CN117025901B - 提升13Cr马氏体不锈钢的低温冲击韧性的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种提升13Cr马氏体不锈钢的低温冲击韧性的热处理方法，属于不锈钢热处理工艺领域。该热处理方法包括：S100、退火：将13Cr锻材进行退火，退火后的锻材的硬度范围为HRC 27~32；退火后的锻材的横向晶粒和纵向晶粒尺寸均大于5级；S200、一次固溶：将经步骤S100退火后的锻材加热至1000~1020℃，到温后保温，而后出炉风冷至室温；S300、二次固溶：将经一次固溶处理后的锻材加热至900~960℃，到温后保温，而后水冷至100℃以下，随后出水空冷至室温；S400、回火：将经二次固溶水淬处理后的锻材进行回火，空冷至室温，得到提升低温冲击韧性的13Cr马氏体不锈钢。本发明的热处理方法在保证拉伸性能的前提下可将13Cr马氏体不锈钢零下50℃冲击韧性提升到180~210 J。

Description

提升13Cr马氏体不锈钢的低温冲击韧性的热处理方法
技术领域
本发明属于不锈钢热处理工艺领域，具体涉及一种提升13Cr马氏体不锈钢的低温冲击韧性的热处理方法以及用这种方法得到的13Cr马氏体不锈钢。
背景技术
基于Fe-Cr-Ni体系的超级13Cr马氏体不锈钢因其较广的硬度和力学性能范围以及相较于同强度等级的沉淀硬化马氏体不锈钢更好的经济性，在航空航天、海洋装备和油气开采等领域已具有广泛的应用。然而，对于服役于低温条件下的特殊结构件，比如低温压缩机轴、液体燃料储存容器等，不仅要求所用的材料必须满足高强度，同时应具备优良的低温冲击韧性，以保证服役安全性及可靠性。
传统的超级13Cr锻材热处理工艺为：退火+高温固溶、空冷+回火。经该种常规方式热处理的超级13Cr的-50℃冲击韧性通常为50~70J（测试方法依据GB/T 229--2020 金属材料夏比摆锤冲击试验方法）。为使超级13Cr满足低温环境对材料韧性的高要求，进一步拓展超级13Cr的应用范围，超级13Cr不锈钢锻材必须在热处理过程中既能保持马氏体钢的高强度，同时具备较高的低温冲击韧性。
基于以上，有必要开发一种提升13Cr马氏体不锈钢的低温冲击韧性的热处理方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提升超级13Cr马氏体不锈钢的低温冲击韧性的热处理方法，以提升该钢种的综合低温力学性能。
基于此，有必要针对上述技术问题，采用以下技术方案：
本发明提供了一种提升13Cr马氏体不锈钢的低温冲击韧性的热处理方法，包括以下步骤：
S100、退火：将13Cr锻材进行退火，退火后的锻材的硬度范围为HRC 27~32；退火后的锻材的横向晶粒和纵向晶粒尺寸均大于5级；
S200、一次固溶：将经步骤S100退火后的锻材加热至1000~1020℃，到温后保温，而后出炉风冷至室温；
S300、二次固溶：将经步骤S200一次固溶处理后的锻材加热至900~960℃，到温后保温，而后水冷至100℃以下，随后出水空冷至室温；
S400、回火：将经步骤S300二次固溶水淬处理后的锻材进行回火，而后出炉空冷至室温，得到提升低温冲击韧性的13Cr马氏体不锈钢。
在一些实施例中，13Cr马氏体不锈钢由以下组分组成：C≤0.03wt%、Si≤0.5wt%、0.5 wt%≤Mn≤1wt%、P≤0.02wt%、S≤0.005wt%、4.0wt%≤Ni≤6.0wt%、12.5wt%≤Cr≤14.0wt%、1wt%≤Mo≤2.5wt%、Cu≤0.05wt%、Al≤0.05wt%，余量为Fe。
在一些实施例中，步骤S100的退火过程包括：将完成锻造变形的13Cr锻材在温度阈值为大于550℃且小于13Cr马氏体不锈钢的Ac1温度下进行保温退火处理，出炉空冷至室温。
在一些实施例中，步骤S200中，将经步骤S100退火后的锻材以1~3℃/min的升温速率加热至1000~1020℃，到温后保温180~210min，而后出炉风冷至室温。
在一些实施例中，步骤S300中，将经步骤S200一次固溶处理后的锻材以1~3℃/min的加热速率加热至900~960℃，到温后保温40~60min，而后水冷至100℃以下，随后出水空冷至室温。
在一些实施例中，步骤S400中，将经步骤S300二次固溶水淬处理后的锻材以按1~2℃/min加热速率加热至400~420℃，到温后保温180~200 min，而后出炉空冷至室温。
在一些实施例中，低温冲击韧性为13Cr马氏体不锈钢在零下50℃的冲击韧性。
