一种含铜马氏体沉淀硬化不锈钢及其热处理方法与流程

1.本发明涉及冶金材料领域，具体而言，涉及一种含铜马氏体沉淀硬化不锈钢及其热处理方法。

背景技术：

2.马氏体沉淀硬化不锈钢，指碳含量低于0.1％，加入铜、钼、钛、铝等元素使之沉淀析出碳化物和金属间化合物而进一步强化的马氏体不锈钢。该类钢热处理的特点是，加热到奥氏体相区，保温一定时间，铜、钼、钛、铝等元素固溶到奥氏体基体中，冷却后得到过饱和马氏体，经过固溶得到的马氏体(固溶强化)，强度有一定的提高，但强化效果很小，但韧性比较好。固溶后的马氏体，通过480℃～620℃时效处理，便在马氏体基体上析出弥散的富铜相等，使马氏体基体得到进一步强化，但塑性并没有降低很多，从而达到强度与韧性良好配合，这是马氏体沉淀硬化不锈钢热处理的一大特点。另外由于该类钢含碳量低，耐腐蚀性能和焊接性能均比cr13型及9cr18、1cr17ni2等马氏体不锈钢为好，所以该钢广泛用于航空、航天、军工等行业，目前也广泛应用在石化、核电、船舶制造业、汽车、医疗等行业。
3.马氏体沉淀硬化不锈钢，要想获得高强度高韧性的良好配合，除了合理控制成分外，最主要的就是合理选择热处理工艺，这其中包括固溶温度、时效温度以以及固溶后冷却方式的选择。如果选择不合理，可能造成性能不均、强韧性不能得到良好配合以及材料内部可能产生微裂纹，严重时造成产品开裂。
4.表1常用马氏体沉淀硬化不锈钢热处理制度
[0005][0006][0007]
表1为常见马氏体沉淀硬化不锈钢热处理制度；
[0008]
主要包括以下步骤：真空感应浇注电极棒
→
电渣重熔
→
锻造成材
→
(固溶+时效)
→
检验合格交货。
[0009]
该类钢常规热处理制度对大圆材或产品存在以下问题
[0010]
表1中规定的热处理制度，要求固溶后快冷，然后再进行时效处理。快冷的目的就是尽快使奥氏体转变成马氏体。所以快冷可以是水冷、油冷、强风冷等，对于小圆产品空冷就能达到快冷的效果。为了保证得到均匀的组织以及减少开裂的倾向，一般相对大点、形状简单的产品采用水冷或油冷，强风冷对于大产品存在冷却不均现象。
[0011]
之前的生产工艺中都要求退火交货，性能检验在退火的棒材上取试样，然后对试样(圆毛坯)进行固溶和时效处理，由于试样小，在实验室快冷选择固溶后直接空冷、
水冷或油冷，然后进行时效处理，各项性能都能满足标准要求的指标，同时不存在试样开裂的风险。但现在用户要求对交货的棒材或锻件整体热处理后再交货，这时热处理工艺的选择很重要，特别是大规格的棒材和锻件，固溶后选择的冷却方式不合适，可能造成时效后的性能不合以及产品可能产生开裂现象。
[0012]
马氏体沉淀硬化不锈钢特点是，马氏体转变温度比较低，一般都在200℃以下。小圆棒材或性能检验用的试样，截面积小，固溶快冷(空冷、风冷、水冷或油冷都可以)后，很快就能达到马氏体转变温度以下，完成马氏体的转变，得到的马氏体组织也均匀。对于大规格的棒材就不一样了，为了得到尽量均匀的的马氏体，为后续时效处理做好组织准备，固溶后快冷，首先考虑的是水冷，水冷最经济、最便捷，但水冷也存在问题，冷速快，冷却后应力大，如果按照常规方法加热固溶后直接进入水中，内部很容易出现小的微裂纹，严重时出现开裂；如果采用油冷，比水冷风险小，主要是因为油冷比水冷冷却速度小，这样组织转变应力小，出现裂纹和炸裂的几率小，但油冷对环境和产品都有一定的污染，另外油冷相对水冷成本也高；所以常规马氏体沉淀硬化不锈钢，固溶后以空冷或水冷代替快冷。
[0013]
常规的热处理制度，没有规定固溶快冷(水冷)后，应该冷却到多少温度产品才能出水槽，如果出水槽过早，马氏体转变不完全，钢中残留有过冷奥氏体。这样造成时效后组织不均，最终造成产品性能不均，马氏体区域硬度和强度偏高，奥氏体区域强度和硬度偏低。另外钢中残留过多奥氏体除了对性能有影响外，还增加了产品产生开裂的倾向。钢中过多的残余奥氏体，在随后的冷却过程中或者放置了一段时间，有的可能半年以上，产品内部又出现了微裂纹，如图1所示，出现延迟开裂的现象。产生这种现象的原因是由于残余奥氏体又转变成马氏体，出现这种延迟裂纹现象，是马氏体沉淀硬化不锈钢的一个特点，以前常遇到，出厂前经过探伤没有发现问题，但用户复验或使用过程中发现有裂纹，图1为常规的马氏体沉淀硬化不锈钢入厂复验时发现的裂纹结构示意图。

技术实现要素：

[0014]
