CN114921629B - 一种7Cr14马氏体不锈钢及其碳化物的细化工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料热处理技术领域，具体为一种7Cr14马氏体不锈钢及其碳化物的细化工艺，采用真空感应熔炼—退火—热轧—高温固溶处理—回火工艺，通过塑性变形结合热处理的方法控制高碳高铬马氏体不锈钢中碳化物的形成为M23C6碳化物，从而细化不锈钢中碳化物，所述7Cr14马氏体不锈钢的碳化物的尺寸≤50nm，抗拉强度≥1200MPa，断后延伸率≥12%，硬度≥40HRC，解决了高碳高铬马氏体不锈钢中大尺寸碳化物导致的材料韧性和硬度下降的缺陷，改善了高碳高铬马氏体不锈钢的性能。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料热处理技术领域，具体为一种7Cr14马氏体不锈钢及其碳化物的细化工艺。
背景技术
高碳高铬马氏体不锈钢（如7Cr14）在航空工业、重型运输、核电等领域需求较大，但是高碳高合金含量导致钢凝固过程中析出网状或者大块状的一次碳化物，严重影响材料的性能，碳化物的控制已经成为制约马氏体不锈钢发展及应用的关键技术之一。如何使碳化物细小弥散的分布于基体中是解决碳化物影响马氏体不锈钢质量的有效途径。高碳高铬马氏体不锈钢的性能与碳化物的形貌、尺寸及分布密切相关。常见的碳化物类型按析出顺序分有一次碳化物和二次碳化物，按成分类型分有M3C、MC、M2C、M7C3、M23C6。钢液凝固过程中析出的一次碳化物一般以块状甚至网状分布于基体中，大尺寸块状碳化物中合金元素含量较高，降低了基体中的合金元素含量，减弱了回火二次硬化效应，材料韧性和硬度下降。大尺寸的一次碳化物在塑性变形过程中易出现应力集中易形成裂纹源，导致马氏体不锈钢的性能大幅下降。
从目前国内公开的发明专利来看，通过电渣重熔、精炼等方法能够改善工模具钢、高碳钢、轴承钢等钢种的碳化物形貌（如，最近公开的发明专利：CN 106282750 A、CN101768655 A等）。而高碳高铬马氏体不锈钢中的碳化物在回火加热过程中，随着温度的升高，其碳化物会发生类型、尺寸、形貌上的转变，而这些均会影响到高碳高铬马氏体不锈钢的性能。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种7Cr14马氏体不锈钢及其碳化物的细化工艺，通过塑性变形结合热处理的方法控制高碳高铬马氏体不锈钢中碳化物的形成，从而细化碳化物，改善高碳高铬马氏体不锈钢的性能。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种7Cr14马氏体不锈钢中碳化物的细化工艺，包括如下步骤：
S1.退火工艺；
S2.热轧工艺；
S3.高温固溶工艺；
S4.回火工艺。
作为本发明所述的一种7Cr14马氏体不锈钢中碳化物的细化工艺的优选方案，其中：所述步骤S1之前还包括，
S0.真空感应熔炼工艺。
作为本发明所述的一种7Cr14马氏体不锈钢中碳化物的细化工艺的优选方案，其中：所述步骤S1中，所述退火工艺的退火温度为1000~1150℃，退火时间为2~4h。
作为本发明所述的一种7Cr14马氏体不锈钢中碳化物的细化工艺的优选方案，其中：所述步骤S2中，所述热轧工艺的开轧温度为1200~1250℃，终轧温度为1050~1100℃。
作为本发明所述的一种7Cr14马氏体不锈钢中碳化物的细化工艺的优选方案，其中：所述步骤S2中，所述热轧工艺采用多道次轧制制备热轧板，所述热轧板厚度为5~10mm，热轧后的热轧板空冷至室温。
作为本发明所述的一种7Cr14马氏体不锈钢中碳化物的细化工艺的优选方案，其中：所述步骤S3中，所述高温固溶工艺的固溶温度为1250℃~1300℃，固溶时间为8~10h。
作为本发明所述的一种7Cr14马氏体不锈钢中碳化物的细化工艺的优选方案，其中：所述步骤S3中，高温固溶后采用水冷方式对热轧板进行冷却。
作为本发明所述的一种7Cr14马氏体不锈钢中碳化物的细化工艺的优选方案，其中：所述步骤S4中，所述回火工艺的升温速率为8-10℃/min，回火温度为600~700℃，回火时间为0.5~1.5h，然后在水中冷却至室温。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种7Cr14马氏体不锈钢，采用上述碳化物的细化工艺制备得到。
