CN111020144B - 控制节Ni型双相不锈钢在较低加工温度σ相析出的热加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种控制节Ni型双相不锈钢在较低加工温度σ相析出的热加工方法，该方法通过控制轧制温度和变形速率的配合调控节Ni型双相不锈钢板材在较低温度轧制过程中σ析出相的数量，本发明采用固溶处理和高温压缩试验，发现了轧制温度和变形速率对节Ni型双相不锈钢板材中σ相析出行为的影响规律，确定了有效避免σ相析出的工艺参数以及σ相析出量和变形参数之间的关系，为在较低温度进行轧制工艺的优化提供指导，同时该方法可用于23%Cr高Mn系节Ni型双相不锈钢的热轧成型、零件热加工后处理等工业生产领域，解决在热加工过程中因形成析出相引起的变形开裂等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制节Ni型双相不锈钢在较低加工温度σ相析出的热加工方法，属于双相不锈钢热加工技术领域。
背景技术
双相不锈钢具有铁素体和奥氏体两相结构特征，因此兼有奥氏体不锈钢的优良韧性和焊接性，以及铁素体不锈钢的高强度和良好的耐氯化物腐蚀性，被广泛应用于石油、化工、能源等工业领域。众所周知，Ni元素是不锈钢中的主要合金元素之一。近年来，由于全球Ni资源紧张且Ni的价格逐年攀升，导致不锈钢的生产成本大幅增加。然而，Mn的价格比Ni便宜7-8倍。因此，近些年一种以Mn代Ni双相不锈钢逐渐进入人们的视野。节Ni型双相不锈钢以廉价的Mn元素替代贵金属Ni元素，不仅可以从双相不锈钢板材的上游起到节约成本的作用，同时，适量的Mn添加可扩大奥氏体相区，稳定奥氏体相，还可提高N在钢中的固溶度，达到节约资源，减少浪费的目的。
双相不锈钢由于存在含有较大组分的Cr、Ni、Mo等元素，在600~950 ℃进行轧制、拉拔、挤压成型等热加工过程中容易形成σ析出相，且在700~850 ℃ 范围内σ析出相数量较大。同时，有报道表明较高的Mn添加会促进σ相的析出，导致在热加工过程中引起变形开裂和微裂纹。此外，硬而脆的σ相会大大的降低产品的力学性能和耐腐蚀性能。目前，关于高Mn系双相不锈钢板材在较低温度轧制过程中轧制参数（变形温度、变形速率等）对σ相析出的影响尚不明确。而通过热模拟实验可得到热变形参数（变形温度、变形速率）对σ相析出的影响规律，优化热加工工艺应用于实际轧制后期的低温轧制以及中小零件的低温热变形加工过程，可有效的避免或者控制σ相的析出，能有效节约资源，减少浪费，对推广高Mn系节Ni型双相不锈钢的应用具有重要意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种控制节Ni型双相不锈钢在较低加工温度σ相析出的热加工方法，该方法通过变形速率和变形温度之间的配合来降低σ析出相数量，达到在生产过程中能在σ相敏感析出温度区间轧制时降低σ相的数量，无需进行后续的热处理，这对推进其工业应用具有重要意义。
为实现本发明目的而采用的技术方案为：在节Ni型双相不锈钢板材的生产轧制过程中，通过轧制温度和变形速率的配合控制节Ni型双相不锈钢在σ相敏感析出温度区间进行热轧工艺时σ相析出的数量，能有效减少σ相析出。
上述方法的具体方案为：
（1）采用真空冶炼得到节Ni型双相不锈钢铸锭，对铸锭进行组织均匀化处理；
所述组织均匀化处理是在温度为1200 ± 10℃保温2 h；
所述真空冶炼常规冶炼方法；
所述节Ni型双相不锈钢的化学成分及其质量百分比为：C 0.036 ~ 0.04%、Si≤0.25%、S≤0.0028%、P≤ 0.0058%、Mn 14.13 ~ 14.63%、Cr 23.69 ~ 23.23%、Ni 2.2 ~2.4%、Mo 1.29 ~ 1.6%、Cu 0.10 ~ 0.14%、N 0.23 ~ 0.28%，其余为Fe和不可避免杂质；
（2）对步骤（1）得到的铸锭进行锻造，锻成板坯，锻后快冷；
所述锻造工艺为：始锻温度为1100 ~ 1150 ℃，终锻温度≥ 950 ℃，锻造比为4 ~5；
（3）步骤（2）得到的板坯进行固溶处理，然后水淬至室温；
