专利名称：Cr-Ni型不锈钢的耐腐蚀性优化处理工艺及耐腐蚀板材的制作方法
技术领域：
Cr-Ni型不锈钢的耐腐蚀性优化处理工艺及耐腐蚀板材，属于冶金技术领域，主要 应用于核电和石油化工等奥氏体不锈钢构件的耐腐蚀性能优化领域。
背景技术：
奥氏体是Y铁内固溶有碳和(或)其他元素的、晶体结构为面心立方的固溶体。 不锈钢在腐蚀介质作用下，在晶粒之间产生的一种腐蚀现象称为晶间腐蚀。产生晶间腐蚀 的不锈钢，当受到应力作用时，即会沿晶界断裂、强度几乎完全消失，这是不锈钢的一种最 危险的破坏形式。造成奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀性能低下的一个主要因素是奥氏体不锈钢 的敏化(碳化物在晶界沉淀)。晶界作为多晶材料的一个重要的结构特征对材料的性能有 重要影响。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，会使合金的整体性能得到改善，尤其是抗晶界失效性能 (包括抗晶界腐蚀性能)得到改善。低Σ -重位点阵晶界(Coincidence site lattice, CSL)对滑移、断裂、腐蚀和应力腐蚀、裂纹、敏化和溶质偏析(平衡和非平衡)有强烈的抑制 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，它的出现频率与材料 的制备过程(变形、铸造、再结晶和热处理)密切相关。现有的有关奥氏体不锈钢的晶界优化方法大都是采用小形变后在相对低温下进 行长时间退火处理。该工艺虽然可以获得高比例的Σ 3n(n = 0，l，2，3)晶界和较大尺寸的 Σ 3η晶粒团簇但却具有退火周期过长，生产成本高，且相对低温退火可能造成的碳化物析 出等缺陷。另外目前的晶界优化方法都是针对固溶处理后的合金，而没有考虑到实际合金 所可能存在的初始组织状态，如晶粒尺寸大小，碳化物分布等。发明人曾于2008年11月发表博士论文《基于退火孪晶的304不锈钢晶界特征分 布优化及其机理研究》，该文中提供了两种优化方法，第一种为单次冷轧退火优化对变形量 6%的冷轧样品进行了 900°C下96h长时间退火处理；第二种是循环冷轧退火工艺，其中采用 第一步为900°C /lh,水冷；第二步为1050°C /5min,水冷的两步退火工艺对不锈钢样品进行优 化处理。对于第一种优化工艺由于退火周期过长，且晶粒组织粗大，不利于优化方法的工业性 生产。而第二种优化工艺，虽然经6%冷轧的合金样品在后续的退火过程中都或多或少地在 原有基础上提高了特殊晶界的比例，但其晶界特征分布优化效果并不稳定，如6%形变合金 样品经900°C长时间0他和721!)退火，其晶界特征分布优化效果不明显。另外前期实验所 发现的当合金初始状态发生改变时，其GBCD优化效果也大打折扣。对上述问题探讨后，发明 人认为主要原因在于实验中采用6%变形量偏高，对后续退火过程中晶界的迁移造成了不利 影响，同时，对第二步退火时间的选择，考虑到实际应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问H，退火时间可在不致晶粒组织粗化的前提下予以延长。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种适用性广，优化效果3稳定，显微组织中特殊晶界比例高，能显著提升晶间腐蚀抗力的Cr-Ni型不锈钢的耐腐蚀 性优化处理工艺及抗腐蚀性效果好的Cr-Ni型耐腐蚀不锈钢板材。本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是Cr_Ni型不锈钢的耐腐蚀性优化 处理工艺，包括冷轧和退火，其特征在于包括以下优化处理步骤1)在室温下，对Cr-M型不锈钢板料进行变形量为3 5%的单道次小变形冷轧；2)在900 925°C下保温70 90min或1000°C 1020°C下保温5 15min，水冷到室温；3)在1040°C 1060°C下保温10 15min，水冷到室温；4)重复步骤3)2 3次。所述步骤2)优选在900°C下保温70 90min，水冷至室温。