CN116622948B - 一种等轴奥氏体-形变奥氏体片层相间异质结构的不锈钢 - Google Patents
一种等轴奥氏体-形变奥氏体片层相间异质结构的不锈钢 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种等轴奥氏体‑形变奥氏体片层相间异质结构的不锈钢及其制备方法。本发明首先对亚稳奥氏体不锈钢板进行高温加热处理，提升晶粒尺寸；然后进行低温交叉压延变形处理，使退火态粗晶的奥氏体晶粒转变为形变诱发马氏体；接着进行退火处理，使形变诱发马氏体逆相变为等轴状的细小奥氏体；随之进行中温交叉压延变形处理，使等轴状的细小奥氏体转变为形变奥氏体；最后将激光作为热源对上述钢板进行选区加热处理，使选定区域材料组织中的形变奥氏体再结晶为等轴状无缺陷的奥氏体，获得无缺陷奥氏体‑形变奥氏体片层相间的异构组织，实现亚稳奥氏体不锈钢等轴奥氏体‑形变奥氏体片层相间的结构设计。
Description
技术领域
本发明属于不锈钢生产技术领域，特别涉及一种等轴奥氏体-形变奥氏体片层相间异质结构的不锈钢及其制备方法。
背景技术
奥氏体不锈钢以其无磁性、耐腐蚀、抗氧化和易加工等性能特点被广泛应用于各工业领域。相比铁素体和马氏体耐蚀不锈钢，奥氏体不锈钢以其无磁性的特点可应用于对磁场有特殊要求的严苛服役环境。然而，目前商业奥氏体不锈钢常以粗晶组织供货，导致其屈服强度较低，仅为100-300MPa，这使奥氏体不锈钢难以用于高强构件。构件轻量化及服役安全性提出了更高的要求，当前低屈服强度的奥氏体不锈钢难以满足上述设计要求。可见，奥氏体不锈钢过低的屈服强度成为了其发展的难题。
奥氏体不锈钢屈服强度提升的方法主要有细晶强化、固溶强化和形变诱发马氏体相变强化，其中细晶强化主要用于制备超细晶实现高强度，而该方法对设备要求高、且获得的组织均匀性差，并未得到广泛推广。固溶强化则需要添加大量昂贵合金元素，且提升强度的效果差，同样未被广泛应用。形变诱发马氏体相变强化可有效提升奥氏体不锈钢的屈服强度，但是其却降低了不锈钢的塑性，同时引入了磁性马氏体，使不锈钢具有磁性无法应用在无磁严苛环境。因此，为保证我国工业领域的快速安全的发展，开发无磁高强奥氏体不锈钢及其制备方法成为了科研人员需要解决的一个难题。
奥氏体不锈钢在高于其Md30温度变形时，组织内不会引入形变诱发马氏体，而会引入位错、剪切带等形变缺陷，使奥氏体晶粒发生加工硬化，提升奥氏体不锈钢的屈服强度，此强化方式可称为形变强化。与形变诱发马氏体相变强化相比，形变强化同样会降低奥氏体不锈钢的塑性，但由于其未引入磁性马氏体可保证不锈钢无磁性的特点。可见，若克服形变强化降低奥氏体不锈钢塑性的难题，可使其成为提升奥氏体不锈钢屈服强度并保证无磁性的有效手段。
发明内容
本发明针对现有技术中形变强化提升亚稳奥氏体不锈钢屈服强度的同时降低其塑性的难题，提供了一种等轴奥氏体-形变奥氏体片层相间异质结构的不锈钢及其制备方法，其中片层状形变奥氏体用于提升亚稳奥氏体不锈钢的屈服强度，片层状等轴奥氏体则用于保证亚稳奥氏体不锈钢的塑性，二者协同作用实现亚稳奥氏体不锈钢高强塑性及无磁性设计。本发明首先将亚稳奥氏体不锈钢加热到高温态保温，调控其晶粒尺寸，降低奥氏体的机械稳定性；随后对上述不锈钢进行低温交叉压延变形处理，使等轴奥氏体转变为形变诱发马氏体；接着，对压延后的钢板进行退火处理，使形变诱发马氏体逆相变为等轴状的细小奥氏体晶粒；然后对退火后的钢板进行中温(高于Md30)交叉压延变形处理，使等轴状的细小奥氏体转变为变形态奥氏体；最后，利用激光选区加热处理工艺对中温变形后的钢板进行热处理，使选定区域材料组织中的形变奥氏体再结晶为等轴状无缺陷的奥氏体，获得无缺陷奥氏体-形变奥氏体片层相间的异构组织，实现亚稳奥氏体不锈钢等轴奥氏体-形变奥氏体片层相间的结构设计。
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等轴奥氏体-形变奥氏体片层相间异质结构的不锈钢的制备方法，包括如下步骤：
