提高亚稳态奥氏体不锈钢强度和抗应力腐蚀性能的方法

摘要

一种提高亚稳态奥氏体不锈钢强度和抗应力腐蚀性能的方法，其步骤如下：S1、对亚稳态奥氏体不锈钢整体冷轧处理，冷轧压下量为8％‑20％；S2、对冷轧处理后的不锈钢表面进行大量冷塑性变形处理，变形量为80％‑95％；S3、将表面大量冷塑性变形后的不锈钢置于高频感应线圈中，对不锈钢表面进行高频感应加热；使不锈钢表面在750‑850℃温度范围内保温30‑90s。该方法可以得到表层为亚纳米晶奥氏体，内部为马氏体+奥氏体的梯度材料不锈钢，既提高了不锈钢强度，又保证了不锈钢的抗应力腐蚀性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高亚稳态奥氏体不锈钢强度和抗应力腐蚀性能的方法，属于金属材料技术领域。

背景技术

奥氏体不锈钢具有较好的成形性及优异的耐腐蚀性能，因此作为重要的工程结构材料被广泛应用于生产生活中。但是奥氏体不锈钢绝对强度和硬度偏低，其产品在使用过程中会由于屈服变形而失效，影响产品的使用寿命。而且尽管奥氏体不锈钢具有固有的抗腐蚀性能，但奥氏体不锈钢在盐溶液环境和拉伸应力共同存在的苛刻条件下对局部腐蚀诸如孔蚀和应力腐蚀及其敏感。常见的不锈钢腐蚀类型主要包括点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及晶间腐蚀。在腐蚀环境及拉应力的共同作用下，可能会出现应力腐蚀现象；不锈钢在高温且具有腐蚀性环境的介质中，可能会发生晶间腐蚀，应力腐蚀和晶间腐蚀的危害远高于点蚀和缝隙腐蚀，容易造成较大的安全隐患。

针对奥氏体不锈钢绝对强度和硬度偏低的问题，现有技术通常通过冷轧加工强化奥氏体不锈钢。例如目前用于制造不锈钢轻量车体的主要材料是SUS301L不锈钢就是以冷轧板材的形式加工，冷轧加工过程中形变会诱发马氏体相变，在材料内部形成一定含量的马氏体，强度较冷轧加工前大幅度提高。但是，冷轧后的材料腐蚀速率和应力腐蚀敏感性也随之提高。形变诱发马氏体相变不仅有利于应力腐蚀裂纹的形核，而且它的选择性溶解促进了裂纹的扩展；含有形变马氏体的亚稳态奥氏体不锈钢的腐蚀电位比奥氏体负，电化学溶解速率也大；发生部分马氏体相变的奥氏体不锈钢在酸性氯化物溶液中形成了腐蚀电偶，其中马氏体为阳极，优先腐蚀溶解，成为应力腐蚀裂纹扩展的活性通道。另外，马氏体内部为高密度位错，且马氏体为脆性相，材料表面吸附的氢原子通过马氏体向内部扩散，引起材料的氢致应力腐蚀等问题，对材料的抗应力腐蚀性能十分不利。总之，冷轧加工强化虽然增强了奥氏体不锈钢的强度，但降低了其耐腐蚀性能，使应力腐蚀现象更加严重。

针对奥氏体不锈钢表面出现应力腐蚀的现象，学者们也做了一定研究，比如通过化学方法对不锈钢表面进行钝化处理或通过等离子处理提高不锈钢表面耐腐蚀性能，但步骤都相对复杂，且仅能提高不锈钢表面的耐腐蚀性能。

因此实现在保证冷轧亚稳态奥氏体不锈钢加工硬化强度的同时，提高其抗应力腐蚀性能，是本领域技术人员迫切需要解决的技术难题，具有深远的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高亚稳态奥氏体不锈钢强度和抗应力腐蚀性能的方法。该方法可以得到表层为亚纳米晶奥氏体，内部为马氏体+奥氏体的梯度材料不锈钢，既提高了不锈钢强度，又保证了不锈钢的抗应力腐蚀性能。