所述步骤2)更优选在900°C下保温70 80min，水冷至室温。所述步骤3)优选在1050°C下保温10 15min，水冷至室温。所述步骤2) 4)中升温速度为20 30°C /min。一种通过所述的Cr-Ni型不锈钢的耐腐蚀性优化处理工艺进行优化处理的Cr-Ni 型耐腐蚀不锈钢板材，其特征在于所述不锈钢板材中的特殊晶界比例为75% 90%，且 一般大角度晶界在{111}晶面上具有择优分布特性。所述Cr-Ni型不锈钢各成分的质量百分比(wt % )优选为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。实验发现采用单道次轧制小变形后的合金变形储能少，不足以在后续退火过程中 发生以生成一般大角度晶界为特征的再结晶行为，因此一般大角度晶界比例低，相应地， Σ 3η晶界比例高；对于热轧状态的初始合金由于其存在一定的残余应力或变形组织而在冷 轧过程中可选择更低的变形量；时效状态的合金由于碳化的析出会加速再结晶进程，同样 也可适当减少变形量。另外，小形变造成的不均勻应力分布及适当的应力梯度是退火过程 中形变诱发晶界迁移，尤其是某些特定晶界优先迁移，获得大尺寸的Σ 3"晶粒团簇的重要 原因之一。但形变量过小，导致退火过程中诱发晶界迁移的驱动力不足。第一步退火处理在相对低温下900 925°C下保温60 70min或在相对高温 1000°C 1020°C下保温5 15min的主要目的是获得不完全的再结晶组织，为第二步退火 过程中实现某些晶界在应力梯度下的择优迁移准备“组织”条件。第二步退火处理一般在固溶温度下退火10 20min，其目的有两个，其一是溶解 合金中原有的碳化物以及第一步退火可能导致的晶界处析出的碳化物；如果初始合金中碳 化物密度较高时，可重复该工艺2 3次，进行多步退火处理。其二，也是最主要的一方面， 就是实现合金的晶界特征分布优化消耗变形组织，Σ 3孪晶界不断生成，通过非共格Σ 3 晶界的迁移，彼此相遇反应造成Σ 9和Σ 27等晶界不断增殖，同时，某些晶界的择尤迁移造 成Σ 3η晶粒团簇不断增大，而且该团簇周围的一般大角度晶界网络连通性在晶界广泛迁移 过程中多处被特殊晶界有效阻断。其典型的晶界特征分布如下图1所示，而且通过五参数 法测定的晶界面分布结果表明，保留下来的一般大角度晶界在{111}晶面上具有择优分布 特性，如下图2所示，这种低能的晶界面强化了晶界特征分布优化效果。本优化工艺优选对成分质量百分比)为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不锈钢进行处理。优化处理后 的不锈钢板材中的特殊晶界比例为75% 90%，且一般大角度晶界在{111}晶面上具有择 优分布特性。与现有技术相比，本发明的所具有的有益效果是通过电子背散射衍射(EBSD)技 术、扫描电子显微镜(SEM)和光学显微镜对优化样品进行测试，发现经过本发明优化处理 方法处理后的Cr-Ni型不锈钢板材其特殊晶界比例接近80%，Σ 3n晶粒团簇的平均尺寸达 到500 μ m以上，一般大角度晶界网络连通性被特殊晶界有效阻断。图3为通过晶界特征分 布优化前后的合金样品敏化处理(650°C /2h)后在沸腾的硫酸+硫酸亚铁溶液中浸泡48h 后的表面腐蚀形貌和侧向腐蚀深度的对比结果。可以看出，晶界特征分布优化后的合金样 品其腐蚀深度和腐蚀造成的晶粒脱落都明显减轻。本发明在实现了合金晶界特征分布优化 的基础上，使优化工艺具有广泛的实用性，降低了合金初始状态对后续优化效果的影响，简 化优化工艺，显著提高了合金的晶间腐蚀抗力。
图1是合金实现GB⑶优化后的典型的晶界图；图2是合金实现GB⑶优化后的晶界面分布强度图；图3是不锈钢的晶间腐蚀后的表面(a，b，c)和侧面形貌(a’，b’，c’)图；图4是实施例1中合金晶界特征分布优化后的GB⑶；图5是实施例2中合金晶界特征分布优化后的GB⑶；图6是实施例3中合金晶界特征分布优化后的GB⑶；图7是实施例5中合金晶界特征分布优化后的GB⑶；图8是对比例1中合金晶界特征分布优化后的GB⑶；图9是对比例2中合金晶界特征分布优化后的GB⑶；图10是对比例3中合金晶界特征分布优化后的GB⑶。其中，图1、4 10中的黑色和灰色线条分别表示一般大角度晶界和特殊晶界，图 2的投影面为{001}，图3中a和a’为GB⑶优化后的合金样品，b和b’为仅固溶处理后的 合金样品，c和C’为典型的再结晶后的合金样品。
