CN115612813A - 一种提高低碳高合金马氏体不锈钢综合力学性能的热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高低碳高合金马氏体不锈钢综合力学性能的热处理方法，属于不锈钢热处理技术领域。本发明采用低碳高合金不锈钢材料，经热加工成形后进行退火处理，将得到材料进行奥氏体化处理，降温至Mf点以下并控冷一段时间，使残余奥氏体尽可能的转变成马氏体，然后进行第一次回火处理，使马氏体转变形成回火马氏体，将材料降温至Mf点以下并控冷一段时间，进行第二次冷处理，缓慢升温至室温，进行第二次回火。本发明的热处理方法保证了材料优良的室温综合力学性能：抗拉强度≥1900MPa、屈服强度≥1400MPa、延伸率≥15％、断面收缩率≥55％、冲击功AKu≥70J、洛氏硬度HRC≥53，确保材料高强度高硬度的同时具有较好的韧塑性。

Description

一种提高低碳高合金马氏体不锈钢综合力学性能的热处理 方法

技术领域

本发明属于不锈钢热处理技术领域，特别涉及一种提高低碳高合金马氏体不锈钢综合力学性能的热处理方法。

背景技术

为了满足航空工业的快速发展对结构材料的需求，新型高合金超高强度钢受到了学者们的高度关注，超高强度钢因具有高强韧性被广泛应用于制造航空航天各类零部件，由于其结构件服役环境较为恶劣，因此对于结构材料自身的力学性能提出了更高的要求，其性能极大影响结构件使用寿命和可靠性。

航空用结构件在服役过程中会承受巨大的载荷，故而要求其基础材料具有高强度的同时要兼具一定的韧性，以保证在使用过程中不因外力载荷而失效。而作为结构材料的高强韧马氏体不锈钢的最重要的性能指标就是屈服强度和抗拉强度，工业上常常采用合金化、热处理及形变强化等方式来改善钢的综合力学性能，这些强化手段的基本微观强化机制包括:固溶强化、细晶强化、位错强化、第二相强化、相变强化等。任何钢的强化并不是由单一的强化机制决定的,而是由几种强化机制叠加而获得，因此同时采用不同的强化机制可以得到多种强化机制的综合效果。随着现代工业的发展，对材料的强度要求越来越高，但是材料的强度和韧性通常是相互矛盾的，增加强度往往会降低韧性，反之提高韧性对强度也有损害。一般认为，韧性和塑性与应力的集中和缓和、材料的加工硬化、能量吸收与消散以及裂纹的形成和扩散有关，是反应材料断裂和变形的综合指标。其中断裂韧性的理论较为成熟而得到广泛应用。塑性髙的材料其韧性不一定高，因为韧性的大小要同时取决于塑性变形量的多少和加工硬化率的影响,只有两者同时较大时材料才会具有髙韧性。在上述强化机理中，除细晶强化外，其他的都会导致韧塑性的降低。一般提高韧性的途径主要包括降低碳质量分数以及有害元素质量分数、细化奥氏体晶粒、消除粗大碳化物和晶界薄膜、提高位错密度、减小位错平均自由程、防止预先存在的显微裂纹、形变热处理、Q&P热处理、保留少量的稳定残余奥氏体、采用相变诱发塑性等。因此，研究开发一种提高低碳高合金马氏体不锈钢综合力学性能的方法成为当前亟待研究的重要课题。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是提供一种提高低碳高合金马氏体不锈钢综合力学性能的热处理方法，本发明采用Q-C-T-C-T(淬火+两次深冷回火)热处理工艺，通过调控热处理工艺参数，得到细小马氏体板条与薄膜状残余奥氏体相基体上弥散分布细小碳化物的组织，在提高马氏体不锈钢强度的同时能够保证其韧性，且具有较高的硬度。

本发明目的是通过以下方式实现：

本发明提供一种提高低碳高合金马氏体不锈钢综合力学性能的热处理方法，主要包括以下步骤：

(1)采用马氏体不锈钢材料，其组分及重量百分比含量为：C：0.1～0.15％、Cr：10～15％；Co：10～14％；Mo：4～6％；Ni：1.5～3％；V：0.5～0.8％；Nb：0.01～0.05％，其余为Fe及不可避免杂质；

