CN116103472A - 一种提高低碳高强马氏体不锈钢低温韧性的热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钢铁材料的技术领域，特别是一种提高低碳高强马氏体不锈钢低温韧性的热处理工艺，解决低碳高强马氏体不锈钢低温回火时易出现回火脆性的问题，主要用于制造高强耐蚀铸件或锻件。首先，测量相关材料的相变点；然后，将相关铸件或锻件加热到完全奥氏体化，按照常规工艺进行保温，保温结束后以空冷、油冷或水冷方式淬火；淬火后，对铸件或锻件首先进行150～250℃的中间低温回火处理，降低淬火应力，同时在材料中形成一定的碳、氮偏聚区；最后，对铸件或锻件进行380～480℃的回火处理，可有效消除回火脆性问题，获得高强高韧的马氏体不锈钢铸件或锻件。

Description

一种提高低碳高强马氏体不锈钢低温韧性的热处理工艺
技术领域：
本发明属于钢铁材料的技术领域，特别是一种提高低碳高强马氏体不锈钢低温韧性的热处理工艺，主要用于制造高强耐蚀铸件或锻件。
背景技术：
高强高韧马氏体不锈钢在重大工程领域有着广泛的应用需求。当前最常见的高强马氏体不锈钢是以PH17-4、PH15-5等为代表的沉淀强化型马氏体不锈钢，该类型马氏体不锈钢一般在淬火后需要进行480℃以上温度的时效处理，以析出金属间化合物强化相方式提高材料的屈服强度。此外，专利ZL200310104844.2(公开号CN1528937A)和本申请人的专利(申请号202211524123.6，名称：一种低碳含氮高强韧马氏体不锈钢及其热处理方法)，公开了在0Cr13Ni4Mo系列材料基础上进行成分和热处理工艺优化而得到高屈强比高强韧性马氏体不锈钢及其生产方法。
为了达到高屈强比和高强韧性目的，专利ZL200310104844.2(公开号CN1528937A)中要求材料的回火温度≥450℃；本申请人的专利(申请号202211524123.6，名称：一种低碳含氮高强韧马氏体不锈钢及其热处理方法)，则提出了控制回火热处理温度≤450℃，通过控制间隙原子含量和低温回火处理维持马氏体淬火产生的高位错密度提升材料强度的同时保留良好韧性。
在保持马氏体钢高强度的同时，如何进一步提升材料韧性，从而增加相关构件的服役安全性，具有重要的意义。众所周知，针对马氏体不锈钢的低温回火虽然有利于保留淬火后的高强度，但易出现回火脆性，从而使强韧性难以达到合理匹配。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种提高低碳高强马氏体不锈钢低温韧性的热处理工艺，在不改变工件成分、不提高设备成本、不大幅度改变原有热处理流程的情况下，通过调整回火前初始组织状态，达到避免析出诱发回火脆性的析出相，使材料在保持较高强度的同时保持良好的低温韧性。
本发明的技术方案：
一种提高低碳高强马氏体不锈钢低温韧性的热处理工艺，热处理工艺流程包括淬火→中间低温回火→回火，其中：
(1)淬火：将铸件或锻件加热到完全奥氏体化，按照马氏体不锈钢常规淬火工艺进行保温，保温结束后以空冷、油冷或水冷方式淬火，获得马氏体组织；
(2)中间低温回火：对铸件或锻件进行150～250℃的回火处理，降低淬火应力，同时在铸件或锻件中形成具有碳、氮偏聚区；
(3)回火：对铸件或锻件进行380～480℃的回火处理。
所述的提高低碳高强马氏体不锈钢低温韧性的热处理工艺，步骤(1)中，淬火热处理保温结束后以空冷、油冷或水冷方式淬火，在铸件或锻件中获得马氏体组织，保证材料具有较高的淬火态强度。
所述的提高低碳高强马氏体不锈钢低温韧性的热处理工艺，步骤(2)中，在淬火和回火热处理之间增加一道150～250℃的中间低温回火处理，一方面降低淬火应力，另一方面通过C、N原子扩散，在位错以及板条间隙缺陷位置处形成C、N元素偏聚区或析出相。