所述板坯的固溶处理条件为：1100～1120 ℃保温1 h；
（4）将步骤（3）得到的板坯进行热轧，开轧温度为1080~1120 ℃，终轧温度为≥950℃的热轧变形，然后将热轧后钢板快速水淬，得到节Ni型双相不锈钢板材；
（5）从步骤（4）得到节Ni型双相不锈钢板材进行固溶处理，处理后水淬冷却至室温；
所述固溶处理的条件为：在1040～1060 ℃保温30 min；
（6）模拟轧制板材精轧的高温变形过程，将步骤（5）得到的板材加热到780~820℃，以0.1~10 s-1变形速率进行轧制，总变形量为50%，然后水淬冷却至室温，达到降低σ析出相数量的目的；
所述板材加热到860~940 ℃时，以0.1~1 s-1变形速率进行轧制，总变形量为50%，然后水淬冷却至室温，达到降低σ析出相数量的目的。
本发明方法制得的产品采用光学显微镜观察金相组织，采用X射线衍射进行物相分析。
本发明的有益效果为：
本发明采用的高温压缩试验来模拟实际热轧过程，发现并掌握了在较低温度进行轧制时，变形速率对节Ni型双相不锈钢板材中σ相析出量的影响规律，从而确定了较低轧制温度以及变形速率匹配，优化了轧制工艺有效地降低了双相不锈钢在σ相敏感析出温度区间进行轧制工艺过程中σ相的析出量；通过实施本发明方法，能有效降低高Mn系节Ni型双相不锈钢板材在较低轧制温度轧制以及中小型零配件在较低温度进行热变形加工过程中σ析出相的数量。
附图说明
图1为实施例1在800℃变形后的金相组织；（a）0.01s-1；（b）0.1s-1（c）1s-1；
图2为实施例2在800℃，变形速率为10s-1变形后的金相组织；
图3为实施例3在900℃变形后的金相组织；（a）0.01s-1；（b）1s-1（c）10s-1；
图4为实施例4在900℃，变形速率为0.1s-1变形后的金相组织；
图5为所有实施例在轧制温度为800℃不同变形速率的XRD衍射谱图；
图6为所有实施例在轧制温度为900℃不同变形速率的XRD衍射谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例所述双相不锈钢的化学成分为（wt%）：C：0.036，Si：0.25，S：0.0028，P：0.0058，Mn：14.13，Cr：23.69，Ni：2.2，Mo：1.29，Cu：0.14，N：0.28，其余为Fe；
（1）采用真空熔炼炉炼制得到铸锭，再经1200℃保温2h进行组织均匀化处理；
（2）对铸锭进行锻造处理，始锻温度为1100 ℃，终锻温度950 ℃，锻造比采用4，锻造成130 mm宽，30 mm厚的板坯，然后快冷；
（3）将得到的板坯加热至1100 ℃保温1 h，然后水淬至室温；
（4）将板坯进行热轧，开轧温度控制在1100 ℃，终轧温度保持在980 ℃，轧制成12mm厚的板材，之后快速水冷；
（5）将轧制得到的板材沿轧制方向切割成20×20 mm的板材，加热到1050 ℃保温30 min进行固溶处理，然后水冷至室温；
（6）将固溶处理后的板材加工成高温热模拟试样，采用Gleeble-3800热模拟试验机模拟板材的热轧过程；将试样以10 ℃/s 的是加热速度加热到800 ℃，保温3 min，分别以0.01、0.1、1 s-1的变形速率使样品压缩变形至50%，然后快速水淬以保证最大限度保留高温组织至室温。
将高温压缩后的试样经过切割、打磨、抛光、清洗、干燥后，采用电解硝酸进行侵蚀，采用光学显微镜观察金相组织，采用X射线衍射进行物相分析。
图1所示为实施例1在模拟轧制温度为800 ℃不同变形速率的金相组织；由图可知，实施例显微组织中包含奥氏体（白色条带）、铁素体（黄色条带）和第二相（黑色），经XRD物相检测（图5）可知第二相为σ相，结合DRX结果和金相组织可以看出，σ相主要分布在铁素体相内和奥氏体相界以及铁素体相内；随变形速率增加，σ相的数量呈现逐渐减少的趋势；因此，当轧制温度控制在800 ℃时，增加变形速率能有效降低因σ相的数量。
实施例2
