一种提高铁素体马氏体钢强度的热处理方法

本发明属于金属材料，涉及一种马氏体钢，具体涉及一种提高铁素体马氏体钢强度的热处理方法。

背景技术：

1、铁素体马氏体钢具有低的热膨胀系数、高的热导率、良好的耐腐蚀性能、优良的抗中子辐照性能等特点，被作为电站锅炉和涡轮机的结构材料得到广泛应用，也被认为是第四代核反应堆燃料包壳和堆芯的主要候选结构材料。

2、铁素体马氏体钢的显微组织主要由马氏体板条和析出相组成，部分铁素体马氏体钢还含有少量的铁素体组织。铁素体马氏体钢通常采用正火+高温回火的热处理工艺，使其获得体心立方结的回火马氏体基体。正火处理使钢具有高密度位错的板条马氏体组织，在随后的回火处理中，其位错密度会大幅降低，并伴有大量析出相的形成。马氏体板条内高密度的位错在铁素体马氏体钢中产生位错强化作用。析出相主要分布在马氏体板条界面，能阻碍位错和界面的运动，在铁素体马氏体钢中产生析出强化作用。铁素体马氏体钢中存在原始奥氏体晶界、板条界面、亚晶界等界面，这些界面可以阻碍位错移动，在铁素体马氏体钢中产生晶界强化作用。然而，在高温条件下铁素体马氏体钢会发生位错密度降低、m23c6析出相粗化、laves相析出，以及马氏体板条回复和宽化，使位错强化、析出强化、晶界强化作用减弱，导致铁素体马氏体钢的力学性能快速降低，成为限制其使用的主要因素。因此，优化铁素体马氏体钢的组织结构，提高铁素体马氏体钢的力学性能，对于其应用于第四代核反应堆具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种提高铁素体马氏体钢强度的热处理方法，用以解决现有技术中的缺陷，以克服现有铁素体马氏体钢力学性能较低的问题。

2、一种提高铁素体马氏体钢强度的热处理方法，包括以下步骤：

3、(1)奥氏体化：将铁素体马氏体钢加热至钢的ac3温度以上30～50℃，并保温30～90min，使之完全奥氏体化；

4、(2)淬火：将奥氏体化的铁素体马氏体钢在保温结束后取出空冷至180～300℃，保温0～30min；

5、(3)回火：将淬火后的铁素体马氏体钢取出加热至350～700℃，保温2～30min后取出空冷至室温。

6、优选地，所述步骤(1)中保温30～60min，优选30～40min；

7、所述步骤(2)中空冷至210～270℃或240～270℃，保温0～25min或0～15min或0～5min；

8、所述步骤(3)中回火温度为400～650℃或400～600℃或400～550℃或400～500℃或550～650℃，保温3～20min或4～17min或5～15min。

9、优选地，所述(1)奥氏体化、(2)淬火、(3)回火所用的加热炉均为普通空气热处理炉。

10、优选地，所述铁素体马氏体钢为高cr含量马氏体钢，优选cr含量为9～12.5wt％。

11、优选地，所述铁素体马氏体钢的合金成分，以重量百分比计为：cr:9.0～12.5％，mn:0.4～0.7％，si:0.6～1.2％，mo:0～0.9％，w:0.3～1.5％，c:0.17～0.25％，ti:0.005～0.01％，v:0.15～0.3％，nb:0～0.25％，ni:0～0.8％，n:0.02～0.05％，zr:0～0.1％，余量为fe和不可避免的杂质。

12、进一步优选地，所述铁素体马氏体钢的合金成分，以重量百分比计为：cr:9.0～12.4％，mn:0.45～0.65％，si:0.6～1.2％，mo:0～0.9％，w:0.3～1.5％，c:0.18～0.19％，ti:0.005～0.007％，v:0.18～0.3％，nb:0～0.18％，ni:0～0.7％，n:0.02～0.04％，zr:0～0.07％，余量为fe和不可避免的杂质。