(1)将厚度为d的退火态亚稳奥氏体不锈钢板加热至1000-1100℃，并进行保温处理；所述d为5-8mm；
(2)将保温处理后的不锈钢板投入于-40～-100℃进行冷却处理；随后于相同温度下对冷却后的不锈钢板进行交叉压延变形处理，变形量为40-60％；
(3)将压延变形后的不锈钢板在780-820℃进行退火处理，获得等轴状的细小奥氏体；
(4)将退火后的不锈钢板在300-500℃进行交叉压延变形处理，变形量为60-80％，相邻两道次压延方向相差90度，获得变形态奥氏体不锈钢；
(5)沿不锈钢板压延方向，利用激光对交叉压延变形处理后的不锈钢板选取加热区进行加热处理，加热区呈直线状平行分布，激光的功率为100-300W，加工速度为1000-3000mm/min，束斑尺寸为0.5-1mm，相邻两个加热区中心之间的距离为1-1.5mm。
作为本优选地，步骤(1)中所述保温处理的时间为t1分钟，t1＝(10-15)*d；最优选地，所述保温处理的时间t1＝15*d。
作为优选地，步骤(1)中所述保温处理的温度为1100℃。
作为优选地，步骤(2)中所述冷却处理的时间为t2分钟，t2＝(20-30)*d；最优选地，所述冷却处理的时间t2＝25*d。
作为优选地，步骤(2)中所述冷却处理的温度为-80℃。
作为优选地，步骤(2)中相邻两次压延变性处理的压延方向相差90度。
作为优选地，步骤(2)中所述变形量为50％。
作为优选地，步骤(3)中所述退火处理的时间为t3分钟，t3＝(10-15)*d；最优选地，所述退火处理的时间t3＝12d。
作为优选地，步骤(3)中所述退火处理的温度为800℃。
作为优选地，步骤(4)中所述交叉压延变形处理的温度为400℃，变形量为70％。
作为优选地，步骤(5)中所述激光的功率为200W，加工速度为2000mm/min，束斑尺寸为0.8mm，相邻两个加热区中心之间的距离为1.2mm。
作为优选地，步骤(5)利用激光进行加热处理时，于钢板加热区两侧放置低温散热板，用于对未加热区进行散热、加热区快速冷却处理。
作为优选地，所述低温散热板的温度为-25～-80℃；最优选地，所述低温散热板的温度为-50℃。
本发明第二方面提供了根据上述制备方法制备得到的等轴奥氏体-形变奥氏体片层相间异质结构的不锈钢。
本发明首先对商业亚稳奥氏体不锈钢进行高温保温处理，此步骤可以增大奥氏体的晶粒尺寸，晶粒尺寸越大，其机械稳定性越低，这将降低随后变形过程对设备的要求，也能形成更多的形变诱发马氏体。随后对大晶粒尺寸的不锈钢进行低温交叉压延变形处理，此过程有两个特点：低温和交叉压延，低温用于进一步降低奥氏体的机械稳定性，交叉压延则通过不同方向的变形促进形变诱发马氏体的形成。通过以上步骤，可使不锈钢中的奥氏体完全转变为形变诱发马氏体。接着，对压延变形后的不锈钢进行逆相变退火处理，调控退火温度，使形变诱发马氏体逆相变为等轴的细小晶粒奥氏体。此步骤是降低奥氏体的晶粒尺寸，小晶粒尺寸的奥氏体具有更高的强度，这使随后形变态的奥氏体具有更高的强度。继而，利用中温交叉压延变形处理，使细小的等轴状奥氏体转变为形变奥氏体。此步骤实现形变奥氏体的引入。最后，借助激光选区加热处理，将部分形变态奥氏体再结晶为等轴状的细小奥氏体，实现等轴奥氏体-形变奥氏体的异质结构设计，获得高屈服高塑性无磁的奥氏体不锈钢。
综上，本发明通过高温保温、低温交叉压延变形、逆相变退火、中温交叉压延变形、激光选区加热处理等多步骤工艺的耦合作用实现等轴奥氏体-形变奥氏体片层相间异质结构设计，实现亚稳奥氏体不锈钢的高强塑性及无磁性设计。
本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明提出了等轴奥氏体-形变奥氏体异质结构设计。利用形变强化提升了奥氏体不锈钢的屈服强度，又保证其无磁性和高塑性。
