CN114196801A - 一种改善控碳奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀性能和力学性能的热处理方法 - Google Patents

一种改善控碳奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀性能和力学性能的热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改善控碳奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀性能和力学性能的热处理方法，属于奥氏体不锈钢领域。该方法适用的合金成分(wt.％)：C：0.04～0.06；N≤0.1；Mn：1.0～2.0；Cr：16.0～20.0；Ni：8.0～14.0；Mo≤3.0；Fe余量。首先将热加工态样品加热至950～1000℃，保温时间t×(1.0～1.5)min/mm，最大截面厚度t(mm)；然后升温至1050～1100℃，保温40～60分钟后水淬至室温。经热处理后，样品全截面的晶粒度级差不超过2级，以获得良好的力学性能；与此同时，在敏化态(650℃敏化处理2h)下的晶间腐蚀性能合格。

Description

一种改善控碳奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀性能和力学性能的热 处理方法
技术领域
本发明涉及奥氏体不锈钢技术领域，具体地说是一种改善控碳奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀性能和力学性能的热处理方法。
背景技术
第四代核电反应堆的堆本体关键设备(包括反应堆容器和堆内部件)普遍采用奥氏体不锈钢制造而成。堆本体的服役工况极其苛刻，需承受高温(550℃以上)、液态金属/气体介质、交变载荷等作用，并且在40～60年设计寿期内不可更换，要求奥氏体不锈钢在服役温度下具有良好的力学性能，以满足安全性和可靠性要求。此外，反应堆多数选址在海边，要求材料具备良好的耐晶间腐蚀性能。
为保证奥氏体不锈钢的高温强度，材料中需添加含量足够的C，以发挥C的间隙固溶强化作用。第四代核电反应堆普遍采用的304H、316H等奥氏体不锈钢，C含量的控制要求为≥0.04wt.％。随C含量的增加，C和Cr容易形成Cr23C6型碳化物，造成局部的Cr贫化，使耐晶间腐蚀能力明显下降。因此，如何在保证力学性能的基础上，提高控碳奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀性能是急需解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改善控碳奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀性能和力学性能的热处理方法。采用两步递进固溶处理方法对热加工态样品进行热处理，在保证敏化态样品耐晶间腐蚀性能的同时，将晶粒度级差控制为不超过2级，以获得良好的力学性能。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种改善控碳奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀性能和力学性能的热处理方法，该热处理方法的过程为：首先将热加工态样品加热至950～1000℃，根据样品的最大截面厚度t(mm)确定保温时间，保温时间为t×(1.0～1.5)min/mm；然后升温至1050～1100℃，保温40～60分钟后水淬至室温。
所述的改善控碳奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀性能和力学性能的热处理方法，经热处理后，样品全截面的晶粒度级差不超过2级，与此同时，按照GB/T 4334-2008中的E法进行晶间腐蚀评价，在敏化态(650℃敏化处理2h)下的晶间腐蚀性能合格。
该方法适用的合金成分范围为(wt.％)：C：0.04～0.06％；N≤0.1％；Mn：1.0～2.0％；Cr：16.0～20.0％；Ni：8.0～14.0％；Mo≤3.0％；Fe余量。
本发明的设计思想如下：
对于C含量>0.03wt.％的奥氏体不锈钢，热加工过程中易产生C元素偏析甚至局部析出碳化物，常规固溶处理方法无法实现C元素偏析消除、以及局部碳化物的充分回溶，是造成敏化状态下耐晶间腐蚀性能不合格的主要原因。研究表明，采用更高的固溶温度或更长的固溶时间，可提高材料的耐晶间腐蚀性能，但会造成固溶过程中晶粒的异常长大，从而损伤力学性能。本发明提出两步递进固溶处理方法，第一步固溶处理的温度选择在碳化物回溶温度以上，实现C元素偏析消除、以及局部碳化物的充分回溶；第二步固溶处理的温度选择在晶粒稳态长大温度区间，以保证晶粒度的均匀性。
本发明的优点及有益效果：
1、本发明的热处理方法，在保证晶粒均匀性，以获得良好力学性能的同时，改善了控碳奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀性能。
2、本发明的两步递进固溶处理方法操作方便，便于工业化生产。
3、本发明方法制备的奥氏体不锈钢满足第四代核电反应堆的设计要求：按照GB/T4334-2008中的E法进行晶间腐蚀评价，在敏化态(650℃敏化处理2h)下的晶间腐蚀性能合格；全截面的晶粒度级差不超过2级，以获得良好的力学性能。
4、本发明方法适用于第四代核电反应堆用奥氏体不锈钢板材、棒材及锻件。
附图说明
图1为实施例1热处理后板材的晶粒度金相照片。
图2为实施例1热处理后板材在敏化态(650℃敏化处理2h)下，晶间腐蚀后的弯曲样品表面形貌照片。
图3为实施例2热处理后板材的晶粒度金相照片。
图4为实施例2热处理后板材在敏化态(650℃敏化处理2h)下，晶间腐蚀后的弯曲样品表面形貌照片。
图5为对比例1固溶处理后板材的晶粒度金相照片。
