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)設備的尿素級不銹鋼，它是316L不銹鋼的改良型，在化學成分上降低了 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)設備處于尿素甲銨液等高溫、高壓且有強烈腐蝕介質(zhì)的環(huán)境下工作，設備所用的316Lmod不銹鋼會受到很嚴重的腐蝕，因此腐蝕問題成為316Lmod不銹鋼設計、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年提出晶界設計及控制(grain boundary design)的概念。采用適當工藝可以增加多晶體材料重合位置點陣(CSL, coincidence site lattice)晶界的比例，提高材料的強韌性能。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、抗應力腐蝕開裂性能等。這種觀點于上世紀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)晶溫度的溫度下長時間(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間(3?60min)退火，并重復這樣的工藝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316不銹鋼施以3%的預應變，然后在967°C保溫72h進行退火，使得低Σ CSL晶界比例提高到80%。Palumbo等人運用第二種工藝使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時間退火，第二種工藝需要反復冷加工及退火，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，既不需長時間退火，也不需要反復加工及退火，工藝更加簡單，操作容易，在其它一些低層錯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)濟效益。
[0006]為達到上述發(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.在室溫下對在所述步驟a中經(jīng)過熱處理后的316Lmod不銹鋼再進行加工變形，控制變形量為3?15% ；
c.然后對在所述步驟b中經(jīng)過變形加工的316Lmod不銹鋼再進行退火，退火時在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質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點:
1.本發(fā)明工藝方法是應用于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行加工形變處理之前，先進行固溶熱處理，保證材料中不存在形變儲能，然后在材料沒有形變儲能的狀態(tài)下，在室溫進行變形量為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時間的退火，也不需要反復冷變形及退火；
4.本發(fā)明對316Lmod不銹鋼在沒有形變儲能的狀態(tài)下，進行小變形量加工，然后進行高溫短時間退火，工藝更加簡單，操作容易，具有十分明顯的經(jīng)濟效益。
【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例工藝處理前后的316Lmod不銹鋼的低XCSL晶界比例圖對比。
[0009]圖2是本發(fā)明優(yōu)選實施例工藝處理前后的316Lmod不銹鋼通過腐蝕實驗得到材料表面單位面積腐蝕失重量與腐蝕時間的關(guān)系圖對比。
[0010]圖3是本發(fā)明優(yōu)選實施例工藝處理前后的316Lmod不銹鋼在敏化后再經(jīng)過五個周期累計240h腐蝕后表面的形貌圖對比，其中圖a為經(jīng)本發(fā)明優(yōu)選實施例工藝處理后的316Lmod不銹鋼表面的形貌照片，圖b為未經(jīng)本發(fā)明優(yōu)選實施例工藝處理后的316Lmod不銹鋼表面的形貌照片。
【具體實施方式】
[0011]本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳述如下:
在本實施例中，采用專用于制造尿素生產(chǎn)設備的尿素級不銹鋼的改良型316L不銹鋼，即以316Lmod不銹鋼實施耐腐蝕性能的晶界工程工藝。本實施例一種提高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.在室溫下對在所述步驟a中經(jīng)過熱處理后的316Lmod不銹鋼再進行加工變形，控制變形量為5% ;
c.然后對在所述步驟b中經(jīng)過變形加工的316Lmod不銹鋼再進行退火，退火時在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]實驗測試分析:
采用經(jīng)本實施例工藝處理后的316Lmod不銹鋼作為樣品A，采用未經(jīng)本實施例工藝處理后的316Lmod不銹鋼作為樣品B。
[0013]采用EBSD (electron back scatter diffract1n，電子背散射衍射)方法測定樣品A和B，低Σ CSL晶界都按Palumbo — Aust標準統(tǒng)計。經(jīng)EBSD方法測定，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。本實施例針對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標準)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驗的待測樣品。晶間腐蝕實驗按照ASTM A262-2010 C法進行休氏實驗，采用沸騰的體積分數(shù)為65%!^03作為腐蝕溶液，按照48hX5個周期進行實驗。對待測樣品表面進行拋光后，測量表面面積，并稱重。稱重完成后將樣品浸泡在腐蝕溶液中，實驗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，取出后用電吹風烘干，然后稱重，獲得經(jīng)過當前腐蝕實驗周期后的腐蝕失重情況。這樣的浸泡腐蝕實驗共進行了 5個周期，一共進行240h的腐蝕實驗。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小時后經(jīng)過晶間腐蝕實驗得到的單位面積腐蝕失重量與腐蝕時間的關(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，既不需長時間退火，也不需要反復加工及退火，工藝更加簡單，操作容易，具有十分明顯的經(jīng)濟效益。
[0017]上面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進行了說明，但本發(fā)明不限于上述實施例，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)方案的精神實質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組合或簡化，均應為等效的置換方式，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)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
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.在室溫下對在所述步驟a中經(jīng)過熱處理后的316Lmod不銹鋼再進行加工變形，控制變形量為3?15% ； c.然后對在所述步驟b中經(jīng)過變形加工的316Lmod不銹鋼再進行退火，退火時在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，水冷后在室溫進行變形量為3～15%的加工變形，然后在1020～1150℃保溫3～120min進行退火，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，既不需長時間退火，也不需要反復加工及退火，工藝更加簡單，操作容易，在其它一些低層錯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)濟效益。
【IPC分類】C21D8/00
【公開號】CN105420472
【申請?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
【申請人】上海大學
【公開日】2016年3月23日
【申請日】2015年11月11日