一种超塑性高硅奥氏体不锈钢的制备方法
阅读说明：本技术 一种超塑性高硅奥氏体不锈钢的制备方法 (Preparation method of superplastic high-silicon austenitic stainless steel ) 是由 梁田 陈思含 高明 马颖澈 刘奎 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超塑性高硅奥氏体不锈钢的制备方法,属于材料热加工技术领域。该方法首先采用等温热时效方法对高硅奥氏体不锈钢锻造钢锭进行700-900℃、保温24-128小时的等温时效处理,并保证等温时效处理后其组织中的析出相体积分数达到15-30％；然后进行750-850℃等温超塑性变形。本发明方法可避免在热变形过程中产生热裂纹、断裂缺陷,且组织均匀性高,可有效解决高硅奥氏体不锈钢复杂部件的难于热变形加工等问题。(The invention discloses a preparation method of superplastic high-silicon austenitic stainless steel, and belongs to the technical field of hot working of materials. The method comprises the steps of firstly, carrying out isothermal aging treatment on a high-silicon austenitic stainless steel forging steel ingot at the temperature of 700-900 ℃ for 24-128 hours by adopting an isothermal thermal aging method, and ensuring that the volume fraction of precipitated phases in the structure of the ingot reaches 15-30% after the isothermal aging treatment; then carrying out 750-850 ℃ isothermal superplastic deformation. The method can avoid the defects of heat crack and fracture in the thermal deformation process, has high structure uniformity, and can effectively solve the problems of difficult thermal deformation processing of complex parts of high-silicon austenitic stainless steel and the like.)
技术领域
本发明涉及材料热加工技术领域，具体涉及一种超塑性高硅奥氏体不锈钢的制备方法。
背景技术
硫酸是当今世界上生产最广泛的化学物质之一，它在化学、农业、军事和医疗领域具有非凡的现代用途。然而，由于浓度和温度的不同，硫酸将表现出不同的性质。特别是在高温下，高浓度的硫酸的腐蚀性很强，因此硫酸厂的腐蚀是硫酸制造过程中设备泄漏的主要原因。因此，必须特别注意硫酸生产中的关键部件的耐腐蚀问题。
高硅奥氏体不锈钢一般指Si含量＞4％的奥氏体不锈钢，在高温浓硫酸中具有优良的耐腐蚀性能，因此在硫酸工业中有着非常重要的应用，如用来制备硫酸吸收塔内衬用钢板、浓硫酸冷却器、泵、篦板、管道等。而且高硅奥氏体不锈钢中的Si含量越高，耐腐蚀性能越好，可用于更苛刻的服役环境。然而，Si含量越高，高硅奥氏体不锈钢的热加工性能越差。这是因为Si＞5.0wt.％时，合金在凝固析出时就有大量的析出相析出，即使通过高温固溶处理也不能完全消除。尤其是一些具有复杂结构的零部件，靠常规的热加工成型方法基本不能制备，严重影响了高硅奥氏体不锈钢在硫酸工业中的应用，也不利于关键硫酸生产设备防腐蚀性能的提升。
