一種馬氏體時(shí)效不銹鋼的熱處理方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種馬氏體時(shí)效不銹鋼的熱處理方法，其特征在于：將馬氏體時(shí)效不銹鋼在1100℃～1250℃下固溶處理40min～90min，水冷，然后進(jìn)行深冷處理，最后在500℃～580℃下時(shí)效處理兩次，每次保溫1～2h，空冷至室溫。采用該方法處理后的合金其抗拉強(qiáng)度達(dá)1900Mpa，沖擊韌性ak60J/cm2，硬度HRC50，強(qiáng)韌性配合良好。
【專利說(shuō)明】
一種馬氏體時(shí)效不銹鋼的熱處理方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及馬氏體時(shí)效不銹鋼，特別提供一種馬氏體時(shí)效不銹鋼的熱處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 馬氏體時(shí)效不銹鋼因其具有良好的強(qiáng)韌性與耐蝕性，廣泛的應(yīng)用在航空、航天、核 技術(shù)、艦船、先進(jìn)機(jī)械制造等高科技領(lǐng)域的承力耐蝕(或高溫)部件。該鋼種采用低碳馬氏體 相變強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)疊加的手段使鋼具有超高的強(qiáng)度的同時(shí)，還具有優(yōu)異的綜合性 能。從20世紀(jì)70年代以來(lái)，馬氏體時(shí)效不銹鋼從合金成分設(shè)計(jì)、冶煉工藝到強(qiáng)度級(jí)別都上升 了一個(gè)新的水平，特別是1997年Mart in等申請(qǐng)了馬氏體時(shí)效不銹鋼Custom465專利，將強(qiáng)度 級(jí)別從1600MPa推向了 1800Mpa。我國(guó)在2002年~2005年期間成功設(shè)計(jì)并研制出新型的超低 碳馬氏體時(shí)效不銹鋼F863,該鋼是國(guó)內(nèi)自主研發(fā)并具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的Cr-Ni-Co-Mo系馬 氏體時(shí)效不銹鋼，其強(qiáng)度達(dá)到1940Mpa的水平。
[0003] 但當(dāng)前的馬氏體時(shí)效不銹鋼的發(fā)展也面臨著一個(gè)突出的問題，即強(qiáng)韌性配合不夠 優(yōu)異，如何在保證馬氏體時(shí)效不銹鋼高強(qiáng)度的同時(shí)，研究如何提高韌性指標(biāo)就有了重要的 理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
[0004] 熱處理工藝是決定鋼的力學(xué)性能及其他性能的重要手段，馬氏體時(shí)效不銹鋼的熱 處理工藝主要包括:高溫固溶、深冷處理、時(shí)效熱處理等工序。
[0005] 固溶熱處理工藝決定了合金最終熱處理后的晶粒尺寸，而控制晶粒尺寸在一定范 圍是保證鋼鐵材料強(qiáng)度和韌性的最有效的方式，所以固溶熱處理的溫度選擇非常重要。時(shí) 效熱處理是馬氏體時(shí)效不銹鋼的重要強(qiáng)化手段，在所選擇的時(shí)效熱處理溫度下，既要保證 超低碳馬氏體基體上彌散析出的金屬間化合物對(duì)基體的強(qiáng)化作用，也不致使析出相長(zhǎng)大或 溶解。析出相點(diǎn)的大小、數(shù)量、分布成為影響強(qiáng)度的重要因素，因此時(shí)效熱處理溫度和時(shí)間 的選擇對(duì)此非常重要，若時(shí)效熱處理溫度過(guò)低、時(shí)間較短，強(qiáng)化相析出的數(shù)量和大小都不能 達(dá)到最有效地強(qiáng)化效果;若時(shí)效熱處理溫度過(guò)高、時(shí)間較長(zhǎng)則析出相會(huì)明顯長(zhǎng)大粗化，破壞 與基體的共格關(guān)系。