具体实施例方式下面通过实施例1 5对本发明的Cr-Ni型不锈钢的耐腐蚀性优化处理工艺及耐 腐蚀板材进行进一步地说明。实施例1对热轧态的316奥氏体不锈钢板材进行优化处理，合金成分为(质量比，Wt% ) 0. 013C，0. 69Si，0. 96Μη，0· 31Ρ，0· 001S, 17. 4Cr, 12. 45Ni，2. OMo,初始样品晶粒尺寸为 20 μ m0第一步，使用Φ 180 二辊试验轧机，将该热轧板材进行压下量为4%的冷轧变形。第二步，冷轧后的合金板材进行退火处理，真空退火炉升温速度为20 30°C / min，在925°C下保温80 90min后，水冷，获得不完全的再结晶组织；再在1040°C下保温10 15min (升温速度为20 30°C /min)，水冷；重复上一步工艺2次。优化处理后所得耐腐蚀性Cr-Ni型不锈钢板材，经EBSD测试，其晶界比例和重构 图分别如表1和图4所示。优化后的特殊晶界比例为77. 2%，且分布在一般大角度晶界上， 有效打断了一般大角度晶界的网络连通性，对其抗腐蚀性具有良好的优化效果。板材显微 组织结构中的一般大角度晶界在{111}晶面上具有择优分布特性。表1合金在GB⑶优化前后的各种晶界比例(长度百分比)
权利要求
1. Cr-Ni型不锈钢的耐腐蚀性优化处理工艺，包括冷轧和退火，其特征在于包括以下优 化处理步骤1)在室温下，对Cr-Ni型不锈钢板料进行变形量为3 5%的单道次小变形冷轧；2)在900 925°C下保温70 90min或1000°C 1020°C下保温5 15min，水冷到室3)在1040°C 1060°C下保温10 15min，水冷到室温；4)重复步骤3)2 3次。
2.根据权利要求1所述的Cr-Ni型不锈钢的耐腐蚀性优化处理工艺，其特征在于所 述步骤2、为在900°C下保温70 90min，水冷至室温。
3.根据权利要求1所述的Cr-Ni型不锈钢的耐腐蚀性优化处理工艺，其特征在于所 述步骤2、为在900°C下保温70 80min，水冷至室温。
4.根据权利要求1所述的Cr-Ni型不锈钢的耐腐蚀性优化处理工艺，其特征在于所 述步骤3)为在1050°C下保温10 15min，水冷至室温。
5.根据权利要求1所述的Cr-Ni型不锈钢的耐腐蚀性优化处理工艺，其特征在于所 述步骤2) 4)中升温速度为20 30°C /min。
6.一种通过权利要求1 5任一项所述的Cr-Ni型不锈钢的耐腐蚀性优化处理工艺进 行优化处理的Cr-Ni型耐腐蚀不锈钢板材，其特征在于所述不锈钢板材中的特殊晶界比 例为75% 90%，且一般大角度晶界在{111}晶面上具有择优分布特性。
7.根据权利要求6所述的一种Cr-Ni型耐腐蚀不锈钢板材，其特征在于所述Cr-Ni 型不锈钢各成分的质量百分比(wt % )为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
本发明公开了一种Cr-Ni型不锈钢的耐腐蚀性优化处理工艺以及基于此优化工艺的Cr～Ni型耐腐蚀板料，属于冶金技术领域。优化处理工艺包括冷轧和退火，其特征在于首先对板料进行3～5％的冷轧，而后对形变后的板料进行多步退火处理。经过优化处理后的Cr-Ni型不锈钢板材其显微组织结构中的一般大角度晶界在{111}晶面上具有择优分布特性，并且特殊晶界比例不低于75％，具有良好的抗腐蚀性能。本发明在实现了合金晶界特征分布优化的基础上缩短了退火周期，且诱发出的某些一般大角度晶界具有低能的特性，因而显著提高了合金的晶间腐蚀抗力。
文档编号C21D8/00GK102051460SQ20101053723
公开日2011年5月11日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者刘志勇, 方晓英, 王卫国, 秦聪祥, 郭红 申请人:山东理工大学