(2)本发提出了中温交叉压延变形+激光选区加热处理调控亚稳奥氏体不锈钢组织结构的新思路。且在未增加昂贵合金元素的基础上，提高了亚稳奥氏体不锈钢的综合力学性能；同时生产工艺简单，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
一种等轴奥氏体-形变奥氏体片层相间异质结构的不锈钢，其制备方法包括如下步骤：
(1)将5mm厚的退火态亚稳奥氏体不锈钢板加热至1100℃，并进行保温处理75min；
(2)将保温处理后的不锈钢板投入于-80℃进行冷却处理125min；随后于相同温度下对冷却后的不锈钢板进行交叉压延变形处理，变形量为50％，相邻两次压延变性处理的压延方向相差90度；
(3)将压延变形后的不锈钢板置于退火炉中于800℃下进行退火处理60min，获得等轴状的细小奥氏体；
(4)将退火后的不锈钢板在400℃进行交叉压延变形处理，变形量为70％，相邻两道次压延方向相差90度，获得变形态奥氏体不锈钢；
(5)沿不锈钢板压延方向，利用激光对交叉压延变形处理后的不锈钢板选取加热区进行加热处理，加热区呈直线状平行分布，加热区两侧放置有温度为-50℃的低温散热板；激光的功率为200W，加工速度为2000mm/min，束斑尺寸为0.8mm，相邻两个加热区中心之间的距离为1.2mm。
实施例2
一种等轴奥氏体-形变奥氏体片层相间异质结构的不锈钢，其制备方法包括如下步骤：
(1)将5mm厚的退火态亚稳奥氏体不锈钢板加热至1000℃，并进行保温处理50min；
(2)将保温处理后的不锈钢板投入于-40℃进行冷却处理100min；随后于相同温度下对冷却后的不锈钢板进行交叉压延变形处理，变形量为40％，相邻两次压延变性处理的压延方向相差90度；
(3)将压延变形后的不锈钢板置于退火炉中于780℃下进行退火处理50min，获得等轴状的细小奥氏体；
(4)将退火后的不锈钢板在300℃进行交叉压延变形处理，变形量为60％，相邻两道次压延方向相差90度，获得变形态奥氏体不锈钢；
(5)沿不锈钢板压延方向，利用激光对交叉压延变形处理后的不锈钢板选取加热区进行加热处理，加热区呈直线状平行分布，加热区两侧放置有温度为-25℃的低温散热板；激光的功率为100W，加工速度为1000mm/min，束斑尺寸为0.5mm，相邻两个加热区中心之间的距离为1mm。
实施例3
一种等轴奥氏体-形变奥氏体片层相间异质结构的不锈钢，其制备方法包括如下步骤：
(1)将5mm厚的退火态亚稳奥氏体不锈钢板加热至1050℃，并进行保温处理60min；
(2)将保温处理后的不锈钢板投入于-100℃进行冷却处理150min；随后于相同温度下对冷却后的不锈钢板进行交叉压延变形处理，变形量为60％，相邻两次压延变性处理的压延方向相差90度；
(3)将压延变形后的不锈钢板置于退火炉中于820℃下进行退火处理75min，获得等轴状的细小奥氏体；
(4)将退火后的不锈钢板在400℃进行交叉压延变形处理，变形量为80％，相邻两道次压延方向相差90度，获得变形态奥氏体不锈钢；
(5)沿不锈钢板压延方向，利用激光对交叉压延变形处理后的不锈钢板选取加热区进行加热处理，加热区呈直线状平行分布，加热区两侧放置有温度为-50℃的低温散热板；激光的功率为300W，加工速度为3000mm/min，束斑尺寸为1mm，相邻两个加热区中心之间的距离为1.5mm。
实施例4
一种等轴奥氏体-形变奥氏体片层相间异质结构的不锈钢，其制备方法包括如下步骤：
(1)将5mm厚的退火态亚稳奥氏体不锈钢板加热至1050℃，并进行保温处理50min；
(2)将保温处理后的不锈钢板投入于-45℃进行冷却处理110min；随后于相同温度下对冷却后的不锈钢板进行交叉压延变形处理，，变形量为55％，相邻两次压延变性处理的压延方向相差90度；
(3)将压延变形后的不锈钢板置于退火炉中于790℃下进行退火处理65min，获得等轴状的细小奥氏体；
(4)将退火后的不锈钢板在400℃进行交叉压延变形处理，变形量为75％，相邻两道次压延方向相差90度，获得变形态奥氏体不锈钢；
