CN117965856A - 一种高强高抗氢脆性能的马氏体不锈钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高强高抗氢脆性能的马氏体不锈钢及其制备方法，所述制备方法通过深冷处理工艺对传统马氏体不锈钢制备过程中奥氏体的含量进行调控，进而提升奥氏体对钢中的可扩散氢的捕获效果，实现钢中可扩散氢的含量的减少，最终实现马氏体不锈钢抗氢脆性能的提高，本通过深冷处理工艺，调控材料中奥氏体的含量，使得材料屈服强度提高的同时，显著降低氢脆敏感性。
Description
【技术领域】
本发明涉及先进高强高韧不锈钢深冷处理技术领域，尤其涉及一种高强高抗氢脆性能的马氏体不锈钢及其制备方法。
【背景技术】
钢铁材料在国民生产各个领域中都有广泛的应用，如建筑、机械、电子、化工、医药等。随着科学技术的不断发展，众多大国重器被设计开发使用，而先进钢铁材料则是许多大国重器的关键结构件，其服役安全性至关重要，而氢脆是影响先进高强钢服役安全性的主要因素。此外，随着钢铁材料强度的不断升高，其氢脆敏感性也不断升高，服役安全性隐患会不断加剧。因此，先进高强钢的抗氢脆设计也成为当下金属材料行业的重点研发方向之一。
通常情况下，材料的抗氢脆设计主要分为两个方向，一是通过调控处理工艺或优化材料成分，进而改良微观组织结构，如引入第二相或其他组织，以便达到抗氢脆的目的；二是在材料表明覆盖涂层，以提供额外的保护层，阻止氢原子的渗透，进而达到抗氢脆的目的。第一种方法相对简单，成本较低，并且可以从根源上提升材料的抗氢脆性能，因此应用较为广泛。奥氏体是钢中公认的可以起到氢陷阱作用的一种组织，但奥氏体同时又是一种软韧相，会对材料的力学性能造成一定损失。因此，调控奥氏体的含量对于材料力学性能和抗氢脆性能的平衡非常重要。
深冷处理作为传统热处理的扩展，能够改善材料的组织和性能，是一种通常以液氮作为制冷剂，在-196℃环境中对样品进行处理的一种超低温处理技术。目前，深冷处理的应用研究在高强钢的抗氢脆方面还鲜有报道。
因此，有必要研究一种高强高抗氢脆性能的马氏体不锈钢及其制备方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
【发明内容】
有鉴于此，本发明提供了一种高强高抗氢脆性能的马氏体不锈钢及其制备方法，通过深冷处理工艺，调控材料中奥氏体的含量，使得材料屈服强度提高的同时，显著降低氢脆敏感性。
一方面，本发明提供一种高强高抗氢脆性能的马氏体不锈钢的制备方法，所述制备方法通过深冷处理工艺对传统马氏体不锈钢制备过程中奥氏体的含量进行调控，进而提升奥氏体对钢中的可扩散氢的捕获效果，实现钢中可扩散氢的含量的减少，最终实现马氏体不锈钢抗氢脆性能的提高。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述奥氏体的含量进行调控的范围为5％-10％。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述深冷处理工艺具体包括以下步骤：
S1、固溶处理：将马氏体不锈钢加热至固溶温度，保持温度一段时间后迅速油淬，冷却至室温；
S2、深冷处理：将淬火后的马氏体不锈钢放入含有深冷介质的深冷装置中，在一定温度下进行保温处理，然后取出放置在空气中恢复到室温；
S3、时效处理：深冷处理后进行时效处理，将马氏体不锈钢加热至时效温度，保温后获取高强高抗氢脆性能的马氏体不锈钢。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S1中固溶温度为800℃～850℃，保持温度时间为0.5～1h。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S2深冷介质包括但不限于液氮。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S2中一定温度为-196℃～-100℃，保温处理时间为30-120min。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S3中时效温度为460℃～480℃，保温时间为3h～4h。