本发明要解决的技术问题是提供一种含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的热处理方法，从而解决常规热处理工艺加工得到的含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的性能不均以及内部产生微裂纹的问题。
[0015]
为解决上述问题，本发明提供一种含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的热处理方法，包括s1：固溶处理和s2：时效处理；
[0016]
所述固溶处理包括：s1：将含铜马氏体沉淀硬化不锈钢加热至奥氏体化温度，保温后进一步地进行快速冷却处理，得到均匀化后的含铜马氏体沉淀硬化不锈钢；所述奥氏体化温度为1000-1100℃；
[0017]
所述时效处理包括：s2：将固溶处理后的不锈钢升温至480-620℃进行时效处理，时效后空冷处理，完成热处理。
[0018]
本发明上述的热处理方法通过把钢加热到奥氏体相区，保温一定时间，让合金元素和碳化物充分溶解，出炉后在马氏体没有转变之前，还是奥氏体组织时，在空中停留一段时间，使奥氏体中的碳和合金元素析出一部分,目的是降低奥氏体稳定性,提高ms点(马氏体转变起始温度)，一般可提高50-90℃。本发明提供的方法缩短了奥氏体向马氏体转变的孕育时间，使产品入水后尽快开始马氏体转变。另外，产品出加热炉后，在空中停留一段时
间，缩小了产品与水槽的温差，这样转变的马氏体，组织应力相对小，有利于防止由于组织转变应力大使产品出现开裂的现象。产品入水后在水中要停留一段时间，目的是保证冷却到mf点以下。当水温在25℃以下，产品在吊出水槽，这主要是尽可能使马氏体转变完全。马氏体转变的越完全，对后续时效处理获得的组织更均匀、性能更稳定。另外马氏体转变的完全，残余奥氏体少，有利于防止后续时效过程或用户使用过程中残余奥氏体转变成马氏体象，使产品内部产生微裂纹，严重时内部裂纹延伸到产品表面，使产品裂开。
[0019]
本发明一种含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的热处理方法，通过把钢加热到奥氏体状态，然后快速冷却到ms点以下温度，得到马氏体组织，然后在480-620℃温度范围内进行时效处理，可以获得在马氏体基体上析出沉淀硬化相的组织,这种组织具有高的强度,并可根据时效温度的调整,在一定范围内调整强度和塑韧性。这种钢马氏体开始转变温度比较低，一般在200℃以下，mf(转变结束温度)一般在30℃以下，有的钢mf点很低，在0℃以下，为了保证马氏体转变完全，还需要进行深冷处理，这样才能保证时效后组织均匀，性能稳定。
[0020]
作为优选的方案，所述步骤s1中，所述奥氏体化温度为1020-1060℃。
[0021]
固溶的目的就是通过加热到奥氏体化温度后，使合金碳化物和合金元素等溶解到基体中，保温一段时间，使固溶到奥氏体基体中的合金元素均匀分布，通过快速冷却得到均匀的马氏体组织，为后续时效处理做好组织准备。含铜沉淀硬化马氏体不锈钢常规固溶温度一般控制在1020℃-1060℃，加热温度不宜过高,如果大于1100℃,会使组织中铁素体量增多、ms点下降、残留奥氏体增多,时效处理后，组织不均、硬度偏低。固溶温度低时，合金碳化物等固溶不完全，得到的马氏体组织不均，最后造成时效后组织和性能不均。所以对于含铜的马氏体沉淀硬化不锈钢固溶温度选择在1020℃-1060℃之间。
[0022]
作为优选的方案，所述步骤s1中，所述保温的时间为1-3小时。
[0023]
固溶后保温的目的就是保证合金碳化物和合金元素等充分溶解，并均匀分布，保证得到的马氏体组织均匀，这样才能保证时效后的组织均匀。保温时间长，晶粒容易长大，得到的马氏体组织粗大，降低时效后性能；保温时间短，合金碳化物固溶的不充分，得到的马氏体组织不均匀，影响时效后性能的均匀性，根据产品的大小固溶时间一般控制在1h-3h之间。
[0024]
作为优选的方案，所述步骤s1中，所述快速冷却处理的方式为空冷处理后水冷处理。
[0025]
作为优选的方案，所述步骤s1中，所述空冷处理后水冷处理的条件为：在所述不锈钢保温后，先在空中停留冷却一段时间，待温度降低至800℃-850℃后，进一步地将所述不锈钢置入水中进行水冷处理，待水温达到马氏体转变终了温度后，将所述不锈钢脱水再次空冷处理4-8小时，完成冷却处理。所述的马氏体转变终了温度与合金的成分有关，一般为32℃左右。
[0026]
