專利名稱：Cr-Ni型不銹鋼的耐腐蝕性優化處理工藝及耐腐蝕板材的制作方法
技術領域：
Cr-Ni型不銹鋼的耐腐蝕性優化處理工藝及耐腐蝕板材，屬于冶金技術領域，主要 應用于核電和石油化工等奧氏體不銹鋼構件的耐腐蝕性能優化領域。
背景技術：
奧氏體是Y鐵內固溶有碳和(或)其他元素的、晶體結構為面心立方的固溶體。 不銹鋼在腐蝕介質作用下，在晶粒之間產生的一種腐蝕現象稱為晶間腐蝕。產生晶間腐蝕 的不銹鋼，當受到應力作用時，即會沿晶界斷裂、強度幾乎完全消失，這是不銹鋼的一種最 危險的破壞形式。造成奧氏體不銹鋼耐晶間腐蝕性能低下的一個主要因素是奧氏體不銹鋼 的敏化(碳化物在晶界沉淀)。晶界作為多晶材料的一個重要的結構特征對材料的性能有 重要影響。研究表明在晶界特征分布(Grain boundary character distribution, GBCD) 中增加具有特殊性能的晶界比例，會使合金的整體性能得到改善，尤其是抗晶界失效性能 (包括抗晶界腐蝕性能)得到改善。低Σ -重位點陣晶界(Coincidence site lattice, CSL)對滑移、斷裂、腐蝕和應力腐蝕、裂紋、敏化和溶質偏析(平衡和非平衡)有強烈的抑制 作用，有的甚至是完全免疫的。低能CSL晶界在多晶材料中普遍存在，它的出現頻率與材料 的制備過程(變形、鑄造、再結晶和熱處理)密切相關。現有的有關奧氏體不銹鋼的晶界優化方法大都是采用小形變后在相對低溫下進 行長時間退火處理。該工藝雖然可以獲得高比例的Σ 3n(n = 0，l，2，3)晶界和較大尺寸的 Σ 3η晶粒團簇但卻具有退火周期過長，生產成本高，且相對低溫退火可能造成的碳化物析 出等缺陷。另外目前的晶界優化方法都是針對固溶處理后的合金，而沒有考慮到實際合金 所可能存在的初始組織狀態，如晶粒尺寸大小，碳化物分布等。發明人曾于2008年11月發表博士論文《基于退火孿晶的304不銹鋼晶界特征分 布優化及其機理研究》，該文中提供了兩種優化方法，第一種為單次冷軋退火優化對變形量 6%的冷軋樣品進行了 900°C下96h長時間退火處理；第二種是循環冷軋退火工藝，其中采用 第一步為900°C /lh,水冷；第二步為1050°C /5min,水冷的兩步退火工藝對不銹鋼樣品進行優 化處理。對于第一種優化工藝由于退火周期過長，且晶粒組織粗大，不利于優化方法的工業性 生產。而第二種優化工藝，雖然經6%冷軋的合金樣品在后續的退火過程中都或多或少地在 原有基礎上提高了特殊晶界的比例，但其晶界特征分布優化效果并不穩定，如6%形變合金 樣品經900°C長時間0他和721!)退火，其晶界特征分布優化效果不明顯。另外前期實驗所 發現的當合金初始狀態發生改變時，其GBCD優化效果也大打折扣。對上述問題探討后，發明 人認為主要原因在于實驗中采用6%變形量偏高，對后續退火過程中晶界的遷移造成了不利 影響，同時，對第二步退火時間的選擇，考慮到實際應用中由于初始合金中的碳化物或第一步 退火可能引入的碳化物析出等問H，退火時間可在不致晶粒組織粗化的前提下予以延長。
發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種適用性廣，優化效果3穩定，顯微組織中特殊晶界比例高，能顯著提升晶間腐蝕抗力的Cr-Ni型不銹鋼的耐腐蝕 性優化處理工藝及抗腐蝕性效果好的Cr-Ni型耐腐蝕不銹鋼板材。本發明為解決其技術問題所采取的技術方案是Cr_Ni型不銹鋼的耐腐蝕性優化 處理工藝，包括冷軋和退火，其特征在于包括以下優化處理步驟1)在室溫下，對Cr-M型不銹鋼板料進行變形量為3 5%的單道次小變形冷軋；2)在900 925°C下保溫70 90min或1000°C 1020°C下保溫5 15min，水冷到室溫；3)在1040°C 1060°C下保溫10 15min，水冷到室溫；4)重復步驟3)2 3次。所述步驟2)優選在900°C下保溫70 90min，水冷至室溫。所述步驟2)更優選在900°C下保溫70 80min，水冷至室溫。所述步驟3)優選在1050°C下保溫10 15min，水冷至室溫。所述步驟2) 4)中升溫速度為20 30°C /min。一種通過所述的Cr-Ni型不銹鋼的耐腐蝕性優化處理工藝進行優化處理的Cr-Ni 型耐腐蝕不銹鋼板材，其特征在于所述不銹鋼板材中的特殊晶界比例為75% 90%，且 一般大角度晶界在{111}晶面上具有擇優分布特性。