在一些实施例中，步骤S400得到的13Cr马氏体不锈钢的低温冲击韧性为180~210J。
本发明还提供一种提升低温冲击韧性的13Cr马氏体不锈钢，由如上所述的热处理方法进行处理得到。
本发明具有以下有益技术效果：
本发明提供了一种提升超级13Cr马氏体不锈钢的低温冲击韧性的热处理方法，以提升这种钢的综合低温力学性能。传统的超级13Cr锻材热处理工艺为：退火+高温固溶+回火。经该种常规热处理方式加工的超级13Cr的-50℃冲击韧性通常为AKv(-50℃) 50~70 J（测试方法依据GB/T 229--2020 金属材料 夏比摆锤冲击试验方法）。本发明的方法通过在锻制完成后的超级13Cr棒料的后续热处理工序中形成具有良好热稳定性且均匀分布的细小逆转变奥氏体韧性相，以及在此过程中对马氏体板条的细化，实现了超级13Cr在-50℃低温时的良好强度和韧性匹配。通过本发明的提升马氏体不锈钢热处理方法处理的超级13Cr在保证拉伸性能的前提下可将该材料零下50℃冲击韧性提升到AKv(-50℃) 180~210 J。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明实施例进一步详细说明。
本发明的实施例提供了提升超级13Cr马氏体不锈钢-50℃低温冲击韧性的热处理方法。
基于Fe-Cr-Ni体系的超级13Cr马氏体不锈钢（其化学成份范围如表1所示）：
表1. 超级13Cr不锈钢化学成分范围（质量分数, wt%）
该热处理方法包括以下步骤：
步骤S100、退火：将完成最终锻造变形的超级13Cr锻材在大于550℃小于具体加工的超级13Cr不锈钢 Ac1温度以下的温度进行保温退火处理；出炉空冷至室温。退火后的锻材硬度范围应为HRC 27~32；横纵向晶粒尺寸均大于5级，且不得有大于3级的晶粒存在；
步骤S200、一次固溶：将经步骤S100退火后的锻材以1~3℃/min的升温速率加热至1000~1020℃，到温后保温180~210min，而后出炉风冷至室温；
步骤S300、二次固溶：将经步骤S200一次固溶处理后的锻材以1~3℃/min的加热速率加热至900~960℃，到温后保温40~60min,而后水冷至100℃以下，随后出水空冷至室温；
步骤S400、回火：将经步骤S300二次固溶水淬处理后的锻材以按1~2℃/min加热速率加热至400~420℃，到温后保温180~200 min，而后出炉空冷至室温。
实施例1
实施例1采用刚刚锻制完成的直径Φ80mm的超级13Cr不锈钢棒料为例进行热处理以提升成品低温冲击韧性，具体操作步骤如下：
步骤S1、退火：将完成锻造变形的超级13Cr棒材在560℃保温15hr，而后空冷至室温。利用热力学软件ThermoCalc计算得到的表1中不同成分的超级13Cr不锈钢Ac1温度最低约为610℃，故此处退火温度选取560℃是合理的。退火后的锻材硬度约为HRC 31。在锻棒横截面的中心、1/2半径和边缘处分别取金相样来检测样品横纵向低倍组织，确认横纵向晶粒尺寸均大于5级；
步骤S2、一次固溶：将退火后的棒材以3℃/min的升温速率加热至1000℃，到温后保温180 min，而后出炉风冷至室温；
步骤S3、二次固溶：将经一次固溶处理后的坯料以3℃/min的加热速率加热至900℃，到温后保温40 min，而后水冷至约50℃，随后出水空冷至室温；
步骤S4、回火：将经二次固溶水淬处理后的坯料以2℃/min加热速率加热至400℃，到温后保温180 min，而后出炉空冷至室温。
根据本实施例所获得的产品力学性能数据如表2所示：
表2. 根据实施例1所获得的超级13Cr锻棒力学性能数据
实施例2
实施例2采用刚刚锻制完成的直径Φ220mm的超级13Cr不锈钢棒料为例进行热处理以提升成品低温冲击韧性，具体操作步骤如下：
步骤S1、退火：将完成锻造变形的超级13Cr棒材在580℃保温24hr进行退火处理，保温完成后空冷至室温。利用热力学软件ThermoCalc计算得到的表1中不同成分的超级13Cr不锈钢Ac1温度最低约为610℃，故此处退火温度选取580℃是合理的。退火后的锻材硬度约为HRC 30。在锻棒横截面的中心、1/2半径和边缘处分别取金相样来检测样品横纵向低倍组织，确认横纵向晶粒尺寸均大于5级；
步骤S2、一次固溶：将退火后的棒材以1℃/min的升温速率加热至1000℃，到温后保温210min，而后出炉风冷至室温;
步骤S3、二次固溶：将经一次固溶处理后的坯料以1℃/min的加热速率加热至960℃，到温后保温60min，而后水冷至约50℃，随后出水空冷至室温;