同時(shí)時(shí)效熱處理能夠有效控制逆轉(zhuǎn)變成奧氏體數(shù)量及分布，以達(dá)到強(qiáng) 化基體，提高韌性的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種馬氏體時(shí)效不銹鋼的熱處理方法，采用該方法處理后 的合金其抗拉強(qiáng)度達(dá)1900Mpa以上，沖擊韌性ak60J/cm2以上，硬度HRC50左右，強(qiáng)韌性配合良 好。
[0007] 本發(fā)明具體提供了一種馬氏體時(shí)效不銹鋼的熱處理方法，其特征在于:將馬氏體 時(shí)效不銹鋼在1100 °C~1250°C下固溶處理40min~90min，水冷，然后進(jìn)行深冷處理，最后在 500 °C~580 °C下時(shí)效處理兩次，每次保溫1~2h，空冷至室溫。
[0008] 其中，所述固溶處理的優(yōu)選方案為1100 °C~1150 °C下保溫50min~80min，水冷，冷 卻速度優(yōu)選在2min內(nèi)冷卻至室溫。
[0009] 所述深冷處理采用液氮+酒精的混合溶液在-78°c下進(jìn)行深冷處理，優(yōu)選為使不銹 鋼在5min內(nèi)冷卻至-78°C。
[0010] 所述時(shí)效處理的優(yōu)選方案為540°C下時(shí)效處理兩次，每次保溫2h。
[0011] 本發(fā)明所述馬氏體時(shí)效不銹鋼的最優(yōu)熱處理方案為：11〇〇 °C下固溶處理60min，水 冷;-78°C下進(jìn)行深冷處理;540°C下時(shí)效處理兩次，每次保溫2h。此時(shí)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度 分別達(dá)到190010^和101010^，洛氏硬度冊(cè)(：為50，延伸率和斷面收縮率分別達(dá)到12.1%和 51 %，沖擊韌性ak60J/cm2，具有良好的強(qiáng)韌性配合。
[0012] 本發(fā)明所述馬氏體時(shí)效不銹鋼的制備方法，其特征在于:所述馬氏體時(shí)效不銹鋼 為lCrl4Col3Mo5。
[0013] 本發(fā)明所述馬氏體時(shí)效不銹鋼的制備方法，其特征在于，所述馬氏體時(shí)效不銹鋼 的組成及重量百分比為：Cr: 11-15，Co:10-14，Mo :3-5，Ni: 1-3，C:0.001-0.3，Μη:0· 01-0.1， Nb:0.01-0.05，P< 0.01，S<0.015，Si :0.01-0. l，F(xiàn)e余量。
[0014] 作為優(yōu)選的實(shí)施方案，所述馬氏體時(shí)效不銹鋼的組成及重量百分比為:Cr: 12-14， Co:12-13.5,Mo：4-5,Ni：1-2,C:0.001-0.2,Μη:0.05-0.08,Nb:0.03-0.05,P <0.01,S< 0.01，Si:0.01-0.1，F(xiàn)e 余量。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1不同溫度固溶處理后試樣鋼的晶粒狀態(tài)(其中，a、1000°C，b、1050°C，c、1100 °C,dai50°C)〇
[0016] 圖2固溶溫度對(duì)試樣鋼晶粒尺寸的影響。
[0017] 圖3試樣在不同溫度固溶處理后的微觀金相組織圖（其中，a、1000°C，b、1050°C， c、110(TC，d、115(rC)〇
[0018] 圖4固溶溫度對(duì)殘余奧氏體量的影響。
[0019] 圖5 1000°CXlh、1050°CXlh固溶處理深冷后析出物的SEM形貌。
[0020] 圖6 1000°C固溶處理后基體的能譜分析。