所述Cr-Ni型不銹鋼各成分的質量百分比(wt % )優選為C 0. 013 0. 042，Si 0. 52 0. 69，Mn 0. 83 0. 96，P 0. 028 0. 31，S 0. 001 0. 0053, Cr 17. 12 17. 4，Ni 8. 01 12. 45，Mo 0. 07 2. 0，N 0 0. 014。實驗發現采用單道次軋制小變形后的合金變形儲能少，不足以在后續退火過程中 發生以生成一般大角度晶界為特征的再結晶行為，因此一般大角度晶界比例低，相應地， Σ 3η晶界比例高；對于熱軋狀態的初始合金由于其存在一定的殘余應力或變形組織而在冷 軋過程中可選擇更低的變形量；時效狀態的合金由于碳化的析出會加速再結晶進程，同樣 也可適當減少變形量。另外，小形變造成的不均勻應力分布及適當的應力梯度是退火過程 中形變誘發晶界遷移，尤其是某些特定晶界優先遷移，獲得大尺寸的Σ 3"晶粒團簇的重要 原因之一。但形變量過小，導致退火過程中誘發晶界遷移的驅動力不足。第一步退火處理在相對低溫下900 925°C下保溫60 70min或在相對高溫 1000°C 1020°C下保溫5 15min的主要目的是獲得不完全的再結晶組織，為第二步退火 過程中實現某些晶界在應力梯度下的擇優遷移準備“組織”條件。第二步退火處理一般在固溶溫度下退火10 20min，其目的有兩個，其一是溶解 合金中原有的碳化物以及第一步退火可能導致的晶界處析出的碳化物；如果初始合金中碳 化物密度較高時，可重復該工藝2 3次，進行多步退火處理。其二，也是最主要的一方面， 就是實現合金的晶界特征分布優化消耗變形組織，Σ 3孿晶界不斷生成，通過非共格Σ 3 晶界的遷移，彼此相遇反應造成Σ 9和Σ 27等晶界不斷增殖，同時，某些晶界的擇尤遷移造 成Σ 3η晶粒團簇不斷增大，而且該團簇周圍的一般大角度晶界網絡連通性在晶界廣泛遷移 過程中多處被特殊晶界有效阻斷。其典型的晶界特征分布如下圖1所示，而且通過五參數 法測定的晶界面分布結果表明，保留下來的一般大角度晶界在{111}晶面上具有擇優分布 特性，如下圖2所示，這種低能的晶界面強化了晶界特征分布優化效果。本優化工藝優選對成分質量百分比)為C 0. 013 0. 042，Si 0. 52 0. 69,Mn 0. 83 0. 96,P 0. 028 0. 31, S 0. 001 0. 0053, Cr 17. 12 17. 4,Ni 8. 01 12. 45，Mo 0. 07 2. 0，N 0 0. 014的Cr-Ni型304或316不銹鋼進行處理。優化處理后 的不銹鋼板材中的特殊晶界比例為75% 90%，且一般大角度晶界在{111}晶面上具有擇 優分布特性。與現有技術相比，本發明的所具有的有益效果是通過電子背散射衍射(EBSD)技 術、掃描電子顯微鏡(SEM)和光學顯微鏡對優化樣品進行測試，發現經過本發明優化處理 方法處理后的Cr-Ni型不銹鋼板材其特殊晶界比例接近80%，Σ 3n晶粒團簇的平均尺寸達 到500 μ m以上，一般大角度晶界網絡連通性被特殊晶界有效阻斷。圖3為通過晶界特征分 布優化前后的合金樣品敏化處理(650°C /2h)后在沸騰的硫酸+硫酸亞鐵溶液中浸泡48h 后的表面腐蝕形貌和側向腐蝕深度的對比結果。可以看出，晶界特征分布優化后的合金樣 品其腐蝕深度和腐蝕造成的晶粒脫落都明顯減輕。本發明在實現了合金晶界特征分布優化 的基礎上，使優化工藝具有廣泛的實用性，降低了合金初始狀態對后續優化效果的影響，簡 化優化工藝，顯著提高了合金的晶間腐蝕抗力。
圖1是合金實現GB⑶優化后的典型的晶界圖；圖2是合金實現GB⑶優化后的晶界面分布強度圖；圖3是不銹鋼的晶間腐蝕后的表面(a，b，c)和側面形貌(a’，b’，c’)圖；圖4是實施例1中合金晶界特征分布優化后的GB⑶；圖5是實施例2中合金晶界特征分布優化后的GB⑶；圖6是實施例3中合金晶界特征分布優化后的GB⑶；圖7是實施例5中合金晶界特征分布優化后的GB⑶；圖8是對比例1中合金晶界特征分布優化后的GB⑶；圖9是對比例2中合金晶界特征分布優化后的GB⑶；圖10是對比例3中合金晶界特征分布優化后的GB⑶。其中，圖1、4 10中的黑色和灰色線條分別表示一般大角度晶界和特殊晶界，圖 2的投影面為{001}，圖3中a和a’為GB⑶優化后的合金樣品，b和b’為僅固溶處理后的 合金樣品，c和C’為典型的再結晶后的合金樣品。