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S1中马氏体不锈钢成分的质量百分比为：C：0.03％～0.05％；Si：0.02％～0.06％；Mn：≤0.01％；Cr：12.00％～13.00％；Ni：8.00％～8.50％；Cu：0.00％～5.00％；Mo：2.00％～2.50％；Al：1.00％～1.50％；P：≤0.005％；S：≤0.005％；N：≤0.003％，其余为Fe，其中P、S、N为杂质元素。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种高强高抗氢脆性能的马氏体不锈钢，通过所述的制备方法制备而成，所述高强高抗氢脆性能的马氏体不锈钢的限位组织包括马氏体基体、体积分数为5-10％的奥氏体及均匀弥散在细化的马氏体基体内的多种第二相。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述高强高抗氢脆性能的马氏体不锈钢屈服强度为1600MPa，抗拉强度为1620MPa，伸长率为15％，氢脆敏感性约为35％。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
本发明提出的深冷处理工艺有效的调控了材料内部奥氏体的含量，使得材料在力学性能提高的同时，氢脆敏感性大幅下降，抗氢脆性能和力学性能达到一个较好的平衡；相较于未进行深冷处理的样品，材料的屈服强度提高约100MPa,氢脆敏感性由原来的53％下降到35％，打破了强度-氢脆敏感性相互制衡的问题。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的高强钢强度-氢脆敏感性分布示意图；
图2是本发明提供的实施例和对比例XRD图：采取现有对比例的热处理工艺获得的样品中奥氏体含量较高，而采用本发明深冷处理工艺获得的样品中具有一定含量的奥氏体；
图3是本发明提供的实施例和对比例拉伸工程应力-应变曲线图；
图4是本发明提供的实施例充氢拉伸样品断口形貌图；
图5是本发明提供的对比例充氢拉伸样品断口形貌图。
【具体实施方式】
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明提供一种高强高抗氢脆性能的马氏体不锈钢的制备方法，所述制备方法通过深冷处理工艺对传统马氏体不锈钢制备过程中奥氏体的含量进行调控，进而提升奥氏体对钢中的可扩散氢的捕获效果，实现钢中可扩散氢的含量的减少，最终实现马氏体不锈钢抗氢脆性能的提高。所述奥氏体的含量进行调控的范围为5％-10％。
所述深冷处理工艺具体包括以下步骤：
S1、固溶处理：将马氏体不锈钢加热至固溶温度，保持温度一段时间后迅速油淬，冷却至室温；
S2、深冷处理：将淬火后的马氏体不锈钢放入含有深冷介质的深冷装置中，在一定温度下进行保温处理，然后取出放置在空气中恢复到室温；
S3、时效处理：深冷处理后进行时效处理，将马氏体不锈钢加热至时效温度，保温后获取高强高抗氢脆性能的马氏体不锈钢。
所述S1中马氏体不锈钢成分的质量百分比为：C：0.03％～0.05％；Si：0.02％～0.06％；Mn：≤0.01％；Cr：12.00％～13.00％；Ni：8.00％～8.50％；Cu：0.00％～5.00％；Mo：2.00％～2.50％；Al：1.00％～1.50％；P：≤0.005％；S：≤0.005％；N：≤0.003％，其余为Fe，其中P、S、N为杂质元素。所述S1中固溶温度为800℃～850℃，保持温度时间为0.5～1h。
所述S2深冷介质包括但不限于液氮。所述S2中一定温度为-196℃～-100℃，保温处理时间为30-120min。
所述S3中时效温度为460℃～480℃，保温时间为3h～4h。
本发明还提供一种高强高抗氢脆性能的马氏体不锈钢，通过所述的制备方法制备而成，所述高强高抗氢脆性能的马氏体不锈钢的限位组织包括马氏体基体、体积分数为5-10％的奥氏体及均匀弥散在细化的马氏体基体内的多种第二相。所述高强高抗氢脆性能的马氏体不锈钢屈服强度为1600MPa，抗拉强度为1620MPa，伸长率为15％，氢脆敏感性约为35％。
本发明针对现有技术的不足，本发明提出一种新型高强高韧沉淀硬化马氏体不锈钢及其制备工艺。该热处理工艺优选适用的新型高强马氏体不锈钢的化学成分的质量百分比包括：C：0.03％～0.05％；Si：0.02％～0.06％；Mn：≤0.01％；Cr：12.00％～13.00％；Ni：8.00％～8.50％；Cu：0.00％～5.00％；Mo：2.00％～2.50％；Al：1.00％～1.50％；P：≤0.005％；S：≤0.005％；N：≤0.003％，其余为Fe，其中P、S、N为杂质元素。
