一种高氮无镍奥氏体不锈钢热处理方法与流程

本发明属于金属热处理技术领域，特别是一种大幅提高不锈钢耐磨性能的高氮无镍奥氏体不锈钢热处理方法。

背景技术：

全球每年因腐蚀而损坏的金属构件占生产总量的5％，其中有30％无法回收。金属的腐蚀不仅影响了金属件的外观和使用性能，还损耗了大量金属资源和冶金能源。因此，不锈钢的研究与发展一直受到各行各业的广泛关注。不锈钢自1916年由英国科学家布雷尔利发明以来，便因其在酸、碱、盐等介质中表现出优秀的耐蚀性能，而风靡全球。目前不锈钢在石油、电力、化工、交通、航海、航空、能源开发、国防等对材料要求比较高的重工业及食品、纺织、医药等易腐蚀环境下的轻工业具有非常广泛的应用。

不锈钢按其的显微组织的不同,通常可以分为铁素体型不锈钢、马氏体型不锈钢、奥氏体型不锈钢以及双相不锈钢。与铁素体型和马氏体型不锈钢相比,奥氏体型不锈钢具有更好的耐腐蚀性能、组织稳定性和加工性能。因此，奥氏体不锈钢可以作为结构件,广泛地在各种服役条件下使用。因而,奥氏体不锈钢的产量占不锈钢总产量的2/3。众所周知，奥氏体不锈钢的优异性能主要源于添加了大量的ni元素。但是作为战略资源的ni元素，其开采不断受到各国的限制，价格也不断上涨。奥氏体不锈钢的生产成本有80％来自于所添加ni元素。与此同时，有研究指出，ni是放射性元素，与人体近距离接触会引起过敏甚至引发癌症，这大大限制了奥氏体不锈钢在医药、食品等行业的应用。因此，在可持续发展的现代生产理念下，通过添加ni获得奥氏体组织的传统生产加工方式受到限制和挑战。

氮元素通过过饱和溶解的方式稳定奥氏体组织，并提高钢材的屈服强度，抗拉强度、耐磨性和对局部腐蚀的抵抗能力。因此采用氮元素代替昂贵的ni元素生产奥氏体不锈钢已经成为不锈钢的发展方向和研究热点问题。

然而，大量研究结果表明，常压冶炼温轧状态下的高氮无镍奥氏体不锈钢，在之后的固溶处理中往往得不到单一的奥氏体组织，会伴随条带状的铁素体产生，形成奥氏体加铁素体双相组织，并在铁素体与奥氏体晶间处析出氮化物。这种结构，一方面使组织变得不均匀；另一方面消耗了奥氏体中的氮(氮化物的出现)，使其硬度值下降。因此其耐磨性能往往表现不佳，从而限制了该新钢种的进一步应用。通常的解决方法是采用长时间的固溶处理，使得氮化物充分溶解于奥氏体基体。然而，虽然单一的固溶处理可以消除氮化物的析出，却会形成一些条带状的铁素体，难以消除较软的铁素体相，得不到单一的奥氏体相，且固溶处理后奥氏体晶粒会明显长大。氮化物的形成不仅造成了显微组织组织上的不均匀，还消耗了奥氏体基体的氮元素，降低了基体的硬度。

总之，现有技术存在的问题是：高氮无镍奥氏体不锈钢耐磨性能不够好。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高氮无镍奥氏体不锈钢热处理方法,大幅提高不锈钢的耐磨性能。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种高氮无镍奥氏体不锈钢热处理方法,包括如下步骤：

(10)工件奥氏体化：将工件静置于1000～1300℃环境中保温，使其内部结构奥氏体化；

(20)水淬：将奥氏体化的工件在悬浮液中淬火2s；

(30)一次冷却：将淬火后的工件先空冷至室温；

(40)等温时效：将一次冷却的工件置于900～1000℃环境中，进行等温时效处理；

(50)二次冷却：将等温时效后的工件再空冷至室温。

优选地，所述(10)工件奥氏体化步骤中，保温时间与工件有效厚度的关系为：

保温时间＝工件有效厚度×保温时长系数，

式中，保温时间的单位为h，工件有效厚度的单位为mm，保温时长系数为1h/mm。

优选地，所述(20)水淬步骤中，悬浮液的流速为0.2～0.6m/s，工件冷却速度为500～600℃/s。

优选地，所述(40)等温时效步骤中，等温时效处理时保温时间与工件有效厚度的关系为：

等温时效时间＝工件有效厚度×时效时长系数，

式中，等温时效时间的单位为h，工件有效厚度的单位为mm，时效时长系数为4h/mm。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

耐磨性能好：本发明在固溶处理后继续在900～1000℃进行等温时效，在一定时间内随着时效时间的延长奥氏体晶粒变细，铁素体相逐渐消失，奥氏体基体上形成了指纹状的氮化物，提高了奥氏体基体的硬度，并避免了奥氏体基体与摩擦副的直接接触，可以显著提高高氮无镍奥氏体不锈钢的耐磨性能。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明高氮无镍奥氏体不锈钢热处理方法的工艺流程图。

图2为常温常压冶炼温轧状态下高氮奥氏体不锈钢的显微组织金相图。

其中，图2(a)为低倍光镜照片，图2(b)为高倍光镜照片。

图3所示为常压冶炼温轧状态下高氮奥氏体不锈钢在1000～1300℃保温6h水淬2秒加空冷的显微组织金相图。

其中图3(a)为低倍光镜照片，图3(b)为高倍光镜照片

图4为本发明工艺下高氮奥氏体不锈钢显微组织金相图。

其中图4(a)、(c)、(e)为在900℃时效3h、12h、24h的低倍显微组织金相图。图4(b)、(d)、(f)分别是图4(a)、(c)、(e)的高倍显微组织金相图。