本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种提高亚稳态奥氏体不锈钢强度和抗应力腐蚀性能的方法，其步骤如下：

S1、对亚稳态奥氏体不锈钢整体冷轧处理，冷轧压下量为8％-20％；

S2、对冷轧处理后的不锈钢表面进行大量冷塑性变形处理，变形量为80％-95％；

S3、将表面大量冷塑性变形后的不锈钢置于高频感应线圈中，对不锈钢表面进行高频感应加热；使不锈钢表面在750-850℃温度范围内保温30-90s。

本发明的原理及有益效果是：

图1为发明的工艺流程示意图，图中a表示初始奥氏体不锈钢的固溶态单相奥氏体组织，步骤S1的冷轧处理可诱发不锈钢马氏体相变，冷轧处理后的不锈钢(冷轧态的不锈钢)中马氏体含量为5-30％，材料内部形成马氏体+奥氏体混合组织，图中用b表示，强度较处理前提高约30％-60％。步骤S2的变形量为80％-95％的大量冷塑性变形处理可在不锈钢表面形成大变形量冷加工塑性变形，使得不锈钢表面马氏体含量超过85％，如图中所示，c表示不锈钢表层马氏体含量超过85％的组织。步骤S3的采用高频感应加热的方法，在750-850℃温度范围内保温30-90s，使表面的马氏体逆转变为奥氏体，得到含量超过85％、平均晶粒尺寸小于10μm的亚纳米晶奥氏体组织，图中用d表示。

通过上述步骤可以得到表层为亚纳米晶奥氏体，内部为马氏体+奥氏体的梯度材料不锈钢。通过表层几乎单相的亚纳米晶奥氏体提高冷轧亚稳态奥氏体不锈钢的耐腐蚀性和氢扩散阻力，从而达到提高其抗应力腐蚀性能的目的，应力腐蚀敏感性较冷轧态可降低50％。材料内部仍然保持冷轧态的马氏体+奥氏体组织，且表层亚纳米晶奥氏体形成细晶强化，最终得到的材料强度较未经冷轧处理的固溶态的亚稳态奥氏体不锈钢提高约30％-60％，较冷轧态强度几乎没有损失，全都损失控制在10％以内。

步骤S1马氏体诱变中，马氏体量太少导致强度提高不明显，马氏体含量过高会增加脆性，所以步骤S1采取冷轧压下量8％-20％，使得不锈钢中马氏体含量为5-30％，既增强了材料强度，又兼顾了材料的韧性。

步骤S2的大量冷塑性变形处理中，如果变形量过大，试样表面粗糙度过大，容易形成应力集中；变形量过小，表层马氏体含量较低，加热过程中再结晶驱动力小，达不到材料表面逆转变形成纳米或亚纳米奥氏体晶粒的目的。

步骤S3所采用的高频感应加热方法具有集肤效应的特点，仅材料表面在电磁场作用产生同频率的感应电流，使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度上升到800℃左右，而材料内部温度升高很小，可以保证材料表面达到热处理温度和保温时间后，材料的内部仍然保持在马氏体→奥氏体相变温度以下，也即保证了仅材料表面的马氏体发生逆转变为奥氏体，内部仍然保持原有的马氏体含量不变。

进一步，本发明所述步骤S1中对亚稳态奥氏体不锈钢整体冷轧处理，冷轧压下量优选为13-15％。经过冷轧压下量为13-15％的冷轧处理后的不锈钢中马氏体含量为13-15％，实验验证，上述冷轧压下量可得到强度和韧性均优异的冷轧态不锈钢，强度较处理前提高约40％-45％。

进一步，本发明所述步骤S2中对冷轧处理后的不锈钢表面进行大量冷塑性变形处理的变形量优选为85％-90％。经过变形量为85％-90％的大量冷塑性变形处理后的不锈钢表层区域的马氏体含量为95-100％，实验验证，上述冷塑性变形的变形量得到的材料表面光滑且马氏体含量较高，保证步骤S3中足够的马氏体逆转变为亚纳米奥氏体晶粒。

