本發(fā)明屬于材料熱處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種1300mpa級別超低溫用高強度馬氏體時效不銹鋼及韌化熱處理方法。

　　背景技術(shù)：

　　液化天然氣、液氮和液氧等儲存設(shè)備及輸送管道用鋼要求具有較高的超低溫韌性，以保證構(gòu)件的安全性和可靠性。作為傳統(tǒng)的超低溫用鋼，aisi304等奧氏體不銹鋼已得到了廣泛的應(yīng)用。雖然奧氏體不銹鋼具有較高的抗蝕性和超低溫韌性，但強度較低，尤其低的屈服強度是其致命弱點，高氮奧氏體不銹鋼屈服強度也僅約400mpa；5ni和9ni鋼通過晶粒細化和形成穩(wěn)定的殘余/逆轉(zhuǎn)變奧氏體，使其具有較高的超低溫韌性，可以滿足部分超低溫構(gòu)件的安全性和可靠性要求，但這類鋼抗蝕性較弱，對于惡劣的使用環(huán)境，尤其是含有co2、h2s等的液化氣等環(huán)境無法使用。07cr16ni6和08cr14ni7mo等半奧氏體不銹鋼強度明顯優(yōu)于奧氏體不銹鋼，只要控制適當?shù)膴W氏體可以保證足夠的超低溫韌性，但控制奧氏體量的cr、ni等合金元素窗口非常窄，工業(yè)化生產(chǎn)難度較大。此外，半奧氏體不銹鋼存在敏化的問題，無法保證焊縫及熱影響區(qū)的性能，07cr16ni6鋼規(guī)格增大后淬火過程中形成網(wǎng)狀碳化物，不僅嚴重損害韌性，降低晶間腐蝕抗力。俄羅斯學(xué)者在0cr11ni10mo2ti馬氏體時效不銹鋼基礎(chǔ)上，降低mo和ti開發(fā)得到0cr12ni10moti高強度馬氏體不銹鋼，最終調(diào)整為0cr12ni10mo，根據(jù)超低溫工程需要，目前分別在250℃和500℃回火后使用。超低碳含量使其焊接性和抗蝕性良好，但強度仍然較低，最高強度(500℃時效)僅約1000mpa,仍然無法滿足超低溫裝備用鋼越來越高的強度要求。

　　雖然傳統(tǒng)的馬氏體不銹鋼、馬氏體沉淀硬化和時效不銹鋼按常規(guī)工藝熱處理后超低溫韌性極低，但其合金化體系是高強度超低溫用鋼的重要研發(fā)方向，尤其是馬氏體時效不銹鋼含有充足的cr、mo等合金元素使其具有足夠的耐蝕性，其馬氏體基體通過時效析出的第二相粒子提高強度。基于上述背景，本發(fā)明開發(fā)出針對1300mpa級超低溫用高強度cr-ni-co-mo不銹鋼及其韌化工藝技術(shù)。

　　技術(shù)實現(xiàn)要素：

　　本發(fā)明提供一種1300mpa級別超低溫用高強度馬氏體時效不銹鋼及其韌化熱處理方法，通過預(yù)先熱處理技術(shù)細化奧氏體晶粒，低溫固溶處理和時效處理，得到多形態(tài)的殘余/逆轉(zhuǎn)變奧氏體，在提高材料強度的同時，大幅改善超低溫韌性。

　　本發(fā)明不銹鋼成分重量百分數(shù)為：c≤0.03％、mn≤0.70％、si≤0.50％、cr：10.5～12.0％、ni：7.5-9.0％、co：4.0～5.5％、mo：1.8～2.2％、v≤0.3％％、ti：0.01～0.05％、nb：0.01～0.05％，余量為fe和其他不可避免雜質(zhì)。采用真空感應(yīng)/真空自耗重熔工藝或真空感應(yīng)/真空電渣重熔工藝進行熔煉，熱處理前進行鍛造。