[0021]圖7 1000°C固溶處理后析出物的能譜分析。
[0022]圖8固溶溫度對(duì)試樣硬度的影響。
[0023] 圖9固溶溫度對(duì)試樣抗拉強(qiáng)度以及屈服強(qiáng)度的影響。
[0024] 圖10固溶溫度對(duì)試樣延伸率以及斷面收縮率的影響。
[0025] 圖11固溶溫度對(duì)試樣沖擊韌性的影響。
[0026] 圖12不同溫度時(shí)效處理后的金相組織（其中，a、520°C，b、540°C，c、560°C，d、580 °C)〇
[0027] 圖13 1100°C固溶深冷+540°C時(shí)效兩次后的析出相形貌圖。
[0028] 圖14 1100°C固溶深冷后不同時(shí)效溫度對(duì)試樣硬度的影響。
[0029] 圖15 1100°C固溶深冷后不同時(shí)效溫度對(duì)試樣抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的影響。
[0030] 圖16 1100°C固溶深冷后不同時(shí)效溫度對(duì)試樣延伸率和斷面收縮率的影響。
[0031] 圖17 1100°C固溶深冷后不同時(shí)效溫度對(duì)試樣沖擊韌性的影響。
【具體實(shí)施方式】
[0032]本發(fā)明各種熱處理制度下的金相試樣，經(jīng)研磨拋光后，采用苦味酸+鹽酸+酒精的 混合溶液腐蝕，并用Axio Observer ZIm金相光學(xué)顯微鏡觀察晶粒組織，采用截線法測(cè)算固 溶態(tài)合金晶粒大小，并用INSPECT F50型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下觀察組織結(jié)構(gòu)，SEM像包括一般 的二次電子像和背散射電子(BSE)像。用Tecnai G2F20型透射電鏡對(duì)鋼中的析出相進(jìn)行觀 察和分析，TEM樣品采用雙噴電解減薄工藝制備，雙噴液為10 % HC104+90 % C2H5OH(體積分 數(shù)）。相鑒定采用TEM選區(qū)電子衍射(SAED)和SEM上配置的能譜儀(EDS)相結(jié)合的方式進(jìn)行。 采用D/Max2500PC型Cu靶X射線衍射儀(XRD)測(cè)量試樣鋼經(jīng)過(guò)固溶處理后的殘余奧氏體量。 [0033] 在力學(xué)性能測(cè)試中，拉伸試樣和沖擊試樣分別為GB/T228-2002和GB/T229-1994標(biāo) 準(zhǔn)試樣，拉伸試樣標(biāo)距段長(zhǎng)度為25mm，直徑為5mm，沖擊試樣尺寸為10mmX 10mmX 55mm。用洛 氏硬度計(jì)測(cè)試馬氏體時(shí)效不銹鋼熱處理后的硬度，試樣經(jīng)粗磨后細(xì)磨，使上、下兩表面平行 并且粗糙度高于〇. 8，每個(gè)試樣至少測(cè)三個(gè)點(diǎn)，取平均值。
[0034]試樣的制備：
[0035] 選用高純電解Fe，電解Ni，高純Mo、Co等原料，采用超高真空感應(yīng)爐熔煉25kg的鋼 錠，試樣鋼成分如表1所示。鋼錠在1100 °C ± 10 °C開鍛，終鍛溫度為900°C ± 10°C，鍛成Φ 40mm的棒材，鍛件鍛后在24h內(nèi)進(jìn)行退火處理，在860°C±10°C退火保溫2-3小時(shí)，爐冷備用。 [0036]表1實(shí)施例不銹鋼化學(xué)成分(質(zhì)量百分比％ )
[0037]
[0039] 取試樣1不銹鋼進(jìn)行固溶處理，固溶熱處理溫度分別為1000°C、1050°C、1100°C、 1150 °C保溫60min，水冷;深冷處理(液氮+酒精的混合溶液-78 °C);然后在不同溫度(520 °C、 540 °C、560°C、580 °C)時(shí)效熱處理兩次，每次保溫2h，空冷至室溫。具體工藝參數(shù)見表2，固溶 和時(shí)效處理的熱處理爐均為8KW的馬弗爐。