作为本发明所述的一种7Cr14马氏体不锈钢的优选方案，其中：所述7Cr14马氏体不锈钢的碳化物为M23C6，所述碳化物为球状或棒状，其尺寸≤50nm。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种7Cr14马氏体不锈钢及其碳化物的细化工艺，采用真空感应熔炼—退火—热轧—高温固溶处理—回火工艺，通过塑性变形结合热处理的方法控制高碳高铬马氏体不锈钢中碳化物的形成为M23C6碳化物，从而细化不锈钢中碳化物，所述7Cr14马氏体不锈钢的碳化物的尺寸≤50nm，抗拉强度≥1200MPa，断后延伸率≥12%，硬度≥40HRC。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的不锈钢铸坯的微观组织；
图2为本发明对比例1的不锈钢铸坯的微观组织。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种7Cr14马氏体不锈钢及其碳化物的细化工艺，控制高碳高铬马氏体不锈钢中碳化物的形成为M23C6碳化物，细化不锈钢中碳化物；采用真空感应熔炼—退火—热轧—高温固溶处理—回火工艺，通过塑性变形结合热处理的方法控制高碳高铬马氏体不锈钢中碳化物的形成，所述7Cr14马氏体不锈钢的碳化物的尺寸≤50nm，抗拉强度≥1200MPa，断后延伸率≥12%，硬度≥40HRC。解决了高碳高铬马氏体不锈钢中大尺寸碳化物导致的材料韧性和硬度下降的缺陷，改善了高碳高铬马氏体不锈钢的性能。
根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种7Cr14马氏体不锈钢中碳化物的细化工艺，包括如下步骤：
S0.真空感应熔炼工艺；
S1.退火工艺；
S2.热轧工艺；
S3.高温固溶工艺；
S4.回火工艺。
所述步骤S1中，所述退火工艺的退火温度为1000~1150℃，退火时间为2~4h；具体地，所述退火温度为例如但不限于1000℃、1020℃、1050℃、1080℃、1100℃、1130℃、1150℃中的任意一者或者任意两者之间的范围；所述退火时间根据铸坯尺寸进行调整，可以为例如但不限于2h、2.5h、3h、3.4h、4h中的任意一者或者任意两者之间的范围。
所述步骤S2中，所述热轧工艺的开轧温度为1200~1250℃，终轧温度为1050~1100℃；具体地，所述开轧温度为例如但不限于1200℃、1210℃、1220℃、1230℃、1240℃、1250℃中的任意一者或者任意两者之间的范围；所述终轧温度为例如但不限于1050℃、1060℃、1070℃、1080℃、1090℃、1100℃中的任意一者或者任意两者之间的范围；所述热轧工艺采用多道次轧制制备热轧板，所述热轧板厚度为5~10mm，热轧后的热轧板空冷至室温；所述热轧板厚度为例如但不限于5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm中的任意一者或者任意两者之间的范围；
所述步骤S3中，所述高温固溶工艺的固溶温度为1250℃~1300℃，固溶时间为8~10h；高温固溶后采用水冷方式对热轧板进行冷却。具体地，所述固溶温度为例如但不限于1250℃、1260℃、1270℃、1280℃、1290℃、1300℃中的任意一者或者任意两者之间的范围；所述固溶时间为例如但不限于8h、8.5h、9h、9.5h、10h中的任意一者或者任意两者之间的范围；采用所述高温固溶条件高温固溶后的不锈钢基体上可以清楚地看到板条马氏体和残余奥氏体，几乎没有碳化物，这意味着碳化物已经溶解到基体中。
所述步骤S4中，所述回火工艺的升温速率为8-10℃/min，回火温度为600~700℃，回火时间为0.5~1.5h，然后在水中冷却至室温。具体地，所述回火工艺的升温速率为例如但不限于8℃/min、8.5℃/min、9℃/min、9.5℃/min、10℃/min中的任意一者或者任意两者之间的范围；所述回火温度为例如但不限于600℃、610℃、620℃、630℃、640℃、650℃、660℃、670℃、680℃、690℃、700℃中的任意一者或者任意两者之间的范围；所述回火时间为例如但不限于0.5h、0.75h、1h、1.25h、1.5h中的任意一者或者任意两者之间的范围。
所述步骤S0中，采用真空感应炉熔炼出成分符合要求的钢液，并浇铸成铸锭。