(2)将步骤(1)的马氏体不锈钢进行退火处理，退火温度900℃～950℃；

(3)将步骤(2)得到材料进行奥氏体化处理，然后将奥氏体化后的材料油冷至室温；

(4)将步骤(3)得到的材料降温至Mf点以下，并控冷一段时间，使残余奥氏体尽可能的转变成马氏体，缓慢升温至室温；

(5)将步骤(4)得到的材料进行第一次回火处理，使马氏体转变形成回火马氏体，空冷至室温；

(6)将步骤(5)得到的材料降温至Mf点以下，并控冷一段时间，进行第二次冷处理，缓慢升温至室温；

(7)将步骤(6)得到的材料进行第二次回火，回火温度在490℃～515℃之间，保温时间≥1h，回火后空冷至室温。

基于上述技术方案，进一步地，步骤(1)中所述的马氏体不锈钢材料采用真空感应+真空自耗的方式熔炼制得不锈钢钢坯料，再经过热加工成形，热加工成形包括高温均质化处理和锻造/轧制工艺。

基于上述技术方案，进一步地，锻造/轧制工艺要求钢材开锻/轧温度为1050℃～1100℃，终锻/轧温度≥900℃，热加工总变形量≥80％，热轧棒材晶粒度7～8级。

基于上述技术方案，进一步地，步骤(3)中奥氏体化处理过程中奥氏体化温度为1040～1055℃，保温时间1～2h。

基于上述技术方案，进一步地，步骤(4)的Mf为-4℃。

基于上述技术方案，进一步地，步骤(4)的具体过程为将步骤(3)得到的材料降温至≤-80℃，控冷时间≥1h，降温速率为50～100℃/h；缓慢升温的升温速率≤30℃/h。

基于上述技术方案，进一步地，步骤(5)中所述的第一次回火处理的回火温度525～550℃，保温≥1h。

基于上述技术方案，进一步地，步骤(6)中具体过程为将步骤(5)得到的材料降温至≤-80℃，控冷时间≥1h，降温速率为50～100℃/h；缓慢升温的升温速率≤30℃/h。

本发明另一方面提供一种高强韧马氏体不锈钢，所述高强韧马氏体不锈钢经上述的热处理方法进行组织性能调控获得，其中，所述高强韧马氏体不锈钢力学性能满足：抗拉强度≥1900MPa、屈服强度≥1400MPa、延伸率≥15％、断面收缩率≥55％、冲击功AKu≥70J、洛氏硬度HRC≥53。。

本发明还提供上述的高强韧马氏体不锈钢在制备航空航天零件中的应用。

本发明相对于现有技术具有的有益效果如下：

1.本发明采用Q-C-T-C-T(淬火+两次深冷回火)热处理工艺，通过严格控制淬火温度、时间及淬火后冷却速度，深冷温度、时间及冷速，回火温度及时间等条件，在提高马氏体不锈钢强度的同时能够保证其韧性，且具有较高的硬度。

2.本发明得到综合力学性能优异的最佳热处理工艺参数，保证了材料优良的室温综合力学性能：抗拉强度≥1900MPa、屈服强度≥1400MPa、延伸率≥15％、断面收缩率≥55％、冲击功AKu≥70J、洛氏硬度HRC≥53；确保材料高强度高硬度的同时具有较好的韧塑性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例涉及的附图进行简单地介绍。

图1为本发明的热处理工艺流程。

图2为实施例1获得的高强韧不锈钢的显微组织图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细的说明，但本发明的实施方式不限于此，显而易见地，下面描述中的实施例仅是本发明的部分实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，获得其他的类似的实施例均落入本发明的保护范围。