(5)沿不锈钢板压延方向，利用激光对交叉压延变形处理后的不锈钢板选取加热区进行加热处理，加热区呈直线状平行分布，加热区两侧放置有温度为-40℃的低温散热板；激光的功率为200W，加工速度为1000mm/min，束斑尺寸为1mm，相邻两个加热区中心之间的距离为1.4mm。
对比例1
一种不锈钢，其制备方法包括如下步骤：
(1)将5mm厚的退火态亚稳奥氏体不锈钢板投入于-80℃进行冷却处理125min；随后于相同温度下对冷却后的不锈钢板进行交叉压延变形处理，变形量为50％，相邻两次压延变性处理的压延方向相差90度；
(2)将压延变形后的不锈钢板置于退火炉中于800℃下进行退火处理60min；
(3)将退火后的不锈钢板在400℃进行交叉压延变形处理，变形量为70％，相邻两道次压延方向相差90度；
(4)沿不锈钢板压延方向，利用激光对交叉压延变形处理后的不锈钢板选取加热区进行加热处理，加热区呈直线状平行分布，加热区两侧放置有温度为-50℃的低温散热板；激光的功率为200W，加工速度为2000mm/min，束斑尺寸为0.8mm，相邻两个加热区中心之间的距离为1.2mm。
对比例2
一种不锈钢，其制备方法包括如下步骤：
(1)将5mm厚的退火态亚稳奥氏体不锈钢板加热至1100℃，并进行保温处理75min；
(2)将保温处理后的不锈钢板在400℃进行交叉压延变形处理，变形量为70％，相邻两道次压延方向相差90度；
(3)沿不锈钢板压延方向，利用激光对交叉压延变形处理后的不锈钢板选取加热区进行加热处理，加热区呈直线状平行分布，加热区两侧放置有温度为-50℃的低温散热板；激光的功率为200W，加工速度为2000mm/min，束斑尺寸为0.8mm，相邻两个加热区中心之间的距离为1.2mm。
对比例3
一种不锈钢，其制备方法包括如下步骤：
(1)将5mm厚的退火态亚稳奥氏体不锈钢板加热至1100℃，并进行保温处理75min；
(2)将保温处理后的不锈钢板投入于-80℃进行冷却处理125min；随后于相同温度下对冷却后的不锈钢板进行交叉压延变形处理，变形量为50％，相邻两次压延变性处理的压延方向相差90度；
(3)将压延变形后的不锈钢板置于退火炉中于800℃下进行退火处理60min；
(5)沿不锈钢板压延方向，利用激光对退火处理后的不锈钢板选取加热区进行加热处理，加热区呈直线状平行分布，加热区两侧放置有温度为-50℃的低温散热板；激光的功率为200W，加工速度为2000mm/min，束斑尺寸为0.8mm，相邻两个加热区中心之间的距离为1.2mm。
对比例4
一种不锈钢，其制备方法包括如下步骤：
(1)将5mm厚的退火态亚稳奥氏体不锈钢板加热至1100℃，并进行保温处理75min；
(2)将保温处理后的不锈钢板投入于-80℃进行冷却处理125min；随后于相同温度下对冷却后的不锈钢板进行交叉压延变形处理，变形量为50％，相邻两次压延变性处理的压延方向相差90度；
(3)将压延变形后的不锈钢板置于退火炉中于800℃下进行退火处理60min；
(4)将退火后的不锈钢板在400℃进行交叉压延变形处理，变形量为70％，相邻两道次压延方向相差90度。
验证例1
分别取商业钢板、实施例1-4及对比例1-4制备获得的不锈钢，对其组织结构、导磁性、屈服强度和延伸率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商业钢板、实施例1-4及对比例1-4不锈钢检测结果
| 组别 | 是否获得异质结构 | 是否导磁 | 屈服强度(MPa) | 均匀延伸率 |
| 商业钢板 | 否 | 否 | 245 | 55％ |
| 实施例1 | 是 | 否 | 883 | 52％ |
| 实施例2 | 是 | 否 | 877 | 51％ |
| 实施例3 | 是 | 否 | 911 | 46％ |
| 实施例4 | 是 | 否 | 892 | 48％ |
| 对比例1 | 是 | 否 | 780 | 50％ |
| 对比例2 | 是 | 否 | 768 | 52％ |