本发明提供了一种7Cr14马氏体不锈钢，采用上述碳化物的细化工艺制备得到，按重量百分比计，所述7Cr14马氏体不锈钢组成为：C 0.65-0.75，Si 0.25-0.45，Mn 0.45-0.65，P≤0.030，S≤0.020，Cr 13.5-15.5，Mo 0.35-0.45，V 0.35-0.45，余量为铁和不可避免的杂质。
作为本发明所述的一种7Cr14马氏体不锈钢的优选方案，其中：所述7Cr14马氏体不锈钢的碳化物为M23C6，所述碳化物为球状或棒状，其尺寸≤50nm；具体地，所述碳化物的尺寸上限为例如但不限于50nm、40nm、30nm、20nm中的任意一者；碳化物的形成与基体中组成原子的扩散密切相关，对于M/C比较大(M主要由Cr组成)的M23C6碳化物，由于Cr的原子尺寸较大，在较高温度下才更容易运动，因此M23C6碳化物的析出受Cr原子扩散控制。
所述7Cr14马氏体不锈钢的抗拉强度≥1200MPa，断后延伸率≥12%，硬度≥40HRC，本发明技术方案解决了高碳高铬马氏体不锈钢中大尺寸碳化物导致的材料韧性和硬度下降的缺陷，改善了高碳高铬马氏体不锈钢的性能。
以下结合具体实施例对本发明技术方案进行具体说明。
采用真空感应炉熔炼1炉7Cr14马氏体不锈钢，熔炼钢液质量为50 kg，熔炼结束后，检测7Cr14不锈钢的成分如表1所示，满足成分要求，浇铸成铸锭，从铸锭截取100mm×100mm×50mm的块状试样备用。
表1 7Cr14马氏体不锈钢检测成分（wt%）
| C | Si | Mn | Cr | Mo | V | P | S | Fe |
| 0.68 | 0.40 | 0.57 | 14.9 | 0.42 | 0.36 | 0.025 | 0.013 | 余量 |
实施例1
一种7Cr14马氏体不锈钢，其碳化物为M23C6碳化物，碳化物尺寸20~50nm，其碳化物的细化工艺包括如下步骤：
S1.退火工艺，取1块试样进行退火，控制退火温度为1150℃，退火时间为2h；
S2.热轧工艺，将退火处理后试样进行热轧，开轧温度控制在1200℃，终轧温度控制在1050℃，经过5道次轧制，将50mm厚的试样轧制成5mm的热轧板，随后热轧板空冷至室温；
S3.高温固溶工艺，将热轧板放入盐浴炉中进行高温固溶处理，控制固溶温度为1250℃，保温时间为8h，高温固溶处理结束后采用水冷方式对热轧板进行冷却；
S4.回火工艺，将热轧板放入马弗炉进行回火处理，控制升温速率为8℃/min，回火温度为640℃，回火时间为1.5h，然后在水中冷却至室温。
图1为实施例1中7Cr14马氏体不锈钢经本发明处理后的碳化物形貌图，碳化物尺寸20~50nm，通过塑性变形结合热处理的方法控制高碳高铬马氏体不锈钢中碳化物的细化，所述7Cr14马氏体不锈钢的抗拉强度为1220MPa，断后延伸率为15%，硬度为42HRC。
实施例2
一种7Cr14马氏体不锈钢，其碳化物为M23C6碳化物，碳化物尺寸20~40nm，其碳化物的细化工艺包括如下步骤：
S1.退火工艺，取1块试样进行退火，控制退火温度为1100℃，退火时间为2.5h；
S2.热轧工艺，将退火处理后试样进行热轧，开轧温度控制在1220℃，终轧温度控制在1050℃，经过3道次轧制，将50mm厚的试样轧制成5mm的热轧板，随后热轧板空冷至室温；
S3.高温固溶工艺，将热轧板放入盐浴炉中进行高温固溶处理，控制固溶温度为1260℃，保温时间为8.5h，高温固溶处理结束后采用水冷方式对热轧板进行冷却；
S4.回火工艺，将热轧板放入马弗炉进行回火处理，控制升温速率为10℃/min，回火温度为630℃，回火时间为1h，然后在水中冷却至室温。
实施例2中7Cr14马氏体不锈钢经本发明处理后的碳化物尺寸为20~40nm，通过塑性变形结合热处理的方法控制高碳高铬马氏体不锈钢中碳化物的细化，所述7Cr14马氏体不锈钢的抗拉强度为1300MPa，断后延伸率为13%，硬度为45HRC。
实施例3
一种7Cr14马氏体不锈钢，其碳化物为M23C6碳化物，碳化物尺寸为20~40nm，其碳化物的细化工艺包括如下步骤：
S1.退火工艺，取1块试样进行退火，控制退火温度为1000℃，退火时间为3h；
S2.热轧工艺，将退火处理后试样进行热轧，开轧温度控制在1250℃，终轧温度控制在1060℃，经过5道次轧制，将50mm厚的试样轧制成5mm的热轧板，随后热轧板空冷至室温；
S3.高温固溶工艺，将热轧板放入盐浴炉中进行高温固溶处理，控制固溶温度为1250℃，保温时间为10h，高温固溶处理结束后采用水冷方式对热轧板进行冷却；