13、进一步优选地，所述铁素体马氏体钢的合金成分，以重量百分比计为：cr:12～12.4％，mn:0.6～0.65％，si:1.1～1.15％，mo:0.8～0.87％，w:0.3～0.4％，c:0.18～0.19％，ti:0.005～0.007％，v:0.27～0.3％，nb:0.15～0.18％，ni:0.5～0.7％，n:0.02～0.04％，余量为fe和不可避免的杂质；

14、进一步优选为cr:12.32wt％，mn:0.63wt％，si:1.12wt％，mo:0.85wt％，w:0.36wt％，c:0.18wt％，ti:0.006wt％，v:0.29wt％，nb:0.18wt％，ni:0.7wt％，n:0.03wt％，余量为fe和不可避免的杂质。

15、优选地，所述步骤(1)中将铁素体马氏体钢加热至1000～1100℃保温30～40min；

16、所述步骤(2)中空冷至240～270℃保温0～25min或0～15min或0～5min；

17、所述步骤(3)中回火温度为550～650℃，保温5～15min。

18、优选地，所述铁素体马氏体钢的合金成分，以重量百分比计为：cr:9.0～10％，mn:0.45～0.55％，si:0.6～0.7％，w:1.3～1.5％，c:0.18～0.19％，ti:0.005～0.007％，v:0.18～0.2％，zr:0.05～0.07％，n:0.02～0.04％，余量为fe和不可避免的杂质；

19、进一步优选为：cr:9.02％，mn:0.49％，si:0.62％，w:1.45％，c:0.19％，ti:0.006％，v:0.19％，zr:0.06％，n:0.03％，余量为fe和不可避免的杂质。

20、优选地，所述步骤(1)中将铁素体马氏体钢加热至950～1000℃保温30～40min；

21、所述步骤(2)中空冷至210～270℃保温0～25min或0～15min或0～5min；

22、所述步骤(3)中回火温度为400～500℃，保温5～15min。

23、本发明制备方法的工艺流程图如图1所示，原理如下：

24、本发明方法，铁素体马氏体钢在奥氏体化完成后冷却至180～300℃淬火，并保温0～30min。淬火过程使铁素体马氏体钢中形成合适组成的细小的马氏体、残余奥氏体、贝氏体等多相组织，并产生大量位错，在钢中产生细晶强化、位错强化作用，从而提高钢的强度。如果淬火温度过低，会使钢中形成的马氏体含量增多，残余奥氏体、贝氏体含量降低；如果淬火温度过高，会使钢中无法形成残余奥氏体，均不利于钢的强塑性。

25、本发明方法，铁素体马氏体钢在淬火完成后加热至350～700℃回火，并保温2～30min。回火过程使钢中的残余奥氏体变得稳定，析出尺寸细小的第二相，同时降低淬火过程产生的内应力，在产生第二相强化作用的同时使铁素体马氏体钢保持一定的塑性。而回火温度过高会使组织粗化、残余奥氏体转变、位错密度大幅降低，从而不利于钢的强度。

26、本发明具有如下有益效果：

27、目前的铁素体马氏体钢的热处理工艺主要是采用正火+高温回火的工艺，而本发明采用奥氏体化+淬火+低温回火的工艺，使钢中形成细小的马氏体、残余奥氏体、贝氏体等多相组织，并伴随大量位错和细小析出相，在钢中产生细晶强化、位错强化、第二相强化作用，大幅提高钢的强度，同时使钢保持一定的塑性。

28、通过本发明制备的铁素体马氏体钢的抗拉强度是对比例的2倍以上，强塑积是对比例的1.45倍以上，具有更好的强塑性匹配。

29、本发明提供的一种提高铁素体马氏体钢强度的方法，采用普通的空气加热炉，回火温度较现有技术显著降低，且处理时间短，具有工艺方法简单、成本低、效率高等特点，适合于大规模推广应用。