CN115074633B

CN115074633B - 一种抑制超级奥氏体不锈钢析出相的方法

Info

Publication number: CN115074633B
Application number: CN202210792371.2A
Authority: CN
Inventors: 马洁; 韩培德; 谭寰宇; 马晋遥; 张彩丽; 姜周华; 李花兵
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2022-07-05
Filing date: 2022-07-05
Publication date: 2023-05-09
Anticipated expiration: 2042-07-05
Also published as: CN115074633A

Abstract

本发明属于超级奥氏体不锈钢的制备与应用技术领域，具体涉及一种抑制超级奥氏体不锈钢析出相的方法。该方法包括：超级奥氏体不锈钢包含元素B和元素Y，按照重量百分比计，元素B≤0.007％，元素Y≤0.01％；将超级奥氏体不锈钢制成钢坯后，进行固溶空冷、低温扩散处理。该方法通过引入易向晶界偏析的微量合金元素B和Y，调控合金元素Mo、Cr的扩散速率；通过调控合金元素Mo、Cr的扩散速率，调控合金元素Mo和Cr的偏析行为，抑制析出相的形成，减缓轧制过程中开裂的倾向。

Description

一种抑制超级奥氏体不锈钢析出相的方法

技术领域

本发明属于超级奥氏体不锈钢的制备与应用技术领域，具体涉及一种抑制超级奥氏体不锈钢析出相的方法。

背景技术

随着能源环保、海洋工程和石油化工等高端装备制造业的快速发展，极端环境下服役的大型装置用关键材料的研发和国产化被视为当前亟需解决的问题。奥氏体不锈钢因为其优异的力学性能和耐腐蚀性是比较受欢迎的一种材料，其中，相比于普通奥氏体不锈钢和镍基合金，超级奥氏体不锈钢具有更为优异的力学和耐蚀性能，成本优势也极为明显。因此，超级奥氏体不锈钢成为了当前高端装备制造业所需的关键材料。但由于超级奥氏体不锈钢的原料中含有大量的合金元素Cr、Mo、Ni和N，在凝固过程中，由于合金元素在固、液相中的溶解度和扩散速度不同，极易在固液相之间重新分布，使合金元素容易在凝固界面前偏聚；而且溶质Mo原子在奥氏体基体中的溶解度较低，会优先向液相偏析，所以较高的Mo含量使材料的偏析现象更为明显，而Mo元素的偏析又会促进沉淀的形成，导致大量的σ相、χ相及Laves相等二次相在晶界析出；以上二次相在晶界上的分布可作为裂纹扩展的路径，使材料的塑性、韧性降低，严重的偏聚与析出也会使材料在后续的热加工过程当中易开裂。

因此，亟需一种抑制超级奥氏体不锈钢中析出相的形成，从而改进超级奥氏体不锈钢的性能。

发明内容

针对以上问题，本发明目的之一在于提供了一种抑制超级奥氏体不锈钢析出相的方法，该方法可以在超级奥氏体不锈钢制备过程中，调控其他合金元素Mo、Cr的扩散速率，通过调控其他合金元素Mo、Cr的扩散速率，调控合金元素Mo和Cr的偏析行为，抑制析出相的形成，减缓轧制过程中开裂的倾向。

为了达到上述目的，可以采用以下技术方案：

本发明一方面提供了一种抑制超级奥氏体不锈钢析出相的方法，包括：超级奥氏体不锈钢包含元素B和元素Y，按照重量百分比计，元素B≤0.007％，元素Y≤0.01％；将超级奥氏体不锈钢制成钢坯后，进行固溶空冷，低温扩散处理。

本发明另一方面提供了一种元素B和元素Y在抑制超级奥氏体不锈钢析出相中的应用。

本发明有益效果至少包括：本发明提供的抑制超级奥氏体不锈钢析出相的方法通过引入易向晶界偏析的微量合金元素B和Y，调控合金元素Mo、Cr的扩散速率；通过调控合金元素Mo、Cr的扩散速率，调控合金元素Mo和Cr的偏析行为，抑制析出相的形成，减缓轧制过程中开裂的倾向。