本发明的提高低碳高合金马氏体不锈钢综合力学性能的热处理方法的主要过程如下：马氏体不锈钢组分及重量百分比含量为：C：0.1～0.15％、Cr：10～15％；Co：10～14％；Mo：4～6％；Ni：1.5～3％；V：0.5～0.8％；Nb：0.01～0.05％，其余为Fe及不可避免杂质，在本发明的实施例中，上述马氏体不锈钢可经真空感应+真空自耗的方式熔炼制得不锈钢坯料，再经热加工成形和退火处理获得热轧退火态的马氏体不锈钢，其中，经热加工成形可包括高温均质化处理和锻造(轧制)工艺，例如但不限于，要求钢材开锻温度1050～1100℃，终锻温度≥900℃，热加工总变形量～80％，所获材料组织晶粒度7～8级；退火处理的退火温度可以是900～950℃。应当领会的是，上述熔炼、热轧、退火参数旨在示例性说明热轧退火态的马氏体不锈钢的获取过程，并不作为对本发明热处理方法的具体限定。具体地，依据本发明的马氏体不锈钢组织性能调控热处理方法可包含以下步骤：

1、将热轧退火态的马氏体不锈钢加热至完全奥氏体化温度Ac3(750℃)以上，并保温一定时间，使材料充分完成奥氏体相变，并使析出相完全回溶至基体，其中保温温度在1040～1055℃，保温时间1～2h；若温度低于1040℃析出相无法充分回溶至基体，进而导致在回火过程中析出的纳米级强化相数量减少，影响材料最终性能，温度高于1055℃则原奥氏体晶粒会过度长大，晶粒粗大会导致淬火得到的马氏体板条粗大，屈服强度会大幅下降；保温时间＜1h，析出相没有足够的时间回溶至基体，而保温时间过长也会导致原始晶粒粗大；奥氏体化保温结束后，材料以油冷的方式冷却至室温；此过程是为了使完全奥氏体化后钢材快速冷却促使奥氏体转变为马氏体，降温速率过快会导致材料内应力增加会提高钢材开裂的风险，降温速率过慢，则马氏体转变不完全，易导致残余奥氏体含量高、马氏体板条粗大等现象产生，残余奥氏体会在长期使用过程中发生马氏体相变，导致材料尺寸稳定性差，影响其使用性能。而马氏体板条粗大则会降低材料强度；

2、接着将材料至于控冷柜中，降温至马氏体相变结束温度Mf点以下，以促使未完全转变的奥氏体进一步转变为马氏体，转变更加彻底，降低材料中残余奥氏体含量，增加材料尺寸稳定性，其中降温速率应控制在50℃/h～100℃/h；控冷温度≤-80℃，控冷时间≥1h；若冷速太快会导致材料因急冷体积收缩引起开裂，冷速太慢则会马氏体转变不充分，控冷温度≤-80℃是为了提供足够的过冷度，为马氏体转变提供足够的相变驱动力，同时由于温度极低，铁的晶格常数有缩小的趋势，增加了C原子析出驱动力，促使细小的碳化物在回火过程中析出，起到第二相强化作用；控冷过程结束，材料应缓慢升温至室温，升温速率≤30℃/h，避免因快速升温而导致材料开裂；

3、接着将材料置于箱式电阻炉进行第一次回火处理，促进马氏体中过饱和碳原子以析出相的形式析出，细小弥散的第二相分布于马氏体基体中可以提高材料强度，其中回火温度应控制在525℃～550℃之间，保温时间≥1h；若回火温度＜525℃，回火过程提供的热能不足以使纳米级的碳化物充分析出，会导致材料强度降低，而温度＞550℃，会导致马氏体板条粗化，严重影响材料性能，回火完成后材料空冷至室温；

4、紧接着将第一次回火后的材料置于控冷柜中进行第二次冷处理，降温至马氏体相变结束温度Mf点以下，其中降温速率应控制在50℃/h～100℃/h，控冷温度≤-80℃，控冷时间≥1h；若冷速太快会导致材料因急冷体积收缩引起开裂，冷速太慢则会马氏体转变不充分，控冷温度≤-80℃是为了提供足够的过冷度，为马氏体转变提供足够的相变驱动力，使残余奥氏体进一步转化为马氏体组织，不仅能够有效细化马氏体组织，且经冷处理后遗留在基体中的残余奥氏体会以薄膜状的形态存在于基体中，有利于改善材料韧性，同时温度降低使得C原子从过饱和固溶体中析出，并且在马氏体板条边界及位错附近聚集，有利于纳米级的碳化物在二次回火过程中进一步析出，提高材料强韧性；保温结束后缓慢升温至室温，升温速率≤30℃/h；