快速冷却处理的目的就是使已经加热得到的奥氏体快速转变得到马氏体组织，从经济方面考虑，我们选择水冷作为快冷的方式。但水冷相对空冷和油冷冷速快，对于大规格的产品，内外温度偏差大，组织转变应力大，应力超过产品的强度，将形成微裂纹，严重将产生开裂。所以我们选在固溶冷却时，在空中停留一段时间，一方面提高ms点，尽快转变马氏体，另一方面减少组织转变的应力。出炉后，空中停留，当产品温度达到800℃～850℃时，进水槽冷却；
[0027]
采用循环冷却水，产品入水后，应当上下摆动，保证产品水冷均匀。当水温达到mf点以下时，产品可以出水槽空冷，出水后的产品，不要马上进行时效处理，产品上还有一些残余应力，在空冷中残余应力逐渐释放，一般空冷4-8小时就可以进行时效处理。
[0028]
将水冷和空冷多次结合，最终达到了快速冷却，而又不开裂的目的。
[0029]
作为优选的方案，所述步骤s2中，时效处理的时间为4-8小时。
[0030]
作为优选的方案，所述步骤s2中，所述时效处理的温度为500-550℃，时效时间为4-6小时。
[0031]
本发明含铜马氏体沉淀硬化不锈钢时效的目的，就是在过饱和的马氏体基体上沉淀析出弥散分布的强化相，使钢的强度明显提高，但韧性还不降低很多，即可以获得强韧性的良好配合。沉淀硬化不锈钢强化相析出的温度是480-620℃。时效温度低时，时效时间短，480℃时效1h，强度就可以达到1350mpa以上，屈服可以达到1200mpa以上，但此时的韧性偏低。时效温度高时，强度比固溶后明显提高，但还保持较好的韧性，当时效温度达到620℃时，析出相粗化，强度降低，但韧性增加，基体得到软化。根据不同使用要求，可以选择相应的时效温度。但时效时间不能过短，时间短，析出相少，达不到强化效果，时间长，析出的强化相长大，也降低强化效果，出现过时效现象。所以对于这类钢在520-560℃时效时，时效时间为4-6小时，这样可以达到强度高，韧性好。根据产品大小，时效时间一般控制在4-8h之间，时效后空冷处理。
[0032]
本发明一种含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的热处理方法特别适合大规格的产品。小规格产品截面积小，冷却速度快，组织转变应力小，空冷情况下就能完成马氏体转变。然而大规格产品，其内外温差大，组织转变应力大，容易产生裂纹，另外，大规格产品内外温差大，马氏体转变不能同时完成，外部已经转变成马氏体，但心部温度高，还没有达到ms点以下温度，如果不控制水温，产品过早出水槽，心部很容易残留奥氏体。为此本发明的热处理方法提高了ms点并且降低水温，有利于减少钢中残余奥氏体，有利于防止开裂现象的出现，保证了产品质量稳定。
[0033]
本发明一种含铜马氏体沉淀硬化不锈钢由于采用了以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下优点：
[0034]
1、本发明所述的热处理工艺比常规热处理工艺更加细化，更适合大尺寸产品热处理。
[0035]
2、本发明的热处理法在固溶后冷却方式上首先选择更加经济的水冷，油冷在有利于保证冷却均匀的情况下，油冷由于冷速比水冷小，产生的应力小，出现应力开裂的现象少。但油冷对现场要求高，有防火要求；油比水成本高；另外油挥发对环境和产品有污染，所以相对比较大的产品选择更经济的水冷代替油冷。
[0036]
3、本发明的热处理方法，固溶后冷却时选择在空中冷却一段时间，即起到了提高马氏体转变温度(ms)的作用，同时也减少了直接水冷应力过大，造成产品开裂的倾向。
[0037]
4、本发明热处理方法，对冷却的水温进行了控制，这样有利于保证马氏体转变的完全，减少残余奥氏体含量，保证钢获得均匀的组织和性能，同时也能减少在后续的使用过程中，残余奥氏体再转变成马氏体，使产品内部出现裂纹或者开裂。
[0038]
本发明要解决的另一个技术问题是：提供通过上述方法制备得到的含铜马氏体沉淀硬化不锈钢，以解决常规的马氏体不锈钢性能不均、强韧性不能得到良好配合以及材料
内部可能产生微裂纹，严重时造成产品开裂的问题。
[0039]
为了解决上述问题，本发明提供了一种含铜马氏体沉淀硬化不锈钢，所述不锈钢通过上述热处理方法制备获得。
[0040]
作为优选的方案，所述不锈钢以质量分数计，包括以下化学成分：c≤0.07％，mn≤1.00％，p≤0.040％，s≤0.030％，cr：14.0％-17.5％，ni：3.00％-5.00％，cu：3.00％-5.00％，nb+ta：0.15％-0.45％，余量为铁以及其他不可避免的杂质。