附图说明

图1为固溶后淬水与经过260℃保温不同时间处理后在950℃下时效60min试样的微观形貌图；其中(a)为固溶后淬水再时效试样，(b)为保温30min后再时效试样，(c)为保温90min后再时效试样，(d)为保温120min后再时效试样；

图2为在260℃下保温不同时间后在不同温度下时效60min试样的微观形貌图；其中，(a)为保温30min后再经950℃时效处理试样，(b)为保温90min后再经950℃时效处理试样，(c)为保温120min后再经950℃时效处理试样，(d)为保温30min后再经1050℃时效处理试样，(e)为保温90min后再经1050℃时效处理试样，(f)为保温120min后再经1050℃时效处理试样。

具体实施方式

所举实施例是为了更好地对本发明进行说明，但并不是本发明的内容仅局限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

本文中使用的术语仅用于描述特定实施例，并且无意于限制本公开。除非在上下文中具有明显不同的含义，否则单数形式的表达包括复数形式的表达。如本文所使用的，应当理解，诸如“包括”、“具有”、“包含”之类的术语旨在指示特征、数字、操作、组件、零件、元件、材料或组合的存在。在说明书中公开了本发明的术语，并且不旨在排除可能存在或可以添加一个或多个其他特征、数字、操作、组件、部件、元件、材料或其组合的可能性。如在此使用的，根据情况，“/”可以被解释为“和”或“或”。

本发明一方面提供了一种抑制超级奥氏体不锈钢析出相的方法，包括：超级奥氏体不锈钢包含元素B和元素Y，按照重量百分比计，元素B≤0.007％，元素Y≤0.01％；将超级奥氏体不锈钢制成钢坯后，进行固溶空冷，低温扩散处理。该方法可以调控其他合金元素Mo、Cr的扩散速率，从而调控合金元素Mo和Cr的偏析行为，抑制析出相的形成，减缓轧制过程中开裂的倾向。

具体地，B元素目前已被广泛应用于低合金高强度钢、不锈钢、超级不锈钢和镍基合金等材料中用以强化晶界、改善高温热塑性、改善钢的淬透性等；对于以上材料而言，B在晶界偏聚时，其钉扎作用可以提高合金的强度和热加工性能，还可以提高晶界的粘结力，优化二次相分布。

具体地，稀土元素可以起到净化晶界、细化凝固组织的作用，稀土元素Y元素可以通过脱氧、脱硫改性夹杂物类型，提高铸坯的纯净度；稀土元素Y易于在晶界处偏析，从而占据晶界空位，减轻其他合金元素在晶界的偏析，从而抑制析出相的形成，提高材料的成形能力；稀土Y元素一方面可促进Cr向钢表面析出，另一方面还能优先与O发生反应并形成细小的钇氧化物，为Cr₂O₃提供形核核心；两方面共同作用，在钢的表面形成一层致密、粘附的富Cr氧化层，为降低钢的氧化速率，提高钢的抗氧化能力提供了良好的条件。

在某些具体实施例中，上述超级奥氏体不锈钢制成钢坯的方法包括：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后空冷，冷却至室温时脱模。然后将铸锭置于1200℃的电阻加热炉中均质化处理12-24h，空冷至室温，继续将铸锭置于电阻加热炉中并升温到1250℃，保温30min，最后轧制成钢板。在某些具体实施例中，可以浇铸成120×100×500mm的铸锭，热轧成25mm的中、厚板。

进一步地，上述抑制超级奥氏体不锈钢析出相的方法中，超级奥氏体不锈钢按照重量百分比计，包括：C≤0.02％、Si≤0.8％、Mn≤1.50％、P≤0.03％、S≤0.01％、18.5％≤Ni≤25.5％、0.9％≤Cu≤1.1％、0.20％≤N≤0.35％、19.5％≤Cr≤22.5％、4.0％≤Mo≤7.0％、B≤0.007％和Y≤0.01％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。

进一步地，上述抑制超级奥氏体不锈钢析出相的方法中，将超级奥氏体不锈钢制成钢坯的方法包括：将超级奥氏体不锈钢中的合金成分浇铸，冷却，脱模，1150℃-1250℃均质，冷却至室温，升温至1200℃-1300℃，保温，制成钢坯。