5、紧接着将第二次深冷后材料置于箱式电阻炉进行回火处理，其中回火温度应控制在490℃～515℃之间，保温时间≥1h，回火后空冷至室温；若回火温度＜490℃，回火过程提供的热能不足以使纳米级的碳化物充分析出，会导致材料强度降低，而温度＞515℃，纳米级的碳化物在基体中充分析出，尽管材料强度硬度大幅提升，然而韧性会大幅降低，会影响材料实际使用。

实施例1

一种提高低碳高合金马氏体不锈钢综合力学性能的热处理方法，主要包括以下步骤：

1、本实施例中采用马氏体不锈钢热轧棒材，棒材组织晶粒度7～8级，其组分及重量百分比含量为：C：0.14％、Cr：13％；Co：14％；Mo：6％；Ni：1.5％；V：0.5％；Nb：0.01％，其余为Fe及不可避免杂质；

2、将材料进行退火处理，退火温度900℃；

3、接着将材料进行淬火处理，奥氏体化温度1055℃，保温1h，保温结束后油冷至室温；

4、接着将材料置于控冷柜中降温至-80℃保温2h，降温速率为50-100℃/h，保温结束后缓慢升温至室温，升温速率≤30℃/h；

5、接着将材料进行第一次回火处理，回火温度550℃保温1h，保温结束后空冷至室温；

6、第一次回火完成后紧接着将材料置于控冷柜中进行第二次冷处理，降温速率为50-100℃/h，冷处理温度为-80℃，保温2h，保温结束后缓慢升温至室温，升温速率≤30℃/h；

7、紧接着将完成第二次冷处理后材料进行第二次回火，回火温度490℃保温2h，保温结束后空冷至室温。

实施例2

一种提高低碳高合金马氏体不锈钢综合力学性能的热处理方法，主要包括以下步骤：

1、采用马氏体不锈钢热轧棒材，棒材组织晶粒度7～8级，其组分及重量百分比含量为：C：0.11％、Cr：14％；Co：11％；Mo：6％；Ni：2.5％；V：0.8％；Nb：0.01％，其余为Fe及不可避免杂质；

2、将材料进行退火处理，退火温度为950℃；

3、接着将材料进行淬火处理，奥氏体化温度1040℃，保温1.5h，保温结束后油冷至室温；

4、接着将材料置于控冷柜中降温至-80℃保温2h，降温速率为50-100℃/h，保温结束后缓慢升温至室温，升温速率≤30℃/h；

5、接着将材料进行第一次回火处理，回火温度525℃保温2h，保温结束后空冷至室温；

6、第一次回火完成后紧接着将材料置于控冷柜中进行第二次冷处理，冷处理温度为-80℃，降温速率为50-100℃/h，保温2h，保温结束后缓慢升温至室温，升温速率≤30℃/h；

7、紧接着将完成第二次冷处理后材料进行第二次回火，回火温度515℃保温2h，保温结束后空冷至室温。

对比例1

1、采用马氏体不锈钢热轧棒材，棒材组织晶粒度7～8级，其组分及重量百分比含量为：C：0.14％、Cr：13％；Co：14％；Mo：6％；Ni：1.5％；V：0.5％；Nb：0.01％，其余为Fe及不可避免杂质；

2、将材料进行退火处理，退火温度900℃；

3、接着将材料进行淬火处理，奥氏体化温度1100℃，保温1h，保温结束后油冷至室温；

4、接着将淬火后材料置于控冷柜中降温至-80℃保温2h，降温速率为50-100℃/h，保温结束后缓慢升温至室温，升温速率≤30℃/h；

5、接着将材料进行第一次回火处理，回火温度540℃保温1h，保温结束后空冷至室温；

6、第一次回火完成后紧接着将材料置于控冷柜中进行第二次冷处理，降温速率为50-100℃/h，冷处理温度为-80℃，保温2h，保温结束后缓慢升温至室温，升温速率≤30℃/h；