本实施例所述双相不锈钢的化学成分为（wt%）：C：0.036，Si：0.25，S：0.0028，P：0.0058，Mn：14.13，Cr：23.69，Ni：2.2，Mo：1.29，Cu：0.14，N：0.28，其余为Fe。
（1）采用真空熔炼炉炼制得到铸锭，经1210 ℃保温2 h进行组织均匀化处理；
（2）对铸锭进行锻造处理，始锻温度为1150 ℃，终锻温度980 ℃，锻造比采用4.5，锻造成130 mm宽，30 mm厚的板坯，然后快冷；
（3）将得到的板坯加热至1120 ℃，进行固溶处理1 h，然后水淬至室温；
（4）将板坯进行热轧，开轧温度控制在1120 ℃，终轧温度保持在980 ℃，轧制成12mm厚的板材，之后快速水冷；
（5）将轧制得到的板材沿轧制方向切割成20 × 20 mm的板材，加热到1060 ℃保温30 min进行固溶处理，然后水冷至室温；
（6）将固溶处理后的板材加工成高温热模拟试样，采用Gleeble-3800热模拟试验机模拟板材的热轧过程；将试样以10 ℃/s 的是加热速度加热到800 ℃，保温3 min，以10s-1的变形速率使样品压缩变形至50%，然后快速水淬以保证最大限度保留高温组织至室温；
将高温压缩后的试样经过切割、打磨、抛光、清洗、干燥后，采用电解硝酸进行侵蚀，采用光学显微镜观察金相组织，采用X射线衍射进行物相分析。
图2所示为实施例2在变形速率为10s-1变形后的金相组织；由图可知，实施例显微组织中包含奥氏体（白色条带）、铁素体（黄色条带）和第二相（黑色），经XRD物相检测（图5）可知第二相为σ相；结合DRX结果和金相组织可以看出，σ相主要分布在铁素体相内和奥氏体相界以及铁素体相内。此外，σ相数量较图1明显减少。
实施例3
本实施例所述双相不锈钢的化学成分为（wt%）：C：0.036，Si：0.25，S：0.0028，P：0.0058，Mn：14.13，Cr：23.69，Ni：2.2，Mo：1.29，Cu：0.14，N：0.28，其余为Fe。
（1）采用真空熔炼炉炼制得到铸锭，再经1200 ℃保温2h进行组织均匀化处理；
（2）对铸锭进行锻造处理，始锻温度为1130 ℃，终锻温度990℃，锻造比采用5，锻造成130 mm宽，30 mm厚的板坯，然后快冷；
（3）将得到的板坯加热至1110 ℃，进行固溶处理1h，然后水淬至室温；
（4）将板坯进行热轧，开轧温度控制在1080 ℃，终轧温度保持在980 ℃，轧制成12mm厚的板材，之后快速水冷；
（5）将轧制得到的板材沿轧制方向切割成20×20 mm的板材，加热到1040 ℃保温30 min进行固溶处理，然后水冷至室温；
（6）将固溶处理后的板材加工成高温热模拟试样，采用Gleeble-3800热模拟试验机模拟板材的热轧过程。将试样以10 ℃/s 的是加热速度加热到900℃，保温3 min，以0.01、1、10 s-1的变形速率使样品压缩变形至50%，然后快速水淬以保证最大限度保留高温组织至室温。
将高温压缩后的试样经过切割、打磨、抛光、清洗、干燥后，采用电解硝酸进行侵蚀，采用光学显微镜观察金相组织，采用X射线衍射进行物相分析。
图3所示为实施例3在模拟轧制温度为900℃不同变形速率变形后的金相组织。由图可知，实施例显微组织中包含奥氏体（白色条带）、铁素体（黄色条带）和第二相（黑色），经XRD物相检测（图6）可知第二相为σ相，结合DRX结果和金相组织可以看出，σ相主要分布在铁素体相内和奥氏体相界以及铁素体相内。此外，σ相数量随变形速率增加明显减少。
实施例4
本实施例所述双相不锈钢的化学成分为（wt%）：C：0.036，Si：0.25，S：0.0028，P：0.0058，Mn：14.13，Cr：23.69，Ni：2.2，Mo：1.29，Cu：0.14，N：0.28，其余为Fe。
（1）采用真空熔炼炉炼制而成得到铸锭，再经1200℃保温2h进行组织均匀化处理；
（2）对铸锭进行锻造处理，始锻温度为1130 ℃，终锻温度950℃，锻造比采用4.5，锻造成130 mm宽，30 mm厚的板坯，然后快冷；
（3）将得到的板坯加热至1100 ℃，进行固溶处理1 h，然后水淬至室温；
（4）将板坯进行热轧，开轧温度控制在1100 ℃，终轧温度保持在980 ℃，轧制成12mm厚的板材，之后快速水冷；