| 对比例3 | 是 | 是 | 879 | 51％ |
| 对比例4 | 否 | 否 | 923 | 12％ |
通过对比实施例1-4不锈钢与商业不锈钢板的性能发现，等轴奥氏体-形变奥氏体片层相间异质结构能在不严重损害塑性和保证无磁性的条件下，大幅提升不锈钢的屈服强度。
通过对比实施例1与对比例1-4的结果，可得出如下结论：
(1)对照实施例与对比例可知，利用高温处理提升奥氏体的晶粒尺寸降低奥氏体的机械稳定性，以及采用低温交叉压延结合退火制备细小奥氏体能进一步提高异质结构的屈服强度。此外，异质结构的构建是改善不锈钢性能的关键，异质结构的类型则影响了不锈钢的导磁性。
(2)由于对比例1中未进行高温处理降低奥氏体的机械稳定性；对比例2未进行低温交叉压延结合退火制备细小奥氏体晶粒；对比例3中未采用中温交叉压延变形，未能实现等轴奥氏体-形变奥氏体的异质结构构建，获得了形变诱发马氏体-等轴奥氏体的异质结构，由于引入了马氏体丧失了无磁性的特点；对比例4中未采用激光选区加热处理，未能实现异质结构的构筑。以上说明，高温保温、低温交叉压延+退火、中温压延及激光选区加热处理均为必不可少的条件，只有上述各条件协同作用，才能获得最佳性能的等轴奥氏体-形变奥氏体异质结构，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 (8)
1.一种等轴奥氏体-形变奥氏体片层相间异质结构的不锈钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将厚度为d的退火态亚稳奥氏体不锈钢板加热至1000-1100℃，并进行保温处理；所述d为5-8mm；所述保温处理的时间为t1分钟，t1=（10-15）*d；
（2）将保温处理后的不锈钢板投入于-40~-100℃进行冷却处理；随后于相同温度下对冷却后的不锈钢板进行交叉压延变形处理，变形量为40-60%；
（3）将压延变形后的不锈钢板在780-820℃进行退火处理；所述退火处理的时间为t3分钟，t3=（10-15）*d；
（4）将退火后的不锈钢板在300-500℃进行交叉压延变形处理，变形量为60-80%，相邻两道次压延方向相差90度；
（5）沿不锈钢板压延方向，利用激光对交叉压延变形处理后的不锈钢板选取加热区进行加热处理，加热区呈直线状平行分布，激光的功率为100-300W，加工速度为1000-3000mm/min，束斑尺寸为0.5-1mm，相邻两个加热区中心之间的距离为1-1.5mm。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述冷却处理的时间为t2分钟，t2=（20-30）*d。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中且相邻两次压延变性处理的压延方向相差90度。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述交叉压延变形处理的温度为400℃，变形量为70%。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）中所述激光的功率为200W，加工速度为2000mm/min，束斑尺寸为0.8mm，相邻两个加热区中心之间的距离为1.2mm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）利用激光进行加热处理时，于钢板加热区两侧放置低温散热板。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述低温散热板的温度为-25~-80℃。
8.根据权利要求1-7任一项所述制备方法制备得到的等轴奥氏体-形变奥氏体片层相间异质结构的不锈钢。
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