提高316Lmod不锈钢耐腐蚀性能的晶界工程工艺方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种提高合金材料抗腐蚀的工艺方法，特别是涉及一种不锈钢材料的晶界工程工艺方法，应用于金属材料的形变及热处理工艺技术领域。
【背景技术】
[0002]316Lmod不锈钢是一种专用于制造尿素生产设备的尿素级不锈钢，它是316L不锈钢的改良型，在化学成分上降低了 C元素含量、增加了 N1、Cr、Mo等元素含量，目的是为了获得比316L不锈钢更好的耐蚀性能。在尿素生产介质和硝酸溶液介质中，316Lmod不锈钢产生晶间腐蚀的主要原因是材料中的磷、硅等杂质元素在晶界偏聚，造成晶界与晶内在腐蚀电解质溶液中的电位差，而316L不锈钢产生晶间腐蚀的主要原因是材料中的C含量几乎是316Lmod不锈钢中的含量的2倍，敏化处理后容易在晶界上析出富Cr的碳化物，从而在晶界附近产生贫Cr区。由于尿素生产设备处于尿素甲铵液等高温、高压且有强烈腐蚀介质的环境下工作，设备所用的316Lmod不锈钢会受到很严重的腐蚀，因此腐蚀问题成为316Lmod不锈钢设计、制造过程中首要考虑的问题。如何从改变316Lmod不锈钢自身的显微组织来提高其耐晶间腐蚀性能一直受到人们的关注。
[0003]Watanabe于1984年提出晶界设计及控制(grain boundary design)的概念。采用适当工艺可以增加多晶体材料重合位置点阵(CSL, coincidence site lattice)晶界的比例，提高材料的强韧性能。通过大幅度增加具有“特殊结构的低Σ CSL (低Σ是指Σ<29)”晶界比例、优化晶界特征分布(GBCD, grain boundary character distribut1n)来改善材料与晶界有关的性能，如抗晶间腐蚀性能、抗蠕变性能、抗应力腐蚀开裂性能等。这种观点于上世纪90年代发展成晶界工程(GBE, grain boundary engineering )研究领域。目前晶界工程的研究主要集中于低层错能的面心立方金属材料，基于退火孪晶的形成来提高这类材料的低SCSL晶界比例。目前已经报道的主要有两种工艺路线:
1.通过3%?8%变形后，在略低于材料再结晶温度的温度下长时间(10?10h)退火；
2.通过15%?40%的变形后，在高于材料再结晶温度的温度下短时间(3?60min)退火，并重复这样的工艺3?7次。
[0004]这两种工艺都能明显提尚材料的低Σ CSL晶界比例，从而大幅提尚材料与晶界相关的多种性能。Michiuchi等人利用第一种工艺对316不锈钢施以3%的预应变，然后在967°C保温72h进行退火，使得低Σ CSL晶界比例提高到80%。Palumbo等人运用第二种工艺使Inconel600合金的低Σ CSL晶界比例提高到60?70%，腐蚀速率降低30?60%。这两种工艺方法的优点是不用改变材料成分，只需调整冷加工变形和热处理方式，就可大幅提高材料的低SCSL晶界比例，改善材料与晶界相关的多种性能。但是第一种工艺需要长时间退火，第二种工艺需要反复冷加工及退火，这两种工艺都不利于工业生产中的成本控制。
【发明内容】
[0005]为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种提高316Lmod不锈钢耐晶间腐蚀性能的晶界工程工艺方法，能显著提高316Lmod不锈钢的低SCSL晶界比例，本发明工艺方法不仅不需改变材料的成分，而且与现有的同类工艺相比，既不需长时间退火，也不需要反复加工及退火，工艺更加简单，操作容易，在其它一些低层错能的面心立方金属材料中也可以参照使用，有利于工业生产中的成本控制，容易推广，具有十分明显的经济效益。
[0006]为达到上述发明创造目的，采用下述技术方案:
一种提高316Lmod不锈钢耐腐蚀性能的晶界工程工艺方法，包括如下步骤:
a.将316Lmod不锈钢在1050?1150°C下保温5?60min，然后水冷；
b.在室温下对在所述步骤a中经过热处理后的316Lmod不锈钢再进行加工变形，控制变形量为3?15% ；
c.然后对在所述步骤b中经过变形加工的316Lmod不锈钢再进行退火，退火时在1020?1150°C下保温3?120min，然后水冷，得到具有高耐腐蚀性能的316Lmod不锈钢。
[0007]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:
1.本发明工艺方法是应用于316Lmod不锈钢生产加工过程中的最后一道工序，通过本工艺可以实现在不改变合金成分的前提下提高材料的耐晶间腐蚀性能，对其它与晶界相关的性能，如抗蠕变、抗疲劳性能也有改善；
2.本发明工艺方法在不锈钢材料进行加工形变处理之前，先进行固溶热处理，保证材料中不存在形变储能，然后在材料没有形变储能的状态下，在室温进行变形量为3?15%的加工变形，变形量要精确控制在这样的范围内，加工变形后进行退火，在1020?1150°C保温，这种小变形量后的退火可明显提高材料中的Σ3η晶界(n=l，2，3...)比例，从而提高材料总体的低SCSL晶界比例；
3.本发明工艺方法既不需要长时间的退火，也不需要反复冷变形及退火；
4.本发明对316Lmod不锈钢在没有形变储能的状态下，进行小变形量加工，然后进行高温短时间退火，工艺更加简单，操作容易，具有十分明显的经济效益。
【附图说明】
[0008]图1是本发明优选实施例工艺处理前后的316Lmod不锈钢的低XCSL晶界比例图对比。
[0009]图2是本发明优选实施例工艺处理前后的316Lmod不锈钢通过腐蚀实验得到材料表面单位面积腐蚀失重量与腐蚀时间的关系图对比。
[0010]图3是本发明优选实施例工艺处理前后的316Lmod不锈钢在敏化后再经过五个周期累计240h腐蚀后表面的形貌图对比，其中图a为经本发明优选实施例工艺处理后的316Lmod不锈钢表面的形貌照片，图b为未经本发明优选实施例工艺处理后的316Lmod不锈钢表面的形貌照片。
【具体实施方式】
[0011]本发明的优选实施例详述如下:
在本实施例中，采用专用于制造尿素生产设备的尿素级不锈钢的改良型316L不锈钢，即以316Lmod不锈钢实施耐腐蚀性能的晶界工程工艺。本实施例一种提高316Lmod不锈钢耐腐蚀性能的晶界工程工艺方法，包括如下步骤:
a.将316Lmod不锈钢板材在1100°C下保温30min，然后水冷；
b.在室温下对在所述步骤a中经过热处理后的316Lmod不锈钢再进行加工变形，控制变形量为5% ;
c.然后对在所述步骤b中经过变形加工的316Lmod不锈钢再进行退火，退火时在1075°C下保温30min，然后水冷，得到具有高耐腐蚀性能的316Lmod不锈钢。
[0012]实验测试分析:
采用经本实施例工艺处理后的316Lmod不锈钢作为样品A，采用未经本实施例工艺处理后的316Lmod不锈钢作为样品B。
[0013]采用EBSD (electron back scatter diffract1n，电子背散射衍射)方法测定样品A和B，低Σ CSL晶界都按Palumbo — Aust标准统计。经EBSD方法测定，样品A中的低Σ CSL晶界比例为72.4 %，样品B中的低Σ CSL晶界比例为47.9 %，参见图1。图1为样品A和B的低Σ CSL晶界比例图。本实施例针对316Lmod不锈钢，确定形变及退火工艺，获得低 Σ CSLCcoincidence site lattice，低Σ 是指Σ < 29)晶界比例高于 72.4%(Palumbo —Aust标准)的材料。经传统工艺加工的材料，其低XCSL晶界比例为47.9%。低XCSL晶界比例高的材料与低SCSL晶界比例低的材料相比具有较高的耐腐蚀性能。