（5）将轧制得到的板材沿轧制方向切割成20×20 mm的板材，加热到1050 ℃保温30min进行固溶处理，然后水冷至室温；
（6）将固溶处理后的板材加工成高温热模拟试样，采用Gleeble-3800热模拟试验机模拟板材的热轧过程。将试样以10℃/s 的是加热速度加热到900 ℃，保温3 min，以0.1s-1的变形速率使样品压缩变形至50%，然后快速水淬以保证最大限度保留高温组织至室温。
将高温压缩后的试样经过切割、打磨、抛光、清洗、干燥后，采用电解硝酸进行侵蚀，采用光学显微镜观察金相组织，采用X射线衍射进行物相分析。
图4所示为实施例4在模拟轧制温度为900℃，0.1s-1变形速率变形后的金相组织；由图可知，实施例显微组织中仅包含奥氏体（白色条带）、铁素体（黄色条带），基本没有第二相形成。在此变形工艺下，有效的避免了在轧制过程中的较低温度进行轧制时的σ析出相的形成。
针对节Ni型双相不锈钢在轧制过程中不可避免的出现σ相，本发明发现，轧制温度为800℃时，σ相含量随变形速率升高而降低。
因此，根据节Ni型双相不锈钢的高温压缩试验，提出在σ相的敏感析出温度区间进行热轧制时，当轧制温度为800 ℃时，应保证在较高的变速率下设计轧制工艺。当轧制温度为900℃时，考虑变形速率应接近0.1 s-1设计轧制工艺，以保证节Ni型双相不锈钢板材在热轧过程中σ相的数量得到较佳的控制，对推动其工业大规模应用具有促进作用。
Claims (3)
1.一种控制节Ni型双相不锈钢在较低加工温度σ相析出的热加工方法，其特征在于：在节Ni型双相不锈钢板材的生产轧制过程中，通过轧制温度和变形速率的配合降低节Ni型双相不锈钢在σ相敏感析出温度区间的σ相析出的数量，即温度在780~820 ℃时，以0.1~10 s-1变形速率进行轧制；温度在860~940 ℃时，以0.1~1 s-1变形速率进行轧制，总变形量为50%；
上述方法具体步骤如下：
（1）采用真空冶炼得到节Ni型双相不锈钢铸锭，对铸锭进行组织均匀化处理；
（2）对步骤（1）得到的铸锭进行锻造，锻成板坯，锻后快冷；
（3）步骤（2）得到的板坯进行固溶处理，然后水淬；
（4）将步骤（3）得到的板坯进行开轧温度为1080~1120℃，终轧温度为≥950 ℃的热轧变形，然后将热轧后钢板快速水淬，得到节Ni型双相不锈钢板材；
（5）将步骤（4）得到节Ni型双相不锈钢板材进行固溶处理，处理后水淬冷却；
（6）模拟轧制板材精轧的高温变形过程，将步骤（5）得到的板材加热到780~820℃，以1~10 s-1变形速率进行轧制，总变形量为50%，然后水淬冷却至室温，达到降低σ析出相数量的目的；
或者步骤（5）得到的板材加热到860~940 ℃，以0.1~1 s-1变形速率进行轧制，总变形量为50%，然后水淬冷却至室温，达到降低σ析出相数量的目的；
步骤（3）中板坯的固溶处理条件为：1100～1120 ℃保温1 h；
步骤（5）中固溶处理的条件为：在1040～1060 ℃保温30 min；
所述节Ni型双相不锈钢的化学成分及其质量百分比为：C 0.036 ~ 0.04%、Si≤0.25%、S≤0.0028%、P≤0.0058%、Mn 14.13 ~ 14.63%、Cr 23.69 ~ 23.23%、Ni 2.2 ~ 2.4%、Mo1.29 ~ 1.6%、Cu 0.10 ~ 0.14%、N 0.23 ~ 0.28%，其余为Fe和不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的控制节Ni型双相不锈钢在较低加工温度σ相析出的热加工方法，其特征在于：步骤（1）中组织均匀化处理是在温度为1200 ± 10℃保温2 h。
3.根据权利要求1所述的控制节Ni型双相不锈钢在较低加工温度σ相析出的热加工方法，其特征在于，步骤（2）中锻造工艺为：始锻温度为1100 ~ 1150℃，终锻温度≥950℃，锻造比为4 ~ 5。
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