步骤S4、回火：将经二次固溶水淬处理后的坯料以1℃/min加热速率加热至400℃，到温后保温200 min，而后出炉空冷至室温。
根据本实施例所获得的产品力学性能数据如表3所示：
表3. 根据实施例2所获得的超级13Cr锻棒力学性能数据
实施例3
实施例3采用锻制完成的直径Φ150mm的超级13Cr不锈钢棒料为例进行热处理以提升成品低温冲击韧性，具体操作步骤如下：
步骤S1、退火：将完成锻造变形的超级13Cr棒材在580℃保温15hr进行退火处理，保温完成后空冷至室温。利用热力学软件ThermoCalc计算得到的表1中不同成分的超级13Cr不锈钢Ac1温度最低约为610℃，故此处退火温度选取580℃是合理的。退火后的锻材硬度约为HRC 30.5。在锻棒横截面的中心、1/2半径和边缘处分别取金相样来检测样品横纵向低倍组织，确认横纵向晶粒尺寸均大于5级；
步骤S2、一次固溶：将退火后的棒材以2℃/min的升温速率加热至1000℃，到温后保温180min，而后出炉风冷至室温;
步骤S3、二次固溶：将经一次固溶处理后的坯料以1℃/min的加热速率加热至950℃，到温后保温60min，而后水冷至约50℃，随后出水空冷至室温;
步骤S4、回火：将经二次固溶水淬处理后的坯料以2℃/min加热速率加热至400℃，到温后保温200 min，而后出炉空冷至室温。
根据本实施例所获得的产品力学性能数据如表4所示：
表4. 根据实施例3所获得的超级13Cr锻棒力学性能数据
综上所述，实施例1-3得到的超级13Cr锻棒在保证拉伸性能的前提下可将该材料零下50℃冲击韧性（以冲击功AKv表示）提升到AKv (-50℃) 180~210 J。
以上是本发明公开的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明实施例公开的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围（包括权利要求）被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提升13Cr马氏体不锈钢的低温冲击韧性的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100、退火：将13Cr锻材进行退火，退火后的锻材的硬度范围为HRC 27~32；退火后的锻材的横向晶粒和纵向晶粒尺寸均大于5级；其中，将13Cr锻材进行退火的过程包括：将完成锻造变形的13Cr锻材在温度阈值为大于550℃且小于13Cr马氏体不锈钢的Ac1温度下进行保温退火处理，出炉空冷至室温；
S200、一次固溶：将经步骤S100退火后的锻材以1~3℃/min的升温速率加热至1000~1020℃，到温后保温180~210min，而后出炉风冷至室温；
S300、二次固溶：将经步骤S200一次固溶处理后的锻材以1~3℃/min的加热速率加热至900~960℃，到温后保温40~60min，而后水冷至100℃以下，随后出水空冷至室温；
S400、回火：将经步骤S300二次固溶水淬处理后的锻材以1~2℃/min加热速率加热至400~420℃，到温后保温180~200 min，而后出炉空冷至室温，得到提升低温冲击韧性的13Cr马氏体不锈钢。
2. 根据权利要求1所述的提升13Cr马氏体不锈钢的低温冲击韧性的热处理方法，其特征在于，13Cr马氏体不锈钢由以下组分组成：C≤0.03wt%、Si≤0.5wt%、0.5 wt%≤Mn≤1wt%、P≤0.02wt%、S≤0.005wt%、4.0wt%≤Ni≤6.0wt%、12.5wt%≤Cr≤14.0wt%、1wt%≤Mo≤2.5wt%、Cu≤0.05wt%、Al≤0.05wt%，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的提升13Cr马氏体不锈钢的低温冲击韧性的热处理方法，其特征在于，低温冲击韧性为13Cr马氏体不锈钢在零下50℃的冲击韧性。
4. 根据权利要求3所述的提升13Cr马氏体不锈钢的低温冲击韧性的热处理方法，其特征在于，步骤S400得到的13Cr马氏体不锈钢的低温冲击韧性为180~210 J。
5.一种提升低温冲击韧性的13Cr马氏体不锈钢，由权利要求1-4任一项所述的热处理方法进行处理得到。
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