所述的提高低碳高强马氏体不锈钢低温韧性的热处理工艺，步骤(3)中，回火温度为380～480℃，回火后冷却方式为空冷，使马氏体不锈钢保持相对较高的位错密度，同时生成部分析出相强化。
所述的提高低碳高强马氏体不锈钢低温韧性的热处理工艺，按质量百分比计，低碳高强马氏体不锈钢的成分及含量如下：C≤0.1％；Cr 12～16.5％；Ni 3.5～6.0％；Si≤1.0％；Mn≤1.0％；N≤0.08％；Mo≤1.0％；Fe:余量。
本发明的设计思想和原理如下：
低碳高强马氏体不锈钢(按质量百分比计含量如下：C≤0.1％；Cr 12～16.5％；Ni3.5～6.0％；Si≤1.0％；Mn≤1.0％；N≤0.08％；Mo≤1.0％；Fe:余量)通常在淬火状态下具有高强度和较好的韧性。同时，由于合金元素含量相对较高，抗回火性能比较好，在经过≤480℃低温回火处理后，能够保留淬火态的高密度位错，从而可以维持较高的强度，但同时也存在因回火脆性而导致韧性，主要是低温韧性下降。
本发明提出通过在淬火处理后、回火处理前增加一道低温回火处理，改变诱发回火脆性析出相(或元素偏聚)初始元素分布状态的角度来避免有害析出相的析出，从而使高强马氏体不锈钢在经过≤480℃低温回火后仍能保持良好的韧性。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明在淬火和回火热处理之间增加一道150～250℃的中间低温回火处理，一方面降低淬火应力，另一方面通过C、N等原子扩散，在位错以及板条间隙等缺陷位置处形成C、N元素偏聚区或析出相，从而改变最终回火后析出相的析出行为，避免传统回火脆性现象的发生。
2、本发明回火温度为380～480℃，回火后冷却方式为空冷，使马氏体不锈钢保持相对较高的位错密度，同时可能生成部分析出相强化，并保持高强度。
3、采用本发明提高低碳高强马氏体不锈钢低温韧性的热处理工艺，其技术指标如下：屈服强度900～1100MPa，抗拉强度1100～1300MPa，延伸率15～20％，室温Akv：150～270J；-28℃Akv：120～260J；-40℃Akv：100～200J。
附图说明：
图1：实施例1铸件材料热处理后三维原子探针测得的碳原子分布图。
图2：实施例2棒材热处理后显微组织扫描电镜图。
图3：实施例3棒材热处理后显微组织扫描电镜图。
图4：实施例4棒材热处理后显微组织扫描电镜图。
具体实施方式：
在具体实施过程中，本发明提出一种提高低碳高强马氏体不锈钢低温韧性的热处理工艺：首先，测量相关材料的相变点；然后，将相关铸件或锻件加热到完全奥氏体化，按照常规工艺进行保温，保温结束后以空冷、油冷或水冷方式淬火；淬火后，对铸件或锻件首先进行150～250℃的中间低温回火处理，降低淬火应力，同时在材料中形成一定的碳、氮偏聚区；最后，对铸件或锻件进行380～480℃的回火处理，可有效消除回火脆性问题，获得高强高韧的马氏体不锈钢铸件或锻件。
优选的，淬火温度为950～1050℃，保温5～10小时；中间低温回火处理温度为160～200℃，保温8～12小时；回火处理温度为400～480℃，保温8～12小时。
下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。
实施例1
本实施例中，低碳高强马氏体不锈钢的化学成分为(质量分数)：C:0.09％；Cr:12.0％；Ni:3.55％；Si:0.5％；Mn:0.5％；N:0.01％；Mo:0.4％；Fe:余量。