7、紧接着将完成第二次冷处理后材料进行第二次回火，回火温度540℃保温2h，保温结束后空冷至室温。

对比例2

1、采用马氏体不锈钢热轧棒材，棒材组织晶粒度7～8级，其组分及重量百分比含量为：C：0.11％、Cr：14％；Co：11％；Mo：6％；Ni：2.5％；V：0.8％；Nb：0.01％，其余为Fe及不可避免杂质；

2、将材料进行退火处理，退火温度为950℃；

3、接着将材料进行淬火处理，奥氏体化温度1050℃，保温1h，保温结束后油冷至室温；

4、接着将淬火后材料置于控冷柜中降温至-80℃保温2h，降温速率为50-100℃/h，保温结束后缓慢升温至室温，升温速率≤30℃/h；

5、接着将材料进行第一次回火处理，回火温度500℃保温2h，保温结束后空冷至室温；

6、第一次回火完成后紧接着将材料置于控冷柜中进行第二次冷处理，冷处理温度为-80℃，降温速率为50-100℃/h，保温2h，保温结束后缓慢升温至室温，升温速率≤30℃/h；

7、紧接着将完成第二次冷处理后材料进行第二次回火，回火温度500℃保温2h，保温结束后空冷至室温。

表1.实施例1-2制备的高强韧不锈钢的性能测试结果

由表1可以看出，本发明实施例1-2在提高材料屈服强度、抗拉强度、硬度的同时能够保证材料具有足够高的韧性，使材料达到良好的强韧性匹配，能够满足实际使用要求。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种提高低碳高合金马氏体不锈钢综合力学性能的热处理方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

(1)采用马氏体不锈钢材料，其组分及重量百分比含量为：C：0.1～0.15％、Cr：10～15％；Co：10～14％；Mo：4～6％；Ni：1.5～3％；V：0.5～0.8％；Nb：0.01～0.05％，其余为Fe及不可避免杂质；

(2)将步骤(1)的马氏体不锈钢进行退火处理，退火温度900℃～950℃；

(3)将步骤(2)得到材料进行奥氏体化处理，然后将奥氏体化后的材料油冷至室温；

(4)将步骤(3)得到的材料降温至Mf点以下，并控冷一段时间，使残余奥氏体尽可能的转变成马氏体，缓慢升温至室温；

(5)将步骤(4)得到的材料进行第一次回火处理，使马氏体转变形成回火马氏体，空冷至室温；

(6)将步骤(5)得到的材料降温至Mf点以下，并控冷一段时间，进行第二次冷处理，缓慢升温至室温；

(7)将步骤(6)得到的材料进行第二次回火，回火温度在490℃～515℃之间，保温时间≥1h，回火后空冷至室温。

2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，步骤(3)中奥氏体化处理过程中奥氏体化温度为1040～1055℃，保温时间1～2h。

3.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，步骤(4)的Mf为-4℃。

4.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，步骤(4)的具体过程为将步骤(3)得到的材料降温至≤-80℃，控冷时间≥1h，降温速率为50～100℃/h；缓慢升温的升温速率≤30℃/h。

5.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，步骤(5)中所述的第一次回火处理的回火温度525～550℃，保温≥1h。

6.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，步骤(6)中具体过程为将步骤(5)得到的材料降温至≤-80℃，控冷时间≥1h，降温速率为50～100℃/h；缓慢升温的升温速率≤30℃/h。

7.一种高强韧马氏体不锈钢，其特征在于，所述高强韧马氏体不锈钢经权利要求1-6中任一项所述的热处理方法进行组织性能调控获得，其中，所述高强韧马氏体不锈钢力学性能满足：抗拉强度≥1900MPa、屈服强度≥1400MPa、延伸率≥15％、断面收缩率≥55％、冲击功AKu≥70J、洛氏硬度HRC≥53。

8.权利要求7所述的高强韧不锈钢在制备航空航天零件中的应用。

Images