由于材料的氢脆敏感性是由其内部含有的可扩散氢含量决定的。奥氏体作为一种有效的氢陷阱可以对可扩散氢进行捕获。但是奥氏体含量升高后，对材料力学性能，尤其是强度的影响较大，会显著降低材料的强度。因此本发明的思路是通过深冷处理技术主动调控生成奥氏体的含量，既可以起到氢陷阱的作用，又不会显著影响材料的力学性能。
本发明提高新型高强马氏体不锈钢抗氢脆性能的处理方法，其步骤仅包括：固溶处理、深冷处理和时效处理。该方法能够有效解决新型高强马氏体不锈钢的氢脆问题。
步骤一，固溶处理：在800℃～850℃的环境下对新型高强马氏体不锈钢进行固溶处理，处理时间为0.5～1h，然后迅速油冷至室温；此时，材料基体中含有约13-15％的奥氏体；
步骤二，对上述固溶处理完成后的材料进行深冷处理；深冷处理介质为液氮，深冷处理温度为-196℃～-100℃，优选为-196℃，保温30-120min，后将新型高强马氏体不锈钢从深冷处理装置中取出，在空气中自然恢复到室温；此时，材料基体中不含有奥氏体；
步骤三，对上述深冷处理完成后的材料进行时效处理；时效处理工艺为：时效处理温度为460℃～480℃，处理时间为3h～4h，然后迅速空冷至室温。此时，材料基体中含有约5-10％的奥氏体。
经过上述深冷处理的步骤，可以得到材料的显微组织包括马氏体基体、5-10％的奥氏体及弥散均匀分布在马氏体基体内的多种第二相，在保证新型高强马氏体不锈钢力学性能的同时，能够明显提高其抗氢脆性能。
改进工艺后提高其抗氢脆性能原理为：奥氏体虽然可以作为有效的氢陷阱，但是随着含量的升高，其稳定性下降，在受到外加载荷的作用下易诱发TRIP效应(相变诱发塑性)，这会导致被奥氏体捕获的可扩散氢重新逸出到材料基体中，造成材料的氢脆敏感性上升。此外，奥氏体含量的升高，还会使得材料的强度下降。因此，调控奥氏体含量在一定范围内，可以使得材料的力学性能和抗氢脆性能达到一个较好的平衡。本发明中，奥氏体含量在5-10％，强度相较于原来提升约100MPa，而氢脆敏感性从原来的53％下降到现在的35％。打破了强度-氢脆敏感性相互制衡的问题。
实施例1：
一种提高沉淀硬化马氏体不锈钢抗氢脆性能的热处理工艺，包括固溶处理、深冷处理和时效处理。
处理按以下步骤进行：
步骤(1)：将热处理炉升温至800℃～850℃待到温度稳定后，将准备好的样品迅速放入炉中，保温0.5～1h后迅速油冷至室温，即完成固溶处理工序。
判断温度是否稳定的方式可以是热处理炉的炉内温度到达设置温度后等2-5分钟，并观察炉内实时温度是否跳变严重，在跳变的上下范围不超过5℃时，可认为处于温度稳定状态。
步骤(2)：将完成步骤(1)的样品迅速放入深冷介质为液氮的处理装置中，在-196℃～-100℃保温30-120min，然后将新型高强马氏体不锈钢从深冷处理装置中取出，在空气中自然恢复到室温，即完成深冷处理工序。
步骤(3)：将热处理炉升温至460℃～480℃，待到温度稳定后，将完成步骤(2)好的样品迅速放入炉中，保温3h～4h后空冷至室温，即完成时效处理工序。
对比例1:
采用现有热处理方式：包括固溶处理和时效处理。
处理按以下步骤进行：
步骤(1)：将热处理炉升温至800℃～850℃待到温度稳定后，将准备好的样品迅速放入炉中，保温0.5～1h后迅速油冷至室温，即完成固溶处理工序。
判断温度是否稳定的方式可以是热处理炉的炉内温度到达设置温度后等2-5分钟，并观察炉内实时温度是否跳变严重，在跳变的上下范围不超过5℃时，可认为处于温度稳定状态。
步骤(2)：将热处理炉升温至460℃～480℃，待到温度稳定后，将完成步骤(1)的样品迅速放入炉中，保温3h～4h后空冷至室温，即完成时效处理工序。
采用本发明实施例的处理工艺制备实施例样品，采用对比例的现有热处理工艺制备对比例样品，分别进行XRD测试实验、预充氢慢应变速率拉伸实验(SSRT)、断口形貌观察(SEM)等。SSRT实验采用0.05mA/cm2的恒电流进行24h预充氢，充氢溶液为0.1mol/L氢氧化钠溶液，拉伸速率为2×10-5/s，氢脆敏感性采用延伸率损失百分比，即IHE＝(1-δH/δA)×100％。力学性能测试依据国标进行三组，所有结果一致性很好，因此选取其中一组进行说明，结果如表1所示。