　　本發(fā)明中的馬氏體時效不銹鋼的熱處理的工藝步驟及控制的技術(shù)參數(shù)如下：

　　(1)鍛坯經(jīng)加熱爐加熱到950℃～1000℃，保溫30～60分鐘后空冷；

　　(2)隨后再加熱保證在730℃～750℃保溫1～2小時后空冷；

　　(3)隨后進行-50℃～-90℃保溫1～2小時的冷處理；

　　(4)最終進行400℃～550℃時效處理時效時間1～5小時。

　　上述步驟(1)中，當鍛件加熱至950℃～1000℃保溫30～60分鐘后，得到相對鍛造組織尺寸相對細小均勻的奧氏體晶粒。

　　上述步驟(2)中，對于730℃～750℃保溫，其前處理包括但不限于慢速定速加熱(0.1℃/s～10℃/s)、快速定速加熱(10℃/s～500℃/s)、變速加熱(0.1℃/s～500℃/s)、中間溫度保溫(400℃～700℃)再加熱、2-4次重復(fù)730℃～750℃及以下溫度的加熱及冷卻。

　　上述步驟(3)中，鍛坯在低溫(730℃～750℃)固溶處理后需進行低溫(-30℃～-150℃)處理，通?？芍糜诶涔竦妊b置進行-50℃～-90℃保溫1～2小時的冷處理，針對具體合金成分此階段處理后，殘余奧氏體含量需控制在10％～20％。

　　上述步驟(4)中，400℃～550℃時效處理時效時間1～5小時。通過合理調(diào)控時效，奧氏體總量達到25％～30％左右。

　　經(jīng)完整熱處理后的馬氏體時效不銹鋼與傳統(tǒng)工藝相比，平均晶粒尺寸從100～200μm細化到50～80μm左右，室溫抗拉強1100～1150mpa提升到1300～1350mpa，屈服強度由1000～1050mpa提升至1250～1300mpa，液氮u型沖擊功從20～30j左右提升至100～110j左右，液氮v型沖擊功從5～10j提升至80～90j左右，液氮斷后伸長率是傳統(tǒng)工藝的2倍以上。熱處理后的奧氏體組織呈現(xiàn)塊狀、條帶狀、顆粒狀等多種形態(tài)，其整體組織均勻細小，具有較高的位錯密度且ni元素明顯富集。在變形過程中可穩(wěn)定發(fā)生trip效應(yīng)，改善拉伸塑性，沖擊過程中殘余奧氏體阻礙裂紋擴展，明顯提升沖擊吸收功。

　　本發(fā)明的主要原理首先通過預(yù)先熱處理技術(shù)細化奧氏體晶粒，在通過低溫固溶處理技術(shù)以α′→γ非擴散逆轉(zhuǎn)變形成奧氏體遺傳預(yù)處理后晶粒的形態(tài)和尺寸。這種非擴散α′→γ逆轉(zhuǎn)變形成的奧氏體內(nèi)部缺陷密度較高，對應(yīng)奧氏體穩(wěn)定性較強，需要對奧氏體進行低溫處理才能得到一定量的馬氏體強化相。與此同時也會高密度缺陷最終遺傳到冷卻過程中γ→α′相變形成的馬氏體內(nèi)，一方面強化了基體馬氏體組織，另一方面增加時效過程析出相的析出密度并彌散分布，提高時效強化效應(yīng)。未轉(zhuǎn)變的奧氏體在時效過程因其具有較高位錯密度所以將加快合金元素的擴散，加速形成逆轉(zhuǎn)變奧氏體。通過對奧氏體總體積分數(shù)的控制最終形成20％～30％具有高穩(wěn)定性殘余奧氏體，70％～80％高位錯密度馬氏體，彌散分布的ni3mo等金屬間化合物。

　　本發(fā)明技術(shù)具有如下優(yōu)點：

　　(1)相比于傳統(tǒng)的馬氏體時效不銹鋼及其新熱處理工藝，本發(fā)明技術(shù)中的低溫固溶處理工藝引入了高密度缺陷的奧氏體組織，改善了低溫沖擊韌性；

　　(2)相比于傳統(tǒng)的馬氏體時效不銹鋼及其新熱處理工藝，本發(fā)明技術(shù)中的強度得到了明顯提高；

　　(3)相比于傳統(tǒng)的馬氏體時效不銹鋼及其新熱處理工藝，馬氏體時效不銹鋼組織均勻性得到提升，晶粒與組織得到細化；

　　(4)相比于傳統(tǒng)的馬氏體時效不銹鋼及其新熱處理工藝，馬氏體時效不銹鋼trip效應(yīng)可在-196℃仍然發(fā)揮作用，殘余/逆轉(zhuǎn)變奧氏體穩(wěn)定性顯著增強。

