提高316Lmod不銹鋼耐腐蝕性能的晶界工程工藝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提高合金材料抗腐蝕的工藝方法，特別是涉及一種不銹鋼材料的晶界工程工藝方法，應(yīng)用于金屬材料的形變及熱處理工藝技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]316Lmod不銹鋼是一種專用于制造尿素生產(chǎn)設(shè)備的尿素級(jí)不銹鋼，它是316L不銹鋼的改良型，在化學(xué)成分上降低了 C元素含量、增加了 N1、Cr、Mo等元素含量，目的是為了獲得比316L不銹鋼更好的耐蝕性能。在尿素生產(chǎn)介質(zhì)和硝酸溶液介質(zhì)中，316Lmod不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕的主要原因是材料中的磷、硅等雜質(zhì)元素在晶界偏聚，造成晶界與晶內(nèi)在腐蝕電解質(zhì)溶液中的電位差，而316L不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕的主要原因是材料中的C含量幾乎是316Lmod不銹鋼中的含量的2倍，敏化處理后容易在晶界上析出富Cr的碳化物，從而在晶界附近產(chǎn)生貧Cr區(qū)。由于尿素生產(chǎn)設(shè)備處于尿素甲銨液等高溫、高壓且有強(qiáng)烈腐蝕介質(zhì)的環(huán)境下工作，設(shè)備所用的316Lmod不銹鋼會(huì)受到很嚴(yán)重的腐蝕，因此腐蝕問題成為316Lmod不銹鋼設(shè)計(jì)、制造過程中首要考慮的問題。如何從改變316Lmod不銹鋼自身的顯微組織來提高其耐晶間腐蝕性能一直受到人們的關(guān)注。
[0003]Watanabe于1984年提出晶界設(shè)計(jì)及控制(grain boundary design)的概念。采用適當(dāng)工藝可以增加多晶體材料重合位置點(diǎn)陣(CSL, coincidence site lattice)晶界的比例，提高材料的強(qiáng)韌性能。通過大幅度增加具有“特殊結(jié)構(gòu)的低Σ CSL (低Σ是指Σ<29)”晶界比例、優(yōu)化晶界特征分布(GBCD, grain boundary character distribut1n)來改善材料與晶界有關(guān)的性能，如抗晶間腐蝕性能、抗蠕變性能、抗應(yīng)力腐蝕開裂性能等。這種觀點(diǎn)于上世紀(jì)90年代發(fā)展成晶界工程(GBE, grain boundary engineering )研究領(lǐng)域。目前晶界工程的研究主要集中于低層錯(cuò)能的面心立方金屬材料，基于退火孿晶的形成來提高這類材料的低SCSL晶界比例。目前已經(jīng)報(bào)道的主要有兩種工藝路線:
1.通過3%?8%變形后，在略低于材料再結(jié)晶溫度的溫度下長(zhǎng)時(shí)間(10?10h)退火；
2.通過15%?40%的變形后，在高于材料再結(jié)晶溫度的溫度下短時(shí)間(3?60min)退火，并重復(fù)這樣的工藝3?7次。
[0004]這兩種工藝都能明顯提尚材料的低Σ CSL晶界比例，從而大幅提尚材料與晶界相關(guān)的多種性能。Michiuchi等人利用第一種工藝對(duì)316不銹鋼施以3%的預(yù)應(yīng)變，然后在967°C保溫72h進(jìn)行退火，使得低Σ CSL晶界比例提高到80%。Palumbo等人運(yùn)用第二種工藝使Inconel600合金的低Σ CSL晶界比例提高到60?70%，腐蝕速率降低30?60%。這兩種工藝方法的優(yōu)點(diǎn)是不用改變材料成分，只需調(diào)整冷加工變形和熱處理方式，就可大幅提高材料的低SCSL晶界比例，改善材料與晶界相關(guān)的多種性能。但是第一種工藝需要長(zhǎng)時(shí)間退火，第二種工藝需要反復(fù)冷加工及退火，這兩種工藝都不利于工業(yè)生產(chǎn)中的成本控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種提高316Lmod不銹鋼耐晶間腐蝕性能的晶界工程工藝方法，能顯著提高316Lmod不銹鋼的低SCSL晶界比例，本發(fā)明工藝方法不僅不需改變材料的成分，而且與現(xiàn)有的同類工藝相比，既不需長(zhǎng)時(shí)間退火，也不需要反復(fù)加工及退火，工藝更加簡(jiǎn)單，操作容易，在其它一些低層錯(cuò)能的面心立方金屬材料中也可以參照使用，有利于工業(yè)生產(chǎn)中的成本控制，容易推廣，具有十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
[0006]為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，采用下述技術(shù)方案:
一種提高316Lmod不銹鋼耐腐蝕性能的晶界工程工藝方法，包括如下步驟:
a.將316Lmod不銹鋼在1050?1150°C下保溫5?60min，然后水冷；
b.在室溫下對(duì)在所述步驟a中經(jīng)過熱處理后的316Lmod不銹鋼再進(jìn)行加工變形，控制變形量為3?15% ；
c.然后對(duì)在所述步驟b中經(jīng)過變形加工的316Lmod不銹鋼再進(jìn)行退火，退火時(shí)在1020?1150°C下保溫3?120min，然后水冷，得到具有高耐腐蝕性能的316Lmod不銹鋼。