上述马氏体不锈钢材料经过真空冶炼和浇注制备成铸件后，先进行1000℃奥氏体化，保温5小时后空冷淬火冷却至室温，得到100％马氏体组织；而后按照本发明先进行250℃回火10小时，而后冷却至室温后，再进行450℃回火10小时之后空冷至室温，测得材料力学性能如下：屈服强度1040MPa，抗拉强度1250MPa，延伸率17.5％，室温Akv：182J；-28℃Akv：170J；-40℃Akv：124J。作为对比，相关铸件在进行1000℃奥氏体化，保温5小时后空冷淬火冷却至室温热处理后，直接进行450℃回火10小时热处理，测得材料力学性能如下：屈服强度1025MPa，抗拉强度1240MPa，延伸率15.5％，室温Akv：128J；-28℃Akv：86J；-40℃Akv：24J。可见通过使用本发明提出的热处理工艺后，铸件的强度基本没有变化，但低温冲击韧性显著提升。
如图1所示，从实施例1铸件材料热处理后三维原子探针测得的碳原子分布图可以看出，添加250℃的低温回火可以在位错以及板条间隙等缺陷位置处形成C元素偏聚区，进而避免了后续450℃回火时出现回火脆性现象。
实施例2
本实施例中，低碳高强马氏体不锈钢的化学成分为(质量分数)：C:0.03％；Cr:16.5％；Ni:4.5％；Si:0.2％；Mn:0.9％；N:0.04％；Mo:0.8％；Fe:余量。
上述马氏体不锈钢材料经过真空冶炼和浇注制备成钢锭后，而后按照常规工艺进行锻造形成φ200mm棒材，对棒材先进行1000℃奥氏体化，保温4小时后油冷淬火冷却至室温，得到100％马氏体组织；而后按照本发明先进行180℃回火8小时，而后冷却至室温后，再进行480℃回火8小时之后空冷至室温，测得材料力学性能如下：屈服强度980MPa，抗拉强度1170MPa，延伸率18％，室温Akv：226J；-28℃Akv：215J；-40℃Akv：184J。作为对比，相关棒材在进行1000℃奥氏体化，保温4小时后油冷淬火冷却至室温热处理后，直接进行480℃回火8小时热处理，测得材料力学性能如下：屈服强度965MPa，抗拉强度1150MPa，延伸率18％，室温Akv：135J；-28℃Akv：85J；-40℃Akv：33J。可见通过使用本发明提出的热处理工艺后，棒材的强度基本没有变化，但低温冲击韧性显著提升。
如图2所示，从实施例2棒材热处理后显微组织扫描电镜图可以看出，经过180℃中间低温回火处理+480℃回火处理后，在马氏体板条内(而非仅进行480℃回火时在板条间析出)析出了细小析出相，这些析出相是因为180℃低温回火时在板条内的位错线附近偏聚了碳、氮原子，为后续板条内析出相的析出提供了基础。这些板条内的析出相不仅略微提升了材料的强度，而且不会损坏材料韧性。
实施例3
本实施例中，低碳高强马氏体不锈钢的化学成分为(质量分数)：C:0.08％；Cr:13.5％；Ni:5.8％；Si:0.9％；Mn:0.9％；N:0.07％；Mo:0.5％；Fe:余量。
上述马氏体不锈钢材料经过真空冶炼和浇注制备成钢锭后，而后按照常规工艺进行锻造形成φ200mm棒材，对棒材先进行980℃奥氏体化，保温4小时后油冷淬火冷却至室温，得到100％马氏体组织；而后按照本发明先进行200℃回火8小时，而后冷却至室温后，再进行380℃回火8小时之后空冷至室温，测得材料力学性能如下：屈服强度1090MPa，抗拉强度1280MPa，延伸率16％，室温Akv：153J；-28℃Akv：122J；-40℃Akv：108J。作为对比，相关棒材在进行980℃奥氏体化，保温4小时后油冷淬火冷却至室温热处理后，直接进行350℃回火8小时热处理，测得材料力学性能如下：屈服强度1060MPa，抗拉强度1270MPa，延伸率16％，室温Akv：114J；-28℃Akv：67J；-40℃Akv：25J。可见通过使用本发明提出的热处理工艺后，棒材的强度基本没有变化，但低温冲击韧性显著提升。
如图3所示，从实施例3棒材热处理后显微组织扫描电镜图可以看出，对淬火态材料先进行200℃中间低温回火处理，而后再进行380℃回火之后的显微组织板条内部出现大量细小的针状析出相，这些析出相的析出是因为预先进行的200℃回火处理使碳氮元素在马氏体板条内的缺陷处偏聚，为后续380℃回火时板条内析出相的析出提供优先形核位置，避免了板条界和晶界的析出相析出，从而与传统直接回火相比显著提升了材料的韧性。