[0041]
本发明上述含铜马氏体沉淀硬化不锈钢相对于常规的同类产品而言，具有更高的强度，且性能均匀，不易出现开裂。
附图说明
[0042]
图1为延迟开裂的裂纹结构图。
具体实施方式
[0043]
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
本发明提供了一种含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的热处理方法，包括s1：固溶处理和s2：时效处理；
[0045]
所述固溶处理包括：s1：将含铜马氏体沉淀硬化不锈钢加热至奥氏体化温度，保温后进一步地进行快速冷却处理，得到均匀化后的含铜马氏体沉淀硬化不锈钢；所述奥氏体化温度为1000-1100℃；
[0046]
所述时效处理包括：s2：将固溶处理后的不锈钢升温至480-620℃进行时效处理，时效后空冷处理，完成热处理。
[0047]
优选的，所述步骤s1中，所述奥氏体化温度为1020-1060℃。
[0048]
优选的，所述步骤s1中，所述保温的时间为1-3小时。
[0049]
优选的，所述步骤s1中，所述快速冷却处理的方式为空冷处理后水冷处理。
[0050]
优选的，所述步骤s1中，所述空冷处理后水冷处理的条件为：在所述不锈钢保温后，先在空中停留冷却一段时间，待温度降低至800℃-850℃后，进一步地将所述不锈钢置入水中进行水冷处理，待水温达到马氏体转变终了温度后，将所述不锈钢脱水再次空冷处理4-8小时，完成冷却处理。
[0051]
优选的，所述步骤s2中，时效处理的时间为4-8小时。
[0052]
优选的，所述步骤s2中，所述时效处理的温度为520-560℃，时效时间为4-6小时。
[0053]
本发明还提供了一种含铜马氏体沉淀硬化不锈钢，所述不锈钢通过上述制备方法制备获得。
[0054]
优选的，所述不锈钢以质量分数计，包括以下化学成分：c≤0.07％，mn≤1.00％，p≤0.040％，s≤0.030％，cr：14.0％-17.5％，ni：3.00％-5.00％，cu：3.00％-5.00％，nb+ta：0.15％-0.45％，余量为铁以及其他不可避免的杂质。
[0055]
以下结合具体的实验数据与实验方法对本发明上述的技术方案进行展开的描述：
[0056]
实施例1：
[0057]
本实施例提供了一种含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的热处理方法，包括s1：固溶处理和s2：时效处理；
[0058]
所述固溶处理包括：s1：将含铜马氏体沉淀硬化不锈钢加热至奥氏体化温度1020℃，保温2小时后进一步地进行快速冷却处理，在所述不锈钢保温后，先在空中停留冷却一段时间，待温度降低至800℃-850℃后，进一步地将所述不锈钢置入水中进行水冷处理，待水温达到马氏体转变终了温度后，将所述不锈钢脱水再次空冷处理4-8小时，完成冷却处理。
[0059]
所述时效处理包括：s2：将固溶处理后的不锈钢升温至480-620℃进行时效处理，时效处理的时间为4-8小时，时效后空冷处理，完成热处理。
[0060]
所述步骤s2中，所述时效处理的温度为520-560℃，时效时间为4-6小时。
[0061]
本实施例的一种含铜马氏体沉淀硬化不锈钢，以质量分数计，包括以下化学成分：c≤0.07％，mn≤1.00％，p≤0.040％，s≤0.030％，cr：14.0％-17.5％，ni：3.00％-5.00％，cu：3.00％-5.00％，nb+ta：0.15％-0.45％，余量为铁以及其他不可避免的杂质。
[0062]
实施例2-3以及对比文件1-3与实施例1类似，其不同之处在于，固溶奥氏体化温度、保温时间、冷却方式以及最后得到的不锈钢的布氏硬度(hb不同)，具体如表2所示。
[0063]
表2实施例1-3以及对比例1-3不同固溶温度和冷却方式对比结果
[0064][0065][0066]
从表3看，在相同固溶温度下，空中停留一段时间的冷却方法，硬度相对低。三种不同固溶温度的试验结果规律相同。从这一点可以说明，固溶后直接水冷，硬度偏高，1060℃直接水冷固溶，硬度已经超出标准要求上限。直接水冷固溶，硬度高，说明组织应力大，开裂倾向相对本发明热处理工艺高。
[0067]
其次，在同一固溶温度和在空中停留相同时间的情况下，在水中采用不同的冷却时间，对比结果见表4.