[0007]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn):
1.本發(fā)明工藝方法是應(yīng)用于316Lmod不銹鋼生產(chǎn)加工過程中的最后一道工序，通過本工藝可以實(shí)現(xiàn)在不改變合金成分的前提下提高材料的耐晶間腐蝕性能，對(duì)其它與晶界相關(guān)的性能，如抗蠕變、抗疲勞性能也有改善；
2.本發(fā)明工藝方法在不銹鋼材料進(jìn)行加工形變處理之前，先進(jìn)行固溶熱處理，保證材料中不存在形變儲(chǔ)能，然后在材料沒有形變儲(chǔ)能的狀態(tài)下，在室溫進(jìn)行變形量為3?15%的加工變形，變形量要精確控制在這樣的范圍內(nèi)，加工變形后進(jìn)行退火，在1020?1150°C保溫，這種小變形量后的退火可明顯提高材料中的Σ3η晶界(n=l，2，3...)比例，從而提高材料總體的低SCSL晶界比例；
3.本發(fā)明工藝方法既不需要長(zhǎng)時(shí)間的退火，也不需要反復(fù)冷變形及退火；
4.本發(fā)明對(duì)316Lmod不銹鋼在沒有形變儲(chǔ)能的狀態(tài)下，進(jìn)行小變形量加工，然后進(jìn)行高溫短時(shí)間退火，工藝更加簡(jiǎn)單，操作容易，具有十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例工藝處理前后的316Lmod不銹鋼的低XCSL晶界比例圖對(duì)比。
[0009]圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例工藝處理前后的316Lmod不銹鋼通過腐蝕實(shí)驗(yàn)得到材料表面單位面積腐蝕失重量與腐蝕時(shí)間的關(guān)系圖對(duì)比。
[0010]圖3是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例工藝處理前后的316Lmod不銹鋼在敏化后再經(jīng)過五個(gè)周期累計(jì)240h腐蝕后表面的形貌圖對(duì)比，其中圖a為經(jīng)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例工藝處理后的316Lmod不銹鋼表面的形貌照片，圖b為未經(jīng)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例工藝處理后的316Lmod不銹鋼表面的形貌照片。
【具體實(shí)施方式】
[0011]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳述如下:
在本實(shí)施例中，采用專用于制造尿素生產(chǎn)設(shè)備的尿素級(jí)不銹鋼的改良型316L不銹鋼，即以316Lmod不銹鋼實(shí)施耐腐蝕性能的晶界工程工藝。本實(shí)施例一種提高316Lmod不銹鋼耐腐蝕性能的晶界工程工藝方法，包括如下步驟:
a.將316Lmod不銹鋼板材在1100°C下保溫30min，然后水冷；
b.在室溫下對(duì)在所述步驟a中經(jīng)過熱處理后的316Lmod不銹鋼再進(jìn)行加工變形，控制變形量為5% ;
c.然后對(duì)在所述步驟b中經(jīng)過變形加工的316Lmod不銹鋼再進(jìn)行退火，退火時(shí)在1075°C下保溫30min，然后水冷，得到具有高耐腐蝕性能的316Lmod不銹鋼。
[0012]實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析:
采用經(jīng)本實(shí)施例工藝處理后的316Lmod不銹鋼作為樣品A，采用未經(jīng)本實(shí)施例工藝處理后的316Lmod不銹鋼作為樣品B。
[0013]采用EBSD (electron back scatter diffract1n，電子背散射衍射)方法測(cè)定樣品A和B，低Σ CSL晶界都按Palumbo — Aust標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)。經(jīng)EBSD方法測(cè)定，樣品A中的低Σ CSL晶界比例為72.4 %，樣品B中的低Σ CSL晶界比例為47.9 %，參見圖1。圖1為樣品A和B的低Σ CSL晶界比例圖。本實(shí)施例針對(duì)316Lmod不銹鋼，確定形變及退火工藝，獲得低 Σ CSLCcoincidence site lattice，低Σ 是指Σ < 29)晶界比例高于 72.4%(Palumbo —Aust標(biāo)準(zhǔn))的材料。經(jīng)傳統(tǒng)工藝加工的材料，其低XCSL晶界比例為47.9%。低XCSL晶界比例高的材料與低SCSL晶界比例低的材料相比具有較高的耐腐蝕性能。