[0040] 固溶處理：
[0041] 圖1所示為試樣1固溶處理+深冷處理后的晶粒組織狀態(tài)，由圖1可見，在不同溫度 下固溶處理后晶粒都為等軸晶，對(duì)不同溫度處理的晶粒度進(jìn)行測(cè)量，如圖2所示，隨著固溶 溫度的提高，晶粒增大，由35um增加到65um，無(wú)異常長(zhǎng)大的現(xiàn)象。隨著固溶溫度的提高，晶界 和晶粒內(nèi)的未溶解物質(zhì)逐漸減少，加速奧氏體的形成和均勻化過(guò)程，對(duì)形成奧氏體是有利 的。
[0042] 圖3中（a)~（d)分別為試樣鋼在1000 °C，1050 °C，1100 °C，1150 °C不同溫度固溶處 理后的微觀金相組織，試樣鋼經(jīng)固溶深冷后的基體組織均為板條馬氏體，隨著固溶溫度的 提高，板條束加長(zhǎng)，當(dāng)固溶溫度升高到1150°C時(shí)，可看到在晶界處有比較大量的成不規(guī)則塊 狀的殘余奧氏體。根據(jù)X射線衍射原理，利用D/Max2500PC型X射線衍射儀，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 《YBT5338-2006鋼中殘余奧氏體定量測(cè)量X射線衍射依法》，計(jì)算得不同溫度固溶處理后的 殘余奧氏體量，如圖4所示。
[0043] 從圖5的（a)和（b)可見，在1000°C和1050°C固溶處理后，在晶界處還有析出物產(chǎn) 生。圖6和圖7分別為1000°C固溶處理后基體和析出物的能譜分析，析出物的主要成分為Fe、 Mo、Cr，Co和少量的Ni、Mn、C等。圖8~11為固溶溫度對(duì)試樣鋼力學(xué)性能的影響。
[0044] 時(shí)效處理：
[0045] 圖12的（a)~（d)分別為試樣1在1100°C固溶深冷后在520°C，540°C，560°C，580°C 處理后的微觀金相組織，可以看出不銹鋼經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后的基體組織是低碳板條馬氏體， 馬氏體板條上有細(xì)小而彌散分布的時(shí)效析出相，在晶界還有少量的殘余奧氏體和逆轉(zhuǎn)變奧 氏體，隨著時(shí)效溫度的提高逆轉(zhuǎn)變奧氏體增多，可以看到在580°C時(shí)效處理后，在晶界處和 馬氏體板條束間存在連續(xù)分布的逆轉(zhuǎn)變奧氏體和殘余奧氏體。
[0046]圖13(a)和(b)是540°C時(shí)效處理的樣品析出相形貌，可以看到，經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后， 在馬氏體的基體上析出大量彌散、細(xì)小、強(qiáng)化的析出相。析出相的析出提高了鋼的強(qiáng)度，本 發(fā)明不銹鋼的析出相中只看到橢球狀的析出相，可以推斷為是Fe2Mo型的Laves相，F(xiàn)e2Mo型 的Laves相也是二次硬化鋼中的典型強(qiáng)化相。
[0047]圖14~17為1100°C固溶深冷后不同時(shí)效溫度對(duì)試樣力學(xué)性能的影響。
[0048] 試樣1不銹鋼經(jīng)過(guò)1100 °C固溶處理lh+ (-78 °C深冷)+540 °C時(shí)效2次的熱處理工藝， 抗拉強(qiáng)度達(dá)到1900MPa，沖擊韌性達(dá)到ak60J/cm2，洛氏硬度HRC達(dá)到50，強(qiáng)韌性配合良好，可 以達(dá)到工程應(yīng)用的基本性能要求。
[0049] 實(shí)施例2-9
[0050] 取試樣2-9分別在不同條件下進(jìn)行固溶+時(shí)效處理，工藝參數(shù)見表2,所得。
[0051] 對(duì)比例1-3