进一步，本发明所述步骤S2中不锈钢表层区域优选为距不锈钢表面100-500μm的区域。

更进一步，本发明所述步骤S2中不锈钢表层区域更优选为距不锈钢表面300-350μm的区域。

表层区域范围过大将造成步骤S1中冷轧态不锈钢含量较低，影响最终得到的不锈钢的强度，范围过小会导致不锈钢表面亚纳米奥氏体晶粒层过薄，不能在不锈钢表面形成有效的耐腐蚀层，经实验验证，距不锈钢表面100-500μm的区域为较为优选区域，即可保证不锈钢整体强度，又可保证不锈钢的耐腐蚀性，其中距不锈钢表面300-350μm的区域是经实验验证能够得到最佳技术效果的表层区域。

进一步，本发明所述步骤S2中大量冷塑性变形处理方式包括超声冲击处理、表面机械滚压处理、激光冲击处理或喷丸处理中的一种。

这几种用于大量冷塑性变形的处理方法可得到较好的冷塑性变形效果。

所述超声冲击处理的优选参数为：超声冲击电流2-2.5A；变幅杆振幅25-35μm；超声频率15-20kHz；冲击针个数16-20个，直径1.6-2.4mm，且所有冲击针直径相同；冲击枪相对试样移动速度1.5-2.0mm/s；覆盖率1600-2000％。

上述参数是通过大量实验验证，用于步骤S2中对材料表面的冷塑性变形处理，既可以使得材料表面产生得到大塑性变形，并不破坏材料内部组织，又可同时保持材料的表面光滑度。

所述表面机械滚处理的优选参数为：旋转轴速度60-70r/min，滚轮直径40-50mm，滚压重复次数2-3次，下压量为0.01-0.03mm。

所述喷丸处理的优选参数为：气压0.5-0.6MPa，喷丸时间20-30min，钢球直径2-3mm。

进一步，本发明所述步骤S3中对不锈钢表面进行高频感应加热的高频感应输出电流为500-600A；高频感应输出频率为80-100KHz。

实验验证，上述输出电流和输出频率的选择可使得不锈钢表面迅速升温，并保持在在750-850℃温度范围内，而材料内部温度升高很小，可以保证材料表面达到热处理温度和保温时间后，材料的内部仍然保持在马氏体→奥氏体相变温度以下，也即保证了仅材料表面的马氏体发生逆转变为奥氏体，内部仍然保持原有的马氏体含量不变。

附图说明

图1为本发明工艺流程示意图。

具体实施方式

实施例一

一种提高亚稳态奥氏体不锈钢强度和抗应力腐蚀性能的方法，对于301L不锈钢，其步骤如下：

S1、对亚稳态奥氏体不锈钢整体冷轧处理，冷轧压下量为8％；

S2、对冷轧处理后的不锈钢表面进行大量冷塑性变形处理，变形量为95％；

S3、将表面大量冷塑性变形后的不锈钢置于高频感应线圈中，对不锈钢表面进行高频感应加热；使不锈钢表面在850℃温度范围内保温90s。

本例中所述步骤S2中不锈钢表层区域为距不锈钢表面500μm的区域。

所述步骤S2中大量冷塑性变形处理方式为超声冲击处理。

所述超声冲击处理的参数为：超声冲击电流2.5A；变幅杆振幅25μm；超声频率20kHz；冲击针个数16个，直径2.4mm，且所有冲击针直径相同；冲击枪相对试样移动速度2.0mm/s；覆盖率2000％。