进一步地，上述抑制超级奥氏体不锈钢析出相的方法中，在一些实施例中，固溶可以包括：在1150℃-1250℃经过50min-150min固溶处理；比如1200℃经过60min固溶处理。在某些具体实施例中，固溶可以包括：将钢坯切块后放置于1200℃下的马弗炉中经过60min的固溶处理后进行空冷，控冷处理有助于置换原子Y在晶界的析出。在某些具体实施例中，可以将钢坯切成15×15×3mm的小块。

进一步地，上述抑制超级奥氏体不锈钢析出相的方法中，在一些实施例中，低温扩散可以包括：在250℃-350℃下保温30min-120min；比如在250℃-270℃下保温30min、90min、120min。具体地，低温扩散处理有利于调控间隙原子B向晶界的偏析，以此调控合金元素Mo、Cr的偏析。

进一步地，上述抑制超级奥氏体不锈钢析出相的方法中，低温扩散处理后可以进行时效处理，迅速水冷。

进一步地，上述时效处理可以包括：750℃-1050℃保温15min-120min；比如950℃保温60min。

本发明另一方面提供了一种元素B和元素Y在抑制超级奥氏体不锈钢析出相中的应用。需要说明的是，现有专利ZL 201910372589.0也提出高Mo、Cr含量的超级奥氏体不锈钢随着时效时间的延长，添加复合微量的B和Ce元素可以抑制Mo等合金元素在晶界的偏聚。但是本发明中引入B和Y元素后，B和Y易在晶界偏析并阻碍其他合金元素的扩散，使晶界处的Mo、Cr含量降低，抑制析出相的生成；Y的加入通过减少夹杂物的数量、降低夹杂物的尺寸调控夹杂物；同时Y元素可以促进Cr向表面偏聚，增加氧化层Cr₂O₃的致密度，以此提高超级奥氏体不锈钢的抗氧化性。因此，引入稀土元素Y对析出相的抑制作用、对夹杂物的调控作用和对氧化层致密性的作用均比Ce元素更为显著。故利用B和Y元素在超级奥氏体不锈钢晶界上的偏析行为，可抑制钢中析出相的形成，改善轧制过程中易开裂、材料热塑性差等热加工问题。

为了更好地理解本发明，下面结合具体示例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的示例。

实施例1B、Y微合金化超级奥氏体不锈钢的制备

本发明实施例中的超级奥氏体不锈钢的化学成分按照重量百分比计为：C为0.02％、Si为0.65％、Mn为1.50％、P为0.03％、S为0.01％、Ni为18.0％、Cu为1.5％、N为0.3％、Cr为20.0％、Mo为6.5％、B为0.005％和Y为0.005％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。

按照上述超级奥氏体不锈钢的成分配比在真空感应炉中冶炼，在真空状态下浇铸成120×100×500mm的铸锭后空冷，冷却至室温时脱模；然后将铸锭置于1200℃的电阻加热炉中均质化处理12-24h，空冷至室温，继续将铸锭置于电阻加热炉中并升温到1250℃，保温30min，最后热轧成25mm的中、厚板。

实施例2低温扩散处理下B、Y复合掺杂超级奥氏体不锈钢时效试样析出相分布

在实施例1中制得的超级奥氏体不锈钢上切取几个15×15×3mm的试样并放入1180℃下的马弗炉中经过50min的固溶处理，之后将试样取出淬水和空冷，控冷利于置换原子Y向晶界偏析；将空冷后的试样分别在260℃下保温30、90和120min；低温扩散处理有利于调控间隙原子B向晶界的偏析，以此调控合金元素Mo、Cr的偏析；随后将马弗炉加热到950℃，然后将固溶后淬水的试样与固溶空冷后经过低温扩散处理的试样一同置于马弗炉中进行保温60min的时效处理，时效处理后将试样迅速水冷；