[0014]将样品A和样品B在650°C保温12h后空冷，作为敏化处理，用于制备晶间腐蚀实验的待测样品。晶间腐蚀实验按照ASTM A262-2010 C法进行休氏实验，采用沸腾的体积分数为65%!^03作为腐蚀溶液，按照48hX5个周期进行实验。对待测样品表面进行抛光后，测量表面面积，并称重。称重完成后将样品浸泡在腐蚀溶液中，实验中硝酸保持微沸腾状态。每一周期为48h，每一周期将样品取出后在流水中用软刷刷掉表面的氧化物，然后在酒精中浸泡lOmin，取出后用电吹风烘干，然后称重，获得经过当前腐蚀实验周期后的腐蚀失重情况。这样的浸泡腐蚀实验共进行了 5个周期，一共进行240h的腐蚀实验。腐蚀后的样品表面用扫描电镜观察，参见图2。图2是含有不同低XCSL晶界比例的316Lmod不锈钢样品A和B在650°C敏化12小时后经过晶间腐蚀实验得到的单位面积腐蚀失重量与腐蚀时间的关系，从图中可看出，低SCSL晶界比例为47.9%的样品B腐蚀失重量明显比低XCSL晶界比例为72.4%的样品A大。
[0015]金属材料产生晶间腐蚀失重的主要原因是材料表面晶界腐蚀后造成晶粒脱落，如图3所示，经过5个周期的腐蚀，得到316Lmod不锈钢表面的形貌照片。其中图a为经本发明优选实施例工艺处理后的316Lmod不锈钢表面的形貌照片，图b为未经本发明优选实施例工艺处理后的316Lmod不锈钢表面的形貌照片。从图3中可见，样品A表面晶界明显被蚀刻，有少量晶粒脱落，而样品B表面的晶粒大量脱落，并且内层晶粒也掉落许多。这说明低SCSL晶界比例对晶间腐蚀性能有着很大的影响，低XCSL晶界比例高的样品明显比低ΣCSL晶界比例低的样品更耐晶间腐蚀。
[0016]本实施例工艺方法不仅不需改变材料的成分，而且与现有的同类工艺相比，既不需长时间退火，也不需要反复加工及退火，工艺更加简单，操作容易，具有十分明显的经济效益。
[0017]上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的内容做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明提高316Lmod不锈钢耐腐蚀性能的晶界工程工艺方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种提高316Lmod不锈钢耐腐蚀性能的晶界工程工艺方法，其特征在于，包括如下步骤: a.将316Lmod不锈钢在1050?1150°C下保温5?60min，然后水冷； b.在室温下对在所述步骤a中经过热处理后的316Lmod不锈钢再进行加工变形，控制变形量为3?15% ； c.然后对在所述步骤b中经过变形加工的316Lmod不锈钢再进行退火，退火时在1020?1150°C下保温3?120min，然后水冷，得到具有高耐腐蚀性能的316Lmod不锈钢。
【专利摘要】本发明公开了一种提高316Lmod不锈钢耐腐蚀性能的晶界工程工艺方法，将316Lmod不锈钢在1050～1150℃保温5～60min，水冷后在室温进行变形量为3～15%的加工变形，然后在1020～1150℃保温3～120min进行退火，最后水冷可得较高耐腐蚀性能的316Lmod不锈钢。本发明工艺方法能显著提高316Lmod不锈钢的低ΣCSL晶界比例，本发明工艺方法不仅不需改变材料的成分，而且与现有的同类工艺相比，既不需长时间退火，也不需要反复加工及退火，工艺更加简单，操作容易，在其它一些低层错能的面心立方金属材料中也可以参照使用，有利于工业生产中的成本控制，容易推广，具有十分明显的经济效益。
【IPC分类】C21D8/00
【公开号】CN105420472
【申请号】CN201510764303
【发明人】夏爽, 张子龙, 曹伟, 刘廷光, 赵清, 周邦新, 白琴
【申请人】上海大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年11月11日