表1实施例和对比例的性能数据
实施例和对比例未充氢和充氢拉伸样品相比，屈服强度都存在明显的提升，提高约100MPa，而氢脆敏感性却由对比例的53％下降到实施例的35％，如图3和表格1所示。此外，实施例充氢拉伸后的断口脆性区域面积相较于对比例较小，对应其较低的氢脆敏感性，如图4、5所示。这是由于采用本发明提出的深冷处理工艺，可以有效控制材料内部的奥氏体含量，既起到氢陷阱的作用，有不会影响材料的强度，如图2所示。综上所述，采取现有热处理工艺，在材料基础性能和抗氢脆性能上无法做到兼顾。但需要说明的是强度是钢材使用极其重要的指标。但氢脆敏感性和强度又是互斥关系，强度越高，氢脆敏感性越高。因此，本申请的技术方案和技术效果更具实用意义，打破了强度-氢脆敏感性相互制衡的瓶颈。
本发明提供一种提高新型高强马氏体不锈钢抗氢脆性能的深冷处理方法，所述深冷处理方法结合后续热处理方法，可以有效调控新型高强马氏体不锈钢中的奥氏体含量，通过奥氏体对钢中的可扩散氢进行捕获，但同时又不会影响钢的强度，实现新型高强马氏体不锈钢力学性能和抗氢脆性能的平衡。
以上对本申请实施例所提供的一种高强高抗氢脆性能的马氏体不锈钢及其制备方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。
Claims (10)
1.一种高强高抗氢脆性能的马氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法通过深冷处理工艺对传统马氏体不锈钢制备过程中奥氏体的含量进行调控，进而提升奥氏体对钢中的可扩散氢的捕获效果，实现钢中可扩散氢的含量的减少，最终实现马氏体不锈钢抗氢脆性能的提高。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述奥氏体的含量进行调控的范围为5％-10％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述深冷处理工艺具体包括以下步骤：
S1、固溶处理：将马氏体不锈钢加热至固溶温度，保持温度一段时间后迅速油淬，冷却至室温；
S2、深冷处理：将淬火后的马氏体不锈钢放入含有深冷介质的深冷装置中，在一定温度下进行保温处理，然后取出放置在空气中恢复到室温；
S3、时效处理：深冷处理后进行时效处理，将马氏体不锈钢加热至时效温度，保温后获取高强高抗氢脆性能的马氏体不锈钢。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述S1中固溶温度为800℃～850℃，保持温度时间为0.5～1h。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述S2深冷介质包括但不限于液氮。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述S2中一定温度为-196℃～-100℃，保温处理时间为30-120min。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述S3中时效温度为460℃～480℃，保温时间为3h～4h。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述S1中马氏体不锈钢成分的质量百分比为：C：0.03％～0.05％；Si：0.02％～0.06％；Mn：≤0.01％；Cr：12.00％～13.00％；Ni：8.00％～8.50％；Cu：0.00％～5.00％；Mo：2.00％～2.50％；Al：1.00％～1.50％；P：≤0.005％；S：≤0.005％；N：≤0.003％，其余为Fe，其中P、S、N为杂质元素。
9.一种高强高抗氢脆性能的马氏体不锈钢，通过上述权利要求1-8之一所述的制备方法制备而成，其特征在于，所述高强高抗氢脆性能的马氏体不锈钢的限位组织包括马氏体基体、体积分数为5-10％的奥氏体及均匀弥散在细化的马氏体基体内的多种第二相。
10.根据权利要求9所述的高强高抗氢脆性能的马氏体不锈钢，其特征在于，所述高强高抗氢脆性能的马氏体不锈钢屈服强度为1600MPa，抗拉强度为1620MPa，伸长率为15％，氢脆敏感性约为35％。
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