所述步骤S3中对不锈钢表面进行高频感应加热的高频感应输出电流为600A；高频感应输出频率为100KHz。

通过以上处理方法，强度较固溶态亚稳态奥氏体不锈钢提高30％，较冷轧态降低5％，应力腐蚀敏感性较冷轧态降低50％，氢扩散速度较冷轧态降低40％。

实施例二

一种提高亚稳态奥氏体不锈钢强度和抗应力腐蚀性能的方法，对于301L不锈钢，其步骤如下：

S1、对亚稳态奥氏体不锈钢整体冷轧处理，冷轧压下量为20％；

S2、对冷轧处理后的不锈钢表面进行大量冷塑性变形处理，变形量为80％；

S3、将表面大量冷塑性变形后的不锈钢置于高频感应线圈中，对不锈钢表面进行高频感应加热；使不锈钢表面在750℃温度范围内保温30s。

本例中所述步骤S2中不锈钢表层区域为距不锈钢表面100μm的区域。

所述步骤S2中大量冷塑性变形处理方式为超声冲击处理。

所述超声冲击处理的参数为：超声冲击电流2A；变幅杆振幅35μm；超声频率15kHz；冲击针个数20个，直径1.6mm，且所有冲击针直径相同；冲击枪相对试样移动速度2.0mm/s；覆盖率1600％。

所述步骤S3中对不锈钢表面进行高频感应加热的高频感应输出电流为500A；高频感应输出频率为80KHz。

通过以上处理方法，强度较固溶态亚稳态奥氏体不锈钢提高60％，与冷轧态强度相当，应力腐蚀敏感性较冷轧态降低10％，氢扩散速度较冷轧态降低8％。

实施例三

一种提高亚稳态奥氏体不锈钢强度和抗应力腐蚀性能的方法，对于304L不锈钢，其步骤如下：

S1、对亚稳态奥氏体不锈钢整体冷轧处理，冷轧压下量为13％；

S2、对冷轧处理后的不锈钢表面进行大量冷塑性变形处理，变形量为85％；

S3、将表面大量冷塑性变形后的不锈钢置于高频感应线圈中，对不锈钢表面进行高频感应加热；使不锈钢表面在800℃温度范围内保温60s。

本例中所述步骤S2中不锈钢表层区域为距不锈钢表面300μm的区域。

所述步骤S2中大量冷塑性变形处理方式为超声冲击处理。

所述超声冲击处理的参数为：超声冲击电流2.3A；变幅杆振幅30μm；超声频率17kHz；冲击针个数18个，直径2mm，且所有冲击针直径相同；冲击枪相对试样移动速度1.7mm/s；覆盖率1800％。