具體實施例方式下面通過實施例1 5對本發明的Cr-Ni型不銹鋼的耐腐蝕性優化處理工藝及耐 腐蝕板材進行進一步地說明。實施例1對熱軋態的316奧氏體不銹鋼板材進行優化處理，合金成分為(質量比，Wt% ) 0. 013C，0. 69Si，0. 96Μη，0· 31Ρ，0· 001S, 17. 4Cr, 12. 45Ni，2. OMo,初始樣品晶粒尺寸為 20 μ m0第一步，使用Φ 180 二輥試驗軋機，將該熱軋板材進行壓下量為4%的冷軋變形。第二步，冷軋后的合金板材進行退火處理，真空退火爐升溫速度為20 30°C / min，在925°C下保溫80 90min后，水冷，獲得不完全的再結晶組織；再在1040°C下保溫10 15min (升溫速度為20 30°C /min)，水冷；重復上一步工藝2次。優化處理后所得耐腐蝕性Cr-Ni型不銹鋼板材，經EBSD測試，其晶界比例和重構 圖分別如表1和圖4所示。優化后的特殊晶界比例為77. 2%，且分布在一般大角度晶界上， 有效打斷了一般大角度晶界的網絡連通性，對其抗腐蝕性具有良好的優化效果。板材顯微 組織結構中的一般大角度晶界在{111}晶面上具有擇優分布特性。表1合金在GB⑶優化前后的各種晶界比例(長度百分比)
權利要求
1. Cr-Ni型不銹鋼的耐腐蝕性優化處理工藝，包括冷軋和退火，其特征在于包括以下優 化處理步驟1)在室溫下，對Cr-Ni型不銹鋼板料進行變形量為3 5%的單道次小變形冷軋；2)在900 925°C下保溫70 90min或1000°C 1020°C下保溫5 15min，水冷到室3)在1040°C 1060°C下保溫10 15min，水冷到室溫；4)重復步驟3)2 3次。
2.根據權利要求1所述的Cr-Ni型不銹鋼的耐腐蝕性優化處理工藝，其特征在于所 述步驟2、為在900°C下保溫70 90min，水冷至室溫。
3.根據權利要求1所述的Cr-Ni型不銹鋼的耐腐蝕性優化處理工藝，其特征在于所 述步驟2、為在900°C下保溫70 80min，水冷至室溫。
4.根據權利要求1所述的Cr-Ni型不銹鋼的耐腐蝕性優化處理工藝，其特征在于所 述步驟3)為在1050°C下保溫10 15min，水冷至室溫。
5.根據權利要求1所述的Cr-Ni型不銹鋼的耐腐蝕性優化處理工藝，其特征在于所 述步驟2) 4)中升溫速度為20 30°C /min。
6.一種通過權利要求1 5任一項所述的Cr-Ni型不銹鋼的耐腐蝕性優化處理工藝進 行優化處理的Cr-Ni型耐腐蝕不銹鋼板材，其特征在于所述不銹鋼板材中的特殊晶界比 例為75% 90%，且一般大角度晶界在{111}晶面上具有擇優分布特性。
7.根據權利要求6所述的一種Cr-Ni型耐腐蝕不銹鋼板材，其特征在于所述Cr-Ni 型不銹鋼各成分的質量百分比(wt % )為C 0. 013 0. 042，Si 0. 52 0. 69，Mn 0. 83 0. 96,P0. 028 0. 31, S 0. 001 0. 0053, Cr 17. 12 17. 4,Ni 8. 01 12. 45,Mo 0. 07 2. 0，N 0 0. 014。
全文摘要
本發明公開了一種Cr-Ni型不銹鋼的耐腐蝕性優化處理工藝以及基于此優化工藝的Cr～Ni型耐腐蝕板料，屬于冶金技術領域。優化處理工藝包括冷軋和退火，其特征在于首先對板料進行3～5％的冷軋，而后對形變后的板料進行多步退火處理。經過優化處理后的Cr-Ni型不銹鋼板材其顯微組織結構中的一般大角度晶界在{111}晶面上具有擇優分布特性，并且特殊晶界比例不低于75％，具有良好的抗腐蝕性能。本發明在實現了合金晶界特征分布優化的基礎上縮短了退火周期，且誘發出的某些一般大角度晶界具有低能的特性，因而顯著提高了合金的晶間腐蝕抗力。
文檔編號C21D8/00GK102051460SQ20101053723
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月29日 優先權日2010年10月29日
發明者劉志勇, 方曉英, 王衛國, 秦聰祥, 郭紅 申請人:山東理工大學