图6为对比例1固溶处理后板材在敏化态(650℃敏化处理2h)下，晶间腐蚀后的弯曲样品表面形貌照片。
图7为对比例2固溶处理后板材在敏化态(650℃敏化处理2h)下，晶间腐蚀后的弯曲样品表面形貌照片。
图8为对比例2固溶处理后板材的晶粒度金相照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
本实施例提供40mm厚度的热轧态奥氏体锈钢板材，按重量百分比计，化学成分为：C：0.050％；N：0.072％；Si：0.38％；Mn：1.46％；Cr：17.57％；Ni：12.4％；Mo：2.55％；Fe：余量。
将热轧板材加热至970℃，保温50分钟；然后升温至1060℃，保温50分钟后水淬至室温。
取经热处理的板材，按照GB/T 6394-2002《金属平均晶粒度测定法》进行晶粒度测定，可见，板材具有均匀的等轴晶粒，晶粒度等级为5.0级(图1)。
取经热处理的板材，在室温进行拉伸性能测试和夏比V型缺口冲击测试，结果如表1所示。
取经热处理的板材，进行550℃下的疲劳性能测试，应变幅为±0.5％下的疲劳循环寿命为1559次，结果如表2所示。
取经热处理的板材，按照GB/T 4334-2008中的E法进行晶间腐蚀评价，在敏化态(650℃敏化处理2h)下的晶间腐蚀性能合格(图2)。
实施例2
本实施例提供40mm厚度的热轧态奥氏体锈钢板材，按重量百分比计，化学成分为：C：0.054％；N：0.065％；Si：0.32％；Mn：1.6％；Cr：19.2％；Ni：10.5％；Fe：余量。
将热轧板材加热至960℃，保温45分钟；然后升温至1070℃，保温50分钟后水淬至室温。
取经热处理的板材，按照GB/T 6394-2002《金属平均晶粒度测定法》进行晶粒度测定，可见，板材具有均匀的等轴晶粒，晶粒度等级为4.0级(图3)。
取经热处理的板材，按照GB/T 4334-2008中的E法进行晶间腐蚀评价，在敏化态(650℃敏化处理2h)下的晶间腐蚀性能合格(图4)。
对比例1
使用与实施例1相同的热轧态奥氏体锈钢板材，进行常规的固溶处理，将热轧板材加热至1060℃，保温50分钟后水淬至室温。
取经固溶处理的板材，按照GB/T 6394-2002《金属平均晶粒度测定法》进行晶粒度测定，可见，板材具有均匀的等轴晶粒，晶粒度等级为6.0级(图5)。
取经固溶处理的板材，在室温进行拉伸性能测试和夏比V型缺口冲击测试，结果如表1所示。
取经固溶处理的板材，进行550℃下的疲劳性能测试，应变幅为±0.5％下的疲劳循环寿命为1853次，结果如表2所示。
取经固溶处理的板材，按照GB/T 4334-2008中的E法进行晶间腐蚀评价，敏化态(650℃敏化处理2h)样品存在明显的因晶间腐蚀而产生的裂纹(图6)。
由此可见，常规固溶处理后，板材获得了均匀的等轴晶粒，其室温力学性能、550℃下的疲劳性能与实施例1相当。但是，板材在敏化态下的耐晶间腐蚀性能不合格。
对比例2
使用与实施例1相同的热轧态奥氏体锈钢板材，进行较高温度的固溶处理，将热轧板材加热至1150℃，保温50分钟后水淬至室温。
取经固溶处理的板材，按照GB/T 4334-2008中的E法进行晶间腐蚀评价，在敏化态(650℃敏化处理2h)下的晶间腐蚀性能合格(图7)。取经固溶处理的板材，按照GB/T 6394-2002《金属平均晶粒度测定法》进行晶粒度测定，板材发生了晶粒的异常长大，从而出现混晶组织(图8)。
取经固溶处理的板材，在室温进行拉伸性能测试和夏比V型缺口冲击测试，结果如表1所示。
取经固溶处理的板材，进行550℃下的疲劳性能测试，应变幅为±0.5％下的疲劳循环寿命为695次，结果如表2所示。
由此可见，提高固溶处理温度后，板材的耐晶间腐蚀性能得到改善。但是，板材无法获得均匀的奥氏体晶粒，导致室温强度、冲击吸收功、以及550℃下的疲劳性能显著低于实施例1。
表1热处理后奥氏体不锈钢板材的室温力学性能
Figure BDA0003379354880000051
表2热处理后奥氏体不锈钢板材的疲劳性能
Figure BDA0003379354880000052
以上所述实例仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种改善控碳奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀性能和力学性能的热处理方法，其特征在于：该热处理方法是对热加工态样品采用两步递进固溶处理方式，在保证敏化态样品耐晶间腐蚀性能的同时，将晶粒度级差控制为不超过2级，以获得良好的力学性能。
2.按照权利要求1所述的改善控碳奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀性能和力学性能的热处理方法，其特征在于：按重量百分比计，所述控碳奥氏体不锈钢化学成分如下：
C：0.04～0.06％；N≤0.1％；Mn：1.0～2.0％；Cr：16.0～20.0％；Ni：8.0～14.0％；Mo≤3.0％；Fe为余量。
3.按照权利要求1所述的改善控碳奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀性能和力学性能的热处理方法，其特征在于：该热处理方法过程为：首先将热加工态样品加热至950～1000℃，根据样品的最大截面厚度t(mm)确定保温时间，保温时间为t×(1.0～1.5)min/mm；然后升温至1050～1100℃，保温40～60分钟后水淬至室温。
4.按照权利要求1所述的改善控碳奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀性能和力学性能的热处理方法，其特征在于：经热处理后，样品全截面的晶粒度级差不超过2级，以获得良好的力学性能；与此同时，按照GB/T 4334-2008中的E法进行晶间腐蚀评价，在敏化态(650℃敏化处理2h)下的晶间腐蚀性能合格。
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