[0052]取試樣1、2、3分別在不同條件下進(jìn)行固溶+時(shí)效處理，工藝參數(shù)見表2。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采 用對(duì)比例所述熱處理方式所得馬氏體時(shí)效不銹鋼的屈服強(qiáng)度和沖擊韌性有所降低，硬度和 抗拉強(qiáng)度也低于實(shí)施例。
[0053] 表2實(shí)施例不銹鋼熱處理工藝參數(shù)
[0054]
[0056]上述實(shí)施例只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人 士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明 精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種馬氏體時(shí)效不銹鋼的熱處理方法，其特征在于:將馬氏體時(shí)效不銹鋼在1100°c ~1250°C下固溶處理40min~90min，水冷，然后進(jìn)行深冷處理，最后在500°C~580°C下時(shí)效 處理兩次，每次保溫1~2h。2. 按照權(quán)利要求1所述馬氏體時(shí)效不銹鋼的熱處理方法，其特征在于:所述固溶處理為 1100°C ~1150°C 下保溫 50min ~80min，水冷。3. 按照權(quán)利要求1所述馬氏體時(shí)效不銹鋼的熱處理方法，其特征在于:所述深冷處理為 采用液氮+酒精的混合溶液在-78 °C下進(jìn)行深冷處理。4. 按照權(quán)利要求1所述馬氏體時(shí)效不銹鋼的熱處理方法，其特征在于:所述時(shí)效處理為 540 °C下時(shí)效處理兩次，每次保溫2h。5. 按照權(quán)利要求1所述馬氏體時(shí)效不銹鋼的熱處理方法，其特征在于:將馬氏體時(shí)效不 銹鋼在1100°C~1150°C下固溶處理50min~80min，水冷，然后采用液氮+酒精的混合溶液 在-78 °C下進(jìn)行深冷處理，最后在540 °C下時(shí)效處理兩次，每次保溫2h。6. 按照權(quán)利要求1所述馬氏體時(shí)效不銹鋼的熱處理方法，其特征在于:所述馬氏體時(shí)效 不銹鋼為 lCrl4Col3Mo5。7. 按照權(quán)利要求1所述馬氏體時(shí)效不銹鋼的熱處理方法，其特征在于，所述馬氏體時(shí)效 不銹鋼的組成及重量百分比為：Cr :12.8-15.2，Co :12-14.5，Mo :4.0-5.5，Ni :0.5-2，C: 0.13-0.19,Μη： <0.20,Nb：0.2-0.3,Ti：0.2-0.3,Ρ： <0.02,S： <0.01,Si： <0.20,0< 0.005，N<0.02，F(xiàn)e 余量。8. 按照權(quán)利要求1或7所述馬氏體時(shí)效不銹鋼的熱處理方法，其特征在于，所述馬氏體 時(shí)效不銹鋼的組成及重量百分比為：Cr :13.0-15·0，(：〇: 12-14，Mo:4.0-5.5，Ni :0.5-1，C: 0.13-0.19,Μη： <Ο .20,Nb：Ο .2-0.3,Ti：Ο .2-0.3,Ρ： <Ο .02,S： <Ο .01, Si： <Ο .20,0< 0.005，N<0.02，F(xiàn)e 余量。9. 按照權(quán)利要求1、3或5所述馬氏體時(shí)效不銹鋼的熱處理方法，其特征在于，所述深冷 處理是時(shí)不銹鋼在在5min內(nèi)冷卻至-78°C。
【文檔編號(hào)】C21D1/78GK105838861SQ201610362018
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年5月26日
【發(fā)明人】都祥元, 孔凡亞, 徐殿鑫, 李紅軍, 郭誠(chéng), 陳雅文
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院金屬研究所