S4.回火工艺，将热轧板放入马弗炉进行回火处理，控制升温速率为10℃/min，回火温度为650℃，回火时间为0.5h，然后在水中冷却至室温。
实施例3中7Cr14马氏体不锈钢经本发明处理后的碳化物尺寸为30~40nm，通过塑性变形结合热处理的方法控制高碳高铬马氏体不锈钢中碳化物的细化，所述7Cr14马氏体不锈钢的抗拉强度为1250MPa，断后延伸率为14%，硬度为44HRC。
对比例1
与实施例1的区别在于，步骤S3为：淬火工艺，将热轧板进行淬火处理，控制淬火温度为1100℃，保温时间为0.5h，淬火结束后采用水冷方式对热轧板进行冷却；
图2为对比例1中7Cr14马氏体不锈钢经处理后的碳化物形貌图，碳化物尺寸为0.5-2.0μm，远大于本发明所述碳化物的尺寸，这是由于马氏体不锈钢在凝固中会析出尺寸较大的一次碳化物，而采用普通的淬火+回火工艺后一次碳化物未完全融入基体中，因此碳化物尺寸较大。所述7Cr14马氏体不锈钢的抗拉强度为1030MPa，断后延伸率为5%，硬度为62HRC。
对比例2
与实施例1的区别在于，步骤S3，控制固溶温度为1200℃，保温时间为6小时。
对比例2中7Cr14马氏体不锈钢经处理后的碳化物尺寸为300-600nm，较大于本发明所述碳化物的尺寸，这是由于在对比例2所述高温固溶+回火工艺后，不锈钢基体上存在未完全融入基体的碳化物，导致碳化物尺寸较大。所述7Cr14马氏体不锈钢的抗拉强度为1100MPa，断后延伸率为10%，硬度为35HRC。
对比例3
与实施例1的区别在于，步骤S4，控制升温速率为5℃/min，回火温度为300℃，回火时间为3h。
对比例3中7Cr14马氏体不锈钢经处理后的碳化物尺寸为200-500nm，较大于本发明所述碳化物的尺寸，这是由于7Cr14不锈钢在300℃回火的过程中，钢中析出的碳化物主要为M3C类型，其形貌为针状或棒状，尺寸较大于M23C6类型的碳化物。所述7Cr14马氏体不锈钢的抗拉强度为1700MPa，断后延伸率为4%，硬度为55HRC。
本发明各实施例和现有技术相比存在如下优势：采用真空感应熔炼—退火—热轧—高温固溶处理—回火工艺，通过塑性变形结合热处理的方法控制高碳高铬马氏体不锈钢中碳化物的形成为M23C6碳化物，从而细化不锈钢中碳化物，所述7Cr14马氏体不锈钢的碳化物的尺寸≤50nm，抗拉强度≥1200MPa，断后延伸率≥12%，硬度≥40HRC，解决了高碳高铬马氏体不锈钢中大尺寸碳化物导致的材料韧性和硬度下降的缺陷，改善了高碳高铬马氏体不锈钢的性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种7Cr14马氏体不锈钢中碳化物的细化工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1.退火工艺；所述退火工艺的退火温度为1000~1150℃，退火时间为2~4h；
S2.热轧工艺；所述热轧工艺的开轧温度为1200~1250℃，终轧温度为1050~1100℃；
S3.高温固溶工艺；所述高温固溶工艺的固溶温度为1250℃~1300℃，固溶时间为8~10h；
S4.回火工艺；所述回火工艺的升温速率为8-10℃/min，回火温度为600~700℃，回火时间为0.5~1.5h，然后在水中冷却至室温；
所述7Cr14马氏体不锈钢成分为：C 0.68wt%、Si 0.40wt%、Mn 0.57wt%、Cr 14.9wt%、Mo0.42wt%、V 0.36wt%、P 0.025wt%、S0.013wt%、余量为Fe和不可避免的杂质；其碳化物为球状或棒状的M23C6，其尺寸≤50nm，其抗拉强度≥1200MPa，断后延伸率≥12%，硬度≥40HRC。
2.根据权利要求1所述的一种7Cr14马氏体不锈钢中碳化物的细化工艺，其特征在于，所述步骤S1之前还包括，
S0.真空感应熔炼工艺。
3.根据权利要求1或2所述的一种7Cr14马氏体不锈钢中碳化物的细化工艺，其特征在于，所述步骤S2中，所述热轧工艺采用多道次轧制制备热轧板，所述热轧板厚度为5~10mm，热轧后的热轧板空冷至室温。
4.根据权利要求1或2所述的一种7Cr14马氏体不锈钢中碳化物的细化工艺，其特征在于，所述步骤S3中，高温固溶后采用水冷方式对热轧板进行冷却。
5.一种7Cr14马氏体不锈钢，采用权利要求1-4中任一项所述的7Cr14马氏体不锈钢中碳化物的细化工艺制备得到。
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