一种提高双相不锈钢低温冲击性能的热处理方法与流程

本发明涉及一种提高双相不锈钢低温冲击性能的热处理方法，属于双相不锈钢生产。

背景技术：

1、双相不锈钢(duplex stainless steel，简称dss)，指基体组织由铁素体(α相)与奥氏体(γ相)组成，且较少相的含量最少也需要达到30％的不锈钢。双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的力学性能特征：既有较高的强度，又有良好的韧性和耐点蚀性能，在各行业得到广泛的应用。

2、现有技术表明，提高双相不锈钢中奥氏体的比例，可以提高冲击韧性。如增加奥氏体形成元素，如n、镍，可以增加奥氏体的比例；但这样做同时也会影响不锈钢的强度等其他性能，因此单纯的调整两相的比例并不是好的方案。

3、申请公布号为cn 115011772 a的专利文献指出，在双相不锈钢加工制造领域，为了提高双相不锈钢的力学性能，特别是同时提高强度和韧性，提出了细化晶粒尺寸的思想。而双相不锈钢中铁素体晶粒长大速度比奥氏体晶粒长大速度更快，因此细化铁素体晶粒尺寸成为调控双相不锈钢性能的主要瓶颈。该方案首先通过控制较高的最终热变形温度获得铁素体体积百分含量大于50％的双相不锈钢基础组织，然后冷轧，使奥氏体相和铁素体发生塑性变形，最后，在低于最终热变形温度的温度进行固溶处理，使在固溶处理过程中发生铁素体向奥氏体转变的相变。铁素体经过冷轧，形变储能为再结晶和奥氏体相变提供驱动力，再结晶的铁素体晶界以及铁素体中的位错皆为奥氏体相变提供了更多形核位置，从而促进奥氏体在铁素体内的析出；铁素体的内部新生成的奥氏体作为第二相，一方面分割了铁素体，使铁素体晶粒显著细化，另一方面，新生奥氏体阻碍了再结晶铁素体晶粒的进一步长大，最终同时实现双相不锈钢中奥氏体和铁素体晶粒的细化。试验数据表明，该专利显著提高了双相不锈钢的抗拉强度、屈服强度和断后延伸率；但该专利文献未对低温下的冲击韧性做出说明。

4、随着近年双相不锈钢产品的应用领域进一步向低温环境拓展，终端用户或者设计部门在选择双相不锈钢产品时，纷纷对其低温冲击韧性提出了各种指标要求：如norsok认证要求s32550、s32750、s32760、s39274、s39277等牌号的双相不锈钢管材需满足-46℃低温冲击韧性均值≥45j、单值≥35j；阿曼khazzan气田项目的天然气集输系统中采用s31803双相不锈钢管，其提出了-56℃低温冲击韧性均值≥75j、单值≥55j的更高要求；中石化亦有工程要求双相不锈钢管-46℃冲击韧性均值≥70j、单值≥65j；壳牌石油则有要求双相不锈钢管-50℃冲击韧性均值≥60j、单值≥45j；其次ccs2006版《材料与焊接规范》中也有双相不锈钢-20℃条件下进行冲击试验并达标的要求。更好的低温冲击韧性是本领域的普遍追求，也是当前亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明要解决上述问题，从而提供一种提高双相不锈钢低温冲击性能的热处理方法。本发明在不对元素比例进行调整的情况下，通过对固溶工艺进行调整，实现在-46℃下的冲击韧性均值≥120j，相比现有技术具有显著的提高。

2、本发明解决上述问题的技术方案如下：

3、一种提高双相不锈钢低温冲击性能的热处理方法，将双相不锈钢材料加热到1080℃以上，保温2h以上；再以冷却用时t1 min冷却至980～1050℃，保温t2 min；最后水冷至300℃以下；t1+t2≥10。

4、影响双相钢低温冲击性能的除了材料的成分，组织形态，还有一个关键因素是热处理工艺。

5、现有技术认为，双相钢的σ相对低温冲击影响很大，σ相的存在会降低材料的低温冲击性能，需要完全消除σ相才能保证材料的低温冲击性能。所以常规双相钢的热处理工艺是首先是将双相不锈钢加热到铁素体单相区温度，如1200℃，保温一定的时间，如2h，使得σ相重新固溶到基体组织中；然后急速冷却至室温，通常是水冷，防止σ相再次析出。这种方式能够使合金中各种相充分溶解，强化固溶体，并提高韧性及抗蚀性能，消除应力与软化，以便继续加工或成型，具有显著的效果。