实施例4
本实施例中，低碳高强马氏体不锈钢的化学成分为(质量分数)：C:0.05％；Cr:14.6％；Ni:5.2％；Si:0.3％；Mn:0.2％；N:0.03％；Mo:0.2％；Fe:余量。
上述马氏体不锈钢材料经过真空冶炼和浇注制备成钢锭后，而后按照常规工艺进行锻造形成φ300mm棒材，对棒材先进行1000℃奥氏体化，保温6小时后空冷淬火冷却至室温，得到100％马氏体组织；而后按照本发明先进行160℃回火8小时，而后冷却至室温后，再进行400℃回火8小时之后空冷至室温，测得材料力学性能如下：屈服强度975MPa，抗拉强度1170MPa，延伸率19％，室温Akv：254J；-28℃Akv：245J；-40℃Akv：194J。作为对比，相同的棒材在进行1000℃奥氏体化，保温6小时后空冷淬火冷却至室温热处理后，直接进行400℃回火8小时热处理，测得材料力学性能如下：屈服强度984MPa，抗拉强度1185MPa，延伸率18％，室温Akv：156J；-28℃Akv：106J；-40℃Akv：36J。可见通过使用本发明提出的热处理工艺后，棒材的强度基本没有变化，但低温冲击韧性显著提升。
如图4所示，从实施例4棒材热处理后显微组织扫描电镜图可以看出，对淬火态材料先进行160℃中间低温回火处理，而后再进行400℃回火之后的显微组织板条内部出现大量细小的针状析出相，这些析出相的析出是因为预先进行的160℃回火处理使碳氮元素在马氏体板条内的缺陷处偏聚，为后续400℃回火时板条内析出相的析出提供优先形核位置，避免了板条界和晶界的析出相析出，从而与传统直接回火相比显著提升了材料的韧性。
实施结果表明，本发明通过添加中间低温回火处理改变后续回火析出相析出的初始状态的方法，避免回火脆性发生，进一步提高马氏体不锈钢低温冲击韧性，解决低碳高强马氏体不锈钢低温回火时易出现回火脆性的问题。

Claims (5)

1.一种提高低碳高强马氏体不锈钢低温韧性的热处理工艺，其特征在于，热处理工艺流程包括淬火→中间低温回火→回火，其中：
(1)淬火：将铸件或锻件加热到完全奥氏体化，按照马氏体不锈钢常规淬火工艺进行保温，保温结束后以空冷、油冷或水冷方式淬火，获得马氏体组织；
(2)中间低温回火：对铸件或锻件进行150～250℃的回火处理，降低淬火应力，同时在铸件或锻件中形成具有碳、氮偏聚区；
(3)回火：对铸件或锻件进行380～480℃的回火处理。
2.根据权利要求1所述的提高低碳高强马氏体不锈钢低温韧性的热处理工艺，其特征在于，步骤(1)中，淬火热处理保温结束后以空冷、油冷或水冷方式淬火，在铸件或锻件中获得马氏体组织，保证材料具有较高的淬火态强度。
3.根据权利要求1所述的提高低碳高强马氏体不锈钢低温韧性的热处理工艺，其特征在于，步骤(2)中，在淬火和回火热处理之间增加一道150～250℃的中间低温回火处理，一方面降低淬火应力，另一方面通过C、N原子扩散，在位错以及板条间隙缺陷位置处形成C、N元素偏聚区或析出相。
4.根据权利要求1所述的提高低碳高强马氏体不锈钢低温韧性的热处理工艺，其特征在于，步骤(3)中，回火温度为380～480℃，回火后冷却方式为空冷，使马氏体不锈钢保持相对较高的位错密度，同时生成部分析出相强化。
5.根据权利要求1所述的提高低碳高强马氏体不锈钢低温韧性的热处理工艺，其特征在于，按质量百分比计，低碳高强马氏体不锈钢的成分及含量如下：C≤0.1％；Cr 12～16.5％；Ni 3.5～6.0％；Si≤1.0％；Mn≤1.0％；N≤0.08％；Mo≤1.0％；Fe:余量。
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