所述步骤S3中对不锈钢表面进行高频感应加热的高频感应输出电流为550A；高频感应输出频率为90KHz。

通过以上处理方法，强度较固溶态亚稳态奥氏体不锈钢提高50％，与冷轧态基本相当；应力腐蚀敏感性较冷轧态降低30％，氢扩散速度较冷轧态降低25％。

实施例四

一种提高亚稳态奥氏体不锈钢强度和抗应力腐蚀性能的方法，对于304不锈钢，其步骤如下：

S1、对亚稳态奥氏体不锈钢整体冷轧处理，冷轧压下量为15％；

S2、对冷轧处理后的不锈钢表面进行大量冷塑性变形处理，变形量为88％；

S3、将表面大量冷塑性变形后的不锈钢置于高频感应线圈中，对不锈钢表面进行高频感应加热；使不锈钢表面在800℃温度范围内保温60s。

本例中所述步骤S2中不锈钢表层区域为距不锈钢表面330μm的区域。

所述步骤S2中大量冷塑性变形处理方式为表面机械滚压处理。

所述表面机械滚压处理的参数为：旋转轴速度60r/min，滚轮直径40mm，滚压重复次数2次，下压量为0.01mm。

所述步骤S3中对不锈钢表面进行高频感应加热的高频感应输出电流为550A；高频感应输出频率为90KHz。

实施例五

一种提高亚稳态奥氏体不锈钢强度和抗应力腐蚀性能的方法，对于301不锈钢，其步骤如下：

S1、对亚稳态奥氏体不锈钢整体冷轧处理，冷轧压下量为14％；

S2、对冷轧处理后的不锈钢表面进行大量冷塑性变形处理，变形量为95％；

S3、将表面大量冷塑性变形后的不锈钢置于高频感应线圈中，对不锈钢表面进行高频感应加热；使不锈钢表面在800℃温度范围内保温60s。

本例中所述步骤S2中不锈钢表层区域为距不锈钢表面350μm的区域。

所述步骤S2中大量冷塑性变形处理方式为表面机械滚压处理。

所述表面机械滚压处理的参数为：旋转轴速度70r/min，滚轮直径50mm，滚压重复次数3次，下压量为0.03mm。

所述步骤S3中对不锈钢表面进行高频感应加热的高频感应输出电流为550A；高频感应输出频率为90KHz。

实施例六

一种提高亚稳态奥氏体不锈钢强度和抗应力腐蚀性能的方法，对于00Cr17Ni7亚稳态奥氏体不锈钢，其步骤如下：

S1、对亚稳态奥氏体不锈钢整体冷轧处理，冷轧压下量为15％；

S2、对冷轧处理后的不锈钢表面进行大量冷塑性变形处理，变形量为90％；

S3、将表面大量冷塑性变形后的不锈钢置于高频感应线圈中，对不锈钢表面进行高频感应加热；使不锈钢表面在800℃温度范围内保温60s。

本例中所述步骤S2中不锈钢表层区域为距不锈钢表面330μm的区域。

所述步骤S2中大量冷塑性变形处理方式为表面机械滚压处理。

所述表面机械滚压处理的参数为：旋转轴速度65r/min，滚轮直径45mm，滚压重复次数2次，下压量为0.02mm。

所述步骤S3中对不锈钢表面进行高频感应加热的高频感应输出电流为550A；高频感应输出频率为90KHz。

实施例七

一种提高亚稳态奥氏体不锈钢强度和抗应力腐蚀性能的方法，其步骤如下：

S1、对亚稳态奥氏体不锈钢整体冷轧处理，冷轧压下量为15％；

S2、对冷轧处理后的不锈钢表面进行大量冷塑性变形处理，变形量为90％；

S3、将表面大量冷塑性变形后的不锈钢置于高频感应线圈中，对不锈钢表面进行高频感应加热；使不锈钢表面在800℃温度范围内保温60s。

本例中所述步骤S2中不锈钢表层区域为距不锈钢表面350μm的区域。

所述步骤S2中大量冷塑性变形处理方式为喷丸处理。

所述喷丸处理的优选参数为：气压0.5MPa，喷丸时间30min，钢球直径3mm。

所述步骤S3中对不锈钢表面进行高频感应加热的高频感应输出电流为550A；高频感应输出频率为90KHz。

实施例八

一种提高亚稳态奥氏体不锈钢强度和抗应力腐蚀性能的方法，其步骤如下：

S1、对亚稳态奥氏体不锈钢整体冷轧处理，冷轧压下量为15％；

S2、对冷轧处理后的不锈钢表面进行大量冷塑性变形处理，变形量为90％；

S3、将表面大量冷塑性变形后的不锈钢置于高频感应线圈中，对不锈钢表面进行高频感应加热；使不锈钢表面在800℃温度范围内保温60s。

本例中所述步骤S2中不锈钢表层区域为距不锈钢表面350μm的区域。

所述步骤S2中大量冷塑性变形处理方式为喷丸处理。

所述喷丸处理的优选参数为：气压0.6MPa，喷丸时间20min，钢球直径2mm。

所述步骤S3中对不锈钢表面进行高频感应加热的高频感应输出电流为550A；高频感应输出频率为90KHz。

实施例九

一种提高亚稳态奥氏体不锈钢强度和抗应力腐蚀性能的方法，其步骤如下：

S1、对亚稳态奥氏体不锈钢整体冷轧处理，冷轧压下量为13％；

S2、对冷轧处理后的不锈钢表面进行大量冷塑性变形处理，变形量为85％；

S3、将表面大量冷塑性变形后的不锈钢置于高频感应线圈中，对不锈钢表面进行高频感应加热；使不锈钢表面在800℃温度范围内保温60s。

本例中所述步骤S2中不锈钢表层区域为距不锈钢表面300μm的区域。

所述步骤S2中大量冷塑性变形处理方式为激光冲击处理。

所述激光冲击处理的脉冲密度2000-2500pul/cm²。

所述步骤S3中对不锈钢表面进行高频感应加热的高频感应输出电流为550A；高频感应输出频率为90KHz。