图5为不同热处理条件下各个试样的显微硬度测量图。

图6为试样摩擦磨损实验结果。

其中图6(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别是温轧状态、固溶状态、时效3h、时效12h、时效24h试样的磨痕形貌以及划痕深度测量图。

具体实施方式

本发明高氮无镍奥氏体不锈钢热处理方法的具体步骤如下：

第一步：准备好两台普通电阻加热炉，加热到1000～1300℃，待温度稳定后再进行以下步骤。

第二步：用细铁丝捆绑工件，将铁丝挂在细长铁钩上，快速推入加热炉中，并使得工件靠近热电偶处。保温时间根据工件的有效厚度计算，保温时间/h＝有效厚度mm×1h。工件送入加热炉后，等待温度稳定在1000～1300℃开始计保温时间。

第三步：在加热炉中热处理完后，快速取出工件，迅速在室温的悬浮液中淬火2s，注意方法为用铁钩钩住铁丝，避免铁钩与工件接触。

第四步：淬火后取出空冷至室温。

第五步：将加热炉加热到900～1000℃，待温度稳定后再进行以下步骤。

第六步：用细铁丝捆绑工件，将铁丝挂在细长铁钩上，快速推入加热炉中，并使得工件靠近热电偶处。保温时间根据工件的有效厚度计算，保温时间/h＝有效厚度mm×4h。工件送入加热炉后，等待温度稳定在900～1000℃开始计保温时间。

第七步：在加热炉中热处理完后，快速取出工件空冷至室温，注意取出方法为用铁钩钩住铁丝，避免铁钩与工件接触。

实例1：

在1000～1300℃进行固溶处理后的高氮奥氏体不锈钢中，奥氏体晶粒较为粗大其显微硬度为310hv，且仍含有较软的铁素体相其显微硬度为258hv，见图3。在1h的摩擦磨损实验后固溶试样的划痕深度为7.5μm与原始样的7.6μm差别并不大。因此单一固溶处理对高氮奥氏体不锈钢的耐磨性提高并不明显。

实例2

固溶处理后继续在900～1000℃保温3h后，奥氏体基体无明显变化其显微硬度为320hv，条带状的铁素体依然存在并被指纹状的氮化物所覆盖其显微硬度为382hv，见图4。在1h的摩擦磨损测试后其划痕深度为5.7μm，较原始试样的7.6μm有显著提高。

实例3

固溶处理后继续在900～1000℃保温12h后，奥氏体晶粒明显变细其显微硬度为366hv，且在奥氏体基体上析出了较细指纹状的氮化物其显微硬度为502hv，条带状的铁素体基本上消失并被硬度较高的氮化物所覆盖，见图4。在1h的摩擦磨损实验后其划痕深度为6.8μm，较原始样的7.6μm有所提高。

实例4

固溶处理后继续在900～1000℃保温24h后，奥氏体晶粒明显变细其显微硬度为362hv，且在奥氏体基体上析出了指纹状氮化物其显微硬度为442hv，条带状的铁素体基本上消失并被高硬度的氮化物所覆盖，见图4。在1h的摩擦磨损实验后其划痕深度为6.0μm，较原始样的7.6μm有明显提高。

图2所示为常压冶炼温轧状态下高氮奥氏体不锈钢的显微组织金相图。试样的显微组织由灰色或深灰色的块状奥氏体、白色条带状的铁素体和在奥氏体晶界与铁素体条带中析出的黑色氮化物组成。

图3所示为常压冶炼温轧状态下高氮奥氏体不锈钢在1000～1300℃保温6h水淬2秒加空冷的显微组织金相图片。试样的显微组织由灰色或深灰色的块状奥氏体和白色的边界为锯齿状的铁素体组成。与图2原始样相比晶粒发生明显长大。

图4所示为高氮奥氏体不锈钢在经过1000～1300℃固溶处理后，试样分别在900～1000℃保温3h、12h、24h后水淬1秒后空冷至室温所的显微组织金相照片。保温3h后开始在白色的铁素体中析出指纹状氮化物，晶间有少量的氮化物开始形核并有向晶内生长的趋势。保温12h后条带状的铁素体基本消失，与固溶态试样相比晶粒明显细化，见图3。奥氏体基体上产生了片层间距比较细小的指纹状氮化物。保温24h后，在奥氏体基体上产生了更多的指纹状氮化物，与保温12h试样相比指纹状氮化物间距变大。

图5所示为各个试样的奥氏体基体与析出物的显微硬度的测量。与固溶试样相比时效后试样的奥氏体基体与析出物的硬度均有所提高。

图6所示为采用型号为brukerutm-2摩擦磨损实验机和brukercontourgt三维光学轮廓仪对试样进行耐磨性能测试的实验结果。试样尺寸为2×1×1cm长方体，选用线性往复式运动模式，运动频率为1hz，载荷为10n，磨头为氮化硅陶瓷球，磨损时间为1h。三维光学轮廓仪，可以展示出划痕的三维形貌，其中包括划痕的宽度和深度，可以通过划痕的深度来判断试样的耐磨性能，以及通过试样划痕深度的波动情况判断出摩擦磨损过程的变化。

表1各试样的平均划痕深度

表1所示为各试样的平均划痕深度。从表1可以看出，常压冶炼温轧态高氮奥氏体不锈钢经本发明所设计的热处理工艺后，耐磨性能明显提高。