　　綜上所述，通過本發(fā)明得到的馬氏體時效不銹鋼對航天航空、石油化工等領(lǐng)域超低溫裝備的制造有著重要的作用。

　　附圖說明

　　圖1是本發(fā)明實施例1馬氏體時效不銹鋼原始鍛態(tài)晶粒圖片圖。

　　圖2是本發(fā)明實施例1馬氏體時效不銹鋼1000℃預(yù)處理晶粒圖片圖。

　　圖3是本發(fā)明實施例2新熱處理工藝的馬氏體時效不銹鋼馬氏體晶粒取向圖。

　　圖4是本發(fā)明實施例2新熱處理工藝的馬氏體時效不銹鋼奧氏體晶粒取向圖。

　　圖5是對比例馬氏體時效不銹鋼斷口組織圖(解理斷裂為主)。

　　圖6是本發(fā)明實施例3馬氏體時效不銹鋼斷口組織圖(韌性斷裂為主)。

　　具體實施方式

　　下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。

　　對比例

　　選用原材料鋼的化學(xué)成分按重量百分數(shù)如表1所示，對比例與實施例1采用同一合金成分。采用真空感應(yīng)爐+真空自耗重熔工藝進行熔煉，熱處理前鍛造成φ160的鍛造棒材，其晶粒大小尺寸不均勻。

　　熱處理步驟如下：

　　1)將試樣快速升溫(10℃/s)1000℃，保溫1h后空冷；

　　2)快速升溫至(10℃/s)500℃，保溫3h后空冷。

　　實施例1

　　選用原材料鋼的化學(xué)成分按重量百分數(shù)如表1所示，余量為fe和不可避免的雜質(zhì)。對比例與實施例1采用同一合金成分。采用真空感應(yīng)爐+真空自耗重熔工藝進行熔煉，熱處理前鍛造成φ160的鍛造棒材，其晶粒大小尺寸不均勻。

　　熱處理步驟如下：

　　1)將試樣快速升溫(10℃/s)至1000℃，保溫1h后空冷；

　　2)快速升溫(10℃/s)至750℃，保溫1h后空冷；

　　3)置于-73℃冷柜中，保溫2h后空冷；

　　4)快速升溫至500℃，保溫3h后空冷。

　　對比馬氏體時效不銹鋼原始態(tài)和1000℃預(yù)處理的晶粒圖1和2，由圖可見原始態(tài)晶粒大小不一，晶粒尺寸最大可達200μm左右，平均晶粒尺寸10μm，經(jīng)預(yù)處理后平均晶粒尺寸下降到75μm。與傳統(tǒng)熱處理工藝相比，如圖4所示，實施例1的馬氏體板條更加的均勻細小。

　　實施例2

　　選用原材料鋼的化學(xué)成分按重量百分數(shù)計如表1所示，余量為fe和不可避免的雜質(zhì)。采用真空感應(yīng)爐+真空電渣重熔工藝進行熔煉，熱處理前鍛造成φ160的鍛造棒材，其晶粒大小尺寸不均勻。

　　熱處理步驟如下：

　　1)將試樣快速升溫(20℃/s)至1000℃，保溫1h后空冷；

　　2)快速升溫(20℃/s)至600℃保溫2h，隨爐升溫至750℃，保溫1h后空冷；

　　3)置于-73℃冷柜中，保溫2h后空冷；

　　4)快速升溫至500℃，保溫3h后空冷。

　　實施例3

　　選用原材料鋼的化學(xué)成分按重量百分數(shù)如表1所示，余量為fe和不可避免的雜質(zhì)。采用真空感應(yīng)爐+真空自耗重熔工藝進行熔煉，熱處理前鍛造成φ160的鍛造棒材，其晶粒大小尺寸不均勻。

　　熱處理步驟如下：

　　1)將試樣快速升溫(20℃/s)至1000℃，保溫1h后空冷；

　　2)快速升溫(10℃/s)至750℃，保溫1h后空冷，再次快速升溫(20℃/s)至750℃，保溫1h后空冷；

　　3)置于-73℃冷柜中，保溫2h后空冷；

　　4)快速升溫至500℃，保溫3h后空冷。

　　表1本發(fā)明實施例化學(xué)成分(wt.％)

　　對對比例及實施例1～3的試樣進行力學(xué)性能測試，不同熱處理工藝下測試結(jié)果如表2所示。

　　表2本發(fā)明實施例力學(xué)性能