚的退火态304型亚稳奥氏体不锈钢，将其放置在气氛炉内升温至140℃，保温30分钟；

（2）对保温后的304型亚稳奥氏体不锈钢进行轧制变形处理，变形量为8%，每道次压下率为2%；

（3）将轧制变形后的304型亚稳奥氏体不锈钢直接投入到液氮环境中，进行深冷处理，处理时间为60分钟，随后将其以20℃/分钟的速度升温至室温。

对比例4

一种提高304型亚稳奥氏体不锈钢屈服强度的方法，包括如下步骤：

（1）将厚度为1mm的304型亚稳奥氏体不锈钢加热至350℃，保温4分钟，随后冷却至室温，冷却速率为20℃/分钟；

（2）将冷却至室温的304型亚稳奥氏体不锈钢直接投入到液氮环境中，进行深冷处理，处理时间为60分钟，随后将其以20℃/分钟的速度升温至室温。

验证例1

分别取实施例1-3及对比例1-4制备获得的不锈钢，对其中马氏体的体积分数以及屈服强度增加量采用本领域的常规技术方法进行检测，具体检测结果如下表1所示。

表1实施例1-3及对比例1-4不锈钢检测结果

组别	马氏体体积分数（%）	屈服强度增加量（MPa）
			实施例1	25	367
实施例2	18	285
			实施例3	20	302
对比例1	5	132
			对比例2	8	204
对比例3	6	153
			对比例4	2	20

通过对比分析实施例1与对比例1-4的结果，可得如下结论：

（1）对照实施例与对比例可知，在轧制变形工艺前施加合理的保温处理工艺，以及在轧制变形工艺后施加合理的等温处理工艺，能有效地提高304型亚稳奥氏体不锈钢组织中马氏体的引入量以及屈服强度，与不施加等温处理相比，马氏体引入量至多提高了20%（体积分数），屈服强度至多提高了235MPa。

（2）由于对比例1中未进行变形前中低温保温处理以及变形后中温等温处理；对比例2中省略了变形前中低温保温处理的步骤；对比例3中省略了变形后中温等温处理的步骤；对比例4中省略了变形前中低温保温处理及轧制变形的步骤；从而导致获得的不锈钢内引入的马氏体体积分数以及屈服强度均未能达到预期。由此可以明确，变形前中低温保温、轧制变形、变形后中温等温、液氮深冷处理均为必不可少的条件，只有上述各条件协同作用，才能有效提高304型亚稳奥氏体不锈钢组织中马氏体的引入量以及屈服强度，缺少任一工序都无法达到所预期的效果。

以上具体实施方式部分对本发明所涉及的分析方法进行了具体的介绍。应当注意的是，上述介绍仅是为了帮助本领域技术人员更好地理解本发明的方法及思路，而不是对相关内容的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域技术人员还可以对本发明进行适当的调整或修改，上述调整和修改也应当属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种提高304型亚稳奥氏体不锈钢屈服强度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将厚度为d（mm）的退火态304型亚稳奥氏体不锈钢板加热至80-200℃，并进行保温处理；

（2）将保温处理后的304型亚稳奥氏体不锈钢板进行轧制变形处理，变形量为6-10%，优选为8%；

（3）对轧制变形后的304型亚稳奥氏体不锈钢进行300-400℃等温处理，之后冷却至室温；

（4）将冷却至室温的304型亚稳奥氏体不锈钢直接投放到液氮环境中进行深冷处理，随后将其升温至室温。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中所述保温时间为t1分钟，其中t1=（10-30）*d。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（1）中所述的保温温度为140℃，保温时间t1=30*d。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中轧制变形处理过程中每道次压下率为2%。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中所述等温处理时间为t2分钟，其中t2=（3-5）*d。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤（3）中所述的等温处理温度为350℃，等温处理时间t2=4*d。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4）中所述深冷处理时间为t3分钟，其中t3=（40-60）*d。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤（4）中所述的深冷处理时间t3=60*d。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤（4）中升温速度为20℃/分钟。

10.根据权利要求1-9任一项所述的方法制备得到的304型亚稳奥氏体不锈钢。