[0014]將樣品A和樣品B在650°C保溫12h后空冷，作為敏化處理，用于制備晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)的待測(cè)樣品。晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)按照ASTM A262-2010 C法進(jìn)行休氏實(shí)驗(yàn)，采用沸騰的體積分?jǐn)?shù)為65%!^03作為腐蝕溶液，按照48hX5個(gè)周期進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)待測(cè)樣品表面進(jìn)行拋光后，測(cè)量表面面積，并稱重。稱重完成后將樣品浸泡在腐蝕溶液中，實(shí)驗(yàn)中硝酸保持微沸騰狀態(tài)。每一周期為48h，每一周期將樣品取出后在流水中用軟刷刷掉表面的氧化物，然后在酒精中浸泡lOmin，取出后用電吹風(fēng)烘干，然后稱重，獲得經(jīng)過當(dāng)前腐蝕實(shí)驗(yàn)周期后的腐蝕失重情況。這樣的浸泡腐蝕實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了 5個(gè)周期，一共進(jìn)行240h的腐蝕實(shí)驗(yàn)。腐蝕后的樣品表面用掃描電鏡觀察，參見圖2。圖2是含有不同低XCSL晶界比例的316Lmod不銹鋼樣品A和B在650°C敏化12小時(shí)后經(jīng)過晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)得到的單位面積腐蝕失重量與腐蝕時(shí)間的關(guān)系，從圖中可看出，低SCSL晶界比例為47.9%的樣品B腐蝕失重量明顯比低XCSL晶界比例為72.4%的樣品A大。
[0015]金屬材料產(chǎn)生晶間腐蝕失重的主要原因是材料表面晶界腐蝕后造成晶粒脫落，如圖3所示，經(jīng)過5個(gè)周期的腐蝕，得到316Lmod不銹鋼表面的形貌照片。其中圖a為經(jīng)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例工藝處理后的316Lmod不銹鋼表面的形貌照片，圖b為未經(jīng)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例工藝處理后的316Lmod不銹鋼表面的形貌照片。從圖3中可見，樣品A表面晶界明顯被蝕刻，有少量晶粒脫落，而樣品B表面的晶粒大量脫落，并且內(nèi)層晶粒也掉落許多。這說明低SCSL晶界比例對(duì)晶間腐蝕性能有著很大的影響，低XCSL晶界比例高的樣品明顯比低ΣCSL晶界比例低的樣品更耐晶間腐蝕。
[0016]本實(shí)施例工藝方法不僅不需改變材料的成分，而且與現(xiàn)有的同類工藝相比，既不需長(zhǎng)時(shí)間退火，也不需要反復(fù)加工及退火，工藝更加簡(jiǎn)單，操作容易，具有十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
[0017]上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了說明，但本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的精神實(shí)質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組合或簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明提高316Lmod不銹鋼耐腐蝕性能的晶界工程工藝方法的技術(shù)原理和發(fā)明構(gòu)思，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種提高316Lmod不銹鋼耐腐蝕性能的晶界工程工藝方法，其特征在于，包括如下步驟: a.將316Lmod不銹鋼在1050?1150°C下保溫5?60min，然后水冷； b.在室溫下對(duì)在所述步驟a中經(jīng)過熱處理后的316Lmod不銹鋼再進(jìn)行加工變形，控制變形量為3?15% ； c.然后對(duì)在所述步驟b中經(jīng)過變形加工的316Lmod不銹鋼再進(jìn)行退火，退火時(shí)在1020?1150°C下保溫3?120min，然后水冷，得到具有高耐腐蝕性能的316Lmod不銹鋼。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高316Lmod不銹鋼耐腐蝕性能的晶界工程工藝方法，將316Lmod不銹鋼在1050～1150℃保溫5～60min，水冷后在室溫進(jìn)行變形量為3～15%的加工變形，然后在1020～1150℃保溫3～120min進(jìn)行退火，最后水冷可得較高耐腐蝕性能的316Lmod不銹鋼。本發(fā)明工藝方法能顯著提高316Lmod不銹鋼的低ΣCSL晶界比例，本發(fā)明工藝方法不僅不需改變材料的成分，而且與現(xiàn)有的同類工藝相比，既不需長(zhǎng)時(shí)間退火，也不需要反復(fù)加工及退火，工藝更加簡(jiǎn)單，操作容易，在其它一些低層錯(cuò)能的面心立方金屬材料中也可以參照使用，有利于工業(yè)生產(chǎn)中的成本控制，容易推廣，具有十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
【IPC分類】C21D8/00
【公開號(hào)】CN105420472
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510764303
【發(fā)明人】夏爽, 張子龍, 曹偉, 劉廷光, 趙清, 周邦新, 白琴
【申請(qǐng)人】上海大學(xué)
【公開日】2016年3月23日
【申請(qǐng)日】2015年11月11日