6、然而，上述热处理方式实际也存在一定的问题。发明人发现，影响低温冲击性能的除了σ相，还有cr2n相。cr2n的析出方式有两种，一种和σ相一样，在低于1000℃时，会随着时间的推移慢慢析出，这一种cr2n相可以通过现有技术的热处理解决。另一种cr2n相，以较高的双相区温度，如1000～1100℃，为起始温度进行快速冷却时，铁素体内的n原子溶解度随着温度的降低也会降低，但因为冷却速度过快，n原子来不及转移，会和铁素体内的cr相结合，以cr2n的形式在铁素体内析出。所以，现有技术的热处理工艺无法消除双相不锈钢材料内的cr2n相，由此造成了双相不锈钢材料低温冲击性能的降低。

7、因此，本发明上述技术方案中，首先将双相不锈钢材料加热到较高的温度，如1000～1100℃，并保持一定的时间，如2h以上，使得所有的析出相都完全溶解，这部分可以跟现有技术一样，也可以加热到比现有技术更高的温度，如加热到铁素体单相区温度，因为后续有个缓慢的冷却过程或者是有个保温过程，有足够的时间重新调整材料中铁素体和奥氏体两相的比例；接着，本发明以缓慢的速率冷却(如炉冷)至双相区相对较低的温度，如980～1050℃，或再保温一定的时间，以保证铁素体内析出的n原子有足够时间转移到奥氏体内，而不是跟铁素体内的cr结合；最后，再快速水冷，水冷部分跟现有技术相同。通过这种固溶处理，能够同时去除σ相和cr2n相，提高材料的低温冲击性能。

8、本发明上述技术方案中，以冷却用时t1 min冷却至980～1050℃，保温t2 min，t1+t2≥10。可以包含以下多种情形：a)、用足够缓慢的速率去降温，那么当温度降至规定值时，已经花费了足够的时间，已经完成了析出的n原子从铁素体内到奥氏体内的转移；b)、降温比较缓慢但降温过程的耗时还不足以让析出的n原子从铁素体转移到奥氏体内，此时需要再保温一段时间；c)、降温较快，后续需要保温，以让析出的n原子从铁素体转移到奥氏体内。

9、作为上述技术方案的优选，所述用时t1 min的冷却的方式为炉冷。

10、作为上述技术方案的优选，所述的1080℃以上为1080℃～1200℃。

11、作为上述技术方案的优选，所述的1080℃以上为1080℃～1100℃。

12、作为上述技术方案的优选，以冷却用时t1 min冷却至980～1050℃，保温t2min，具体为以≤20℃/min的冷却速率冷却至980～1020℃，保温t2 min，t1+t2≥10。

13、作为上述技术方案的优选，以冷却用时t1 min冷却至980～1050℃，保温t2min，具体为以≤15℃/min的冷却速率冷却至980～1020℃，保温t2 min，t1+t2≥10。

14、作为上述技术方案的优选，以冷却用时t1 min冷却至980～1050℃，保温t2min，具体为以≤10℃/min的冷却速率冷却至980～1020℃，保温t2 min，t1+t2≥10。

15、作为上述技术方案的优选，以冷却用时t1 min冷却至980～1050℃，保温t2min，具体为以用时≥10min、速率≤5℃/min的冷却方式冷却至980～1020℃

16、作为上述技术方案的优选，t1+t2为10～60min。

17、作为上述技术方案的优选，保温2h以上具体为保温150～200min。

18、本发明的另一个目的是提供由上述方法制备的双相不锈钢。

19、一种由上述方法制备得到的双相不锈钢，所述双相不锈钢在-46℃下的横向低温冲击韧性均值≥120j。

20、作为上述技术方案的优选，所述双相不锈钢在-46℃下的横向低温冲击韧性均值≥150j。

21、综上所述，本发明具有以下有益效果：

22、本发明首先将双相不锈钢材料加热到较高的温度，如1000～1100℃，并保持一定的时间，如2h以上，使得所有的析出相都完全溶解，这部分可以跟现有技术一样，也可以加热到比现有技术更高的温度，如加热到铁素体单相区温度，因为后续有个缓慢的冷却过程或者是有个保温过程，有足够的时间重新调整材料中铁素体和奥氏体两相的比例；接着，本发明以缓慢的速率冷却(如炉冷)至双相区相对较低的温度，如980～1050℃，或冷却后再保温一定的时间，以保证铁素体内析出的n原子有足够时间转移到奥氏体内，而不是跟铁素体内的cr相结合；最后，再快速水冷，水冷部分跟现有技术相同。通过这种固溶处理，能够同时去除σ相和cr2n相，提高材料的低温冲击性能。