将制备好的试样经过不同道次砂纸的研磨后机械抛光、金相腐蚀，利用扫描电子显微镜对固溶后淬水与固溶空冷又经过低温扩散处理后在950℃下时效60min试样做微观形貌分析。分析结果如图1所示，与经空冷后低温扩散处理的试样比，固溶后淬水再时效的试样中晶界处的析出相连续分布，晶内析出相较多。在固溶的过程中，Mo、Cr等合金元素会由于在基体相奥氏体中的溶解度较低，极易向晶界或缺陷处偏聚形成析出相，因此在晶界处和晶内均有析出相的存在。经空冷+低温扩散处理后，试样表面晶内的析出相含量明显减少，晶界处析出相明显减少且呈断续分布。随低温扩散的时间延长，晶界处析出相的断续程度更为显著。由于B和Y在奥氏体中的溶解度极低，因此增加空冷+低温扩散处理工艺的目的是为了促使B和Y向晶界偏析，进而抑制Mo、Cr在晶界偏聚，减少析出相的生成。实验结果表明，空冷+低温扩散处理工艺有助于B、Y协同抑制Mo、Cr在晶界的偏析，进而抑制析出相的生成。

实施例3不同热处理方式下B、Y复合掺杂超级奥氏体不锈钢时效试样析出相分布

在实施例1中制得的超级奥氏体不锈钢上切取几个试样并放入马弗炉中进行固溶处理，之后将试样取出空冷；将空冷后的试样分别在260℃下保温30、90和120min；随后将马弗炉分别加热到950℃和1050℃，经低温扩散30min后的试样分别放入950和1050℃的马弗炉中时效60min，同样，经低温扩散90min的试样也分别放入950和1050℃的马弗炉中进行时效处理，经低温扩散120min的试样也分别放入950和1050℃的马弗炉中进行时效处理，时效后的试样迅速水冷；

对试样进行打磨、抛光和金相腐蚀，利用扫描电子显微镜对经过不同时间低温扩散处理后在不同温度下时效60min的试样进行微观形貌表征。随着低温扩散时间的延长，试样表面晶界处析出相的断续程度增加。当低温扩散30min时，随着时效温度的升高，晶界处的析出相呈断续分布。当低温扩散时间长达90min时，随时效温度的升高，晶界处析出相的断续程度明显加大，晶内析出相数量减少。当低温扩散时间长达120min时，晶界处析出相极少，晶内无析出相析出。

综上，当热处理工艺为固溶后空冷、低温扩散时间长达120min、时效温度高达1050℃时，样品表面的析出相数量最少，如图2所示。实验结果表明选择适当的低温扩散方式和时效处理方式可以充分利用B、Y元素的晶界偏析效应抑制Mo、Cr元素的偏析，进而抑制析出相的形成，提高材料的力学性能与热加工性能，减缓在轧制过程中的开裂倾向。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围。

Claims

1.一种抑制超级奥氏体不锈钢析出相的方法，其特征在于，包括：超级奥氏体不锈钢包含元素B和元素Y，按照重量百分比计，元素B≤0.007％，元素Y≤0.01％；将超级奥氏体不锈钢制成钢坯后，进行固溶空冷处理，进一步在250℃-350℃下进行低温扩散处理，之后进行时效处理，迅速水冷；超级奥氏体不锈钢按照重量百分比计，包括：C≤0.02％、Si≤0.8％、Mn≤1.50％、P≤0.03％、S≤0.01％、18.5％≤Ni≤25.5％、0.9％≤Cu≤1.1％、0.20％≤N≤0.35％、

19.5％≤Cr≤22.5％、4.0％≤Mo≤7.0％、B≤0.007％和Y≤0.01％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素；低温扩散时间设置为120min、时效温度设置为1050℃。

2.根据权利要求1所述的抑制超级奥氏体不锈钢析出相的方法，其特征在于，将超级奥氏体不锈钢制成钢坯的方法包括：将超级奥氏体不锈钢中的合金成分浇铸，冷却，脱模，1150℃-1250℃均质，冷却至室温，升温至1200℃-1300℃，保温，制成钢坯。

3.根据权利要求1所述的抑制超级奥氏体不锈钢析出相的方法，其特征在于，固溶包括：在1150℃-1250℃经过50min-150min固溶处理，固溶后空冷。