[0068]
表4水中不同冷却时间对比结果(横向)
[0069][0070]
从表4看，采用本发明热处理方法，如果水温偏高(80℃)时就把产品吊出，时效后强度和硬度都相对偏低，不如冷却到25℃以下出炉好。这主要是由于水温高，马氏体转变的不完全，钢中残留奥氏体相对多，所以强度和硬度偏低。残余奥氏体多的产品，后续出现延迟裂纹的倾向大。
[0071]
通过上述试验以及后续生产的实际看，采用本发明热处理工艺生产的产品，生产成本低，质量稳定，各项性能指标满足产品标准要求，产品没有出现开裂现象，同时也没有热处理工艺相关的质量异议。
[0072]
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的热处理方法，其特征在于：包括s1：固溶处理和s2：时效处理；所述固溶处理包括：s1：将含铜马氏体沉淀硬化不锈钢加热至奥氏体化温度，保温后进一步地进行快速冷却处理，得到均匀化后的含铜马氏体沉淀硬化不锈钢；所述奥氏体化温度为1000-1100℃；所述时效处理包括：s2：将固溶处理后的不锈钢升温至480-620℃进行时效处理，时效后空冷处理，完成热处理。2.根据权利要求1所述的含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤s1中，所述奥氏体化温度为1020-1060℃。3.根据权利要求2所述的含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤s1中，所述保温的时间为1-3小时。4.根据权利要求1所述的含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤s1中，所述快速冷却处理的方式为空冷处理后水冷处理。5.根据权利要求4所述的含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤s1中，所述空冷处理后水冷处理的条件为：在所述不锈钢保温后，先在空中停留冷却一段时间，待温度降低至800℃-850℃后，进一步地将所述不锈钢置入水中进行水冷处理，待水温达到马氏体转变终了温度后，将所述不锈钢脱水再次空冷处理4-8小时，完成冷却处理。6.根据权利要求1所述的含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤s2中，时效处理的时间为4-8小时。7.根据权利要求6所述的含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤s2中，所述时效处理的温度为520-560℃，时效时间为4-6小时。8.一种含铜马氏体沉淀硬化不锈钢，其特征在于，所述不锈钢通过权利要求1-7任一项热处理方法制备获得。9.根据权利要求8所述的一种含铜马氏体沉淀硬化不锈钢，其特征在于：所述不锈钢以质量分数计，包括以下化学成分：c≤0.07％，mn≤1.00％，p≤0.040％，s≤0.030％，cr：14.0％-17.5％，ni：3.00％-5.00％，cu：3.00％-5.00％，nb+ta：0.15％-0.45％，余量为铁以及其他不可避免的杂质。

技术总结

本发明提供了一种含铜马氏体沉淀硬化不锈钢的热处理方法，包括S1：固溶处理和S2：时效处理；所述固溶处理包括：S1：将含铜马氏体沉淀硬化不锈钢加热至奥氏体化温度，保温后进一步地进行快速冷却处理，得到均匀化后的含铜马氏体沉淀硬化不锈钢；所述奥氏体化温度为1000-1100℃；所述时效处理包括：S2：将固溶处理后的不锈钢升温至480-620℃进行时效处理，时效后空冷处理，完成热处理。本发明还包括所述含铜马氏体沉淀硬化不锈钢，通过本发明制得的不锈钢强度高，且内外强度均匀，不易开裂。不易开裂。