因此，研发一种适用于高硅奥氏体不锈钢的新工艺，以解决复杂部件的不能热加工成型的问题，并消除热加工过程出现的热裂纹、成品率低等缺陷，是高硅奥氏体不锈钢在硫酸工业设备上大规模应用急需解决的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超塑性高硅奥氏体不锈钢的制备方法，解决了高硅奥氏体不锈钢复杂结构部件的热加工成型、易开裂、成品率低等问题，制备出的高硅奥氏体不锈钢组织均匀、致密性好、无微裂纹。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种超塑性高硅奥氏体不锈钢的制备方法，首先使用等温热时效方法对高硅奥氏体不锈钢锻造钢锭进行等温时效处理，并保证等温时效处理后其组织中的析出相体积分数达到15-30％；然后进行等温超塑性变形。
所述高硅奥氏体不锈钢按重量百分比计的化学成分如下：
C：0.015-0.050％；Cr：14.00-20.00％；Ni：15.00-22.00％；Si：5.50-6.50％；Mn：0.50-2.00％；S＜0.010％；P＜0.025％；Mo：0.50-2.00％；Cu：0.50-1.50％；Al＜0.10％；N＜0.02％；Fe余量。
所述等温时效方法为：锻造钢锭在加热炉中以100-150℃/h的升温速度升温至700-900℃，等温保温24-128小时。锻造钢锭经过等温时效处理后，钢锭组织中的析出相的种类为chi、sigma和Cr3Ni5Si2相，并在基体组织中弥散细小析出。经过等温时效处理的锻造钢锭如不能立即进行等温超塑性变形，则需要水冷保存其组织。
所述等温超塑性变形为：钢锭在750-850℃进行恒温拉伸，应变速率为0.1-1mm/min；变形完成后，采用风冷或水冷方式保存组织。
采用等温时效处理后的钢锭进行恒温拉伸处理时，断裂伸长率大于100％。
本发明的优点如下：
本发明方法可实现Si含量在5.5-6.5wt.％的高硅奥氏体不锈钢复杂部件成型，利用等温时效方法使钢锭组织中存在大量析出相的情况下，促使基体在恒温变形过程中发生强烈的再结晶，细化晶粒，从而不会在超塑性变形过程中产生热裂纹、开裂缺陷，而且超塑性成型后的组织致密、均匀。本方法适用性广、操作简单、设备要求低、易大规模工业生产、成品率高。
附图说明
图1为实施例3中高硅奥氏体不锈钢原始锻造组织。
图2为实施例3中高硅奥氏体不锈钢超塑性变形组织。
具体实施方式
以下结合实施例详述本发明。
本发明提供了一种适用于5.5-6.5wt.％的奥氏体不锈钢超塑性成型方法，具体超塑性成型过程如下：
(1)原料准备：选择高Si含量奥氏体不锈钢合金锻锭化学成分(wt.％)：C：0.015-0.050％；Cr：14.00-20.00％；Ni：15.00-22.00％；Si:5.50-6.50％；Mn:0.50-2.00％；S＜0.010％；P＜0.025％；Mo:0.50-2.00％；Cu:0.50-1.50％；Al＜0.10％；N＜0.02％；Fe余量。
(2)钢锭等温热时效处理：锻造钢锭首先在加热炉中以100-150℃/h的升温速度升温至700-900℃，等温保温24-128小时，同时要保证等温时效处理后组织中弥散细小析出相的析出量为15-30％。经过长期时效处理的锻造钢锭如不能立即实现超塑性变形，需要水冷保存其组织。
(3)恒温变形：长期时效后的锻棒需要快速升温至750-850℃，保温时间按照2.5mm/小时计算，确保锻棒温度均匀。然后进行恒温拉伸，应变速率为0.1-1mm/min，变形完成后，采用风冷或水冷方式保存超塑性变形组织。
实施例1
(1)原料准备：选择高Si含量奥氏体不锈钢合金化学成分(wt.％)：C：0.034％；Cr：18.30％；Ni：22.10％；Si:6.10％；Mn:1.20％；S＜0.010％；P＜0.025％；Mo:1.00％；Cu:1.30％；Al＜0.10％；N＜0.02％；Fe余量。
(2)钢锭等温热时效处理：锻造钢锭首先在加热炉中以120℃/h的升温速度升温至700℃，等温保温128h，等温热时效处理后组织中弥散析出大量的chi、sigma、Cr3Ni5Si2相，析出相的体积分数约为18.2％，等温时效热处理后，锻棒进行水冷处理，然后加工成标准拉伸试棒。
(3)恒温超塑性变形：长期时效后的拉伸样品快速升温至750℃，保温时间15分钟，确保拉伸样品温度均匀。然后进行恒温拉伸，拉伸速度为0.5mm/min，样品断裂伸长率约为110.5％，变形完成后，采用水冷方式保存超塑性变形组织。
实施例2
(1)原料准备：选择高Si含量奥氏体不锈钢合金化学成分(wt.％)：C：0.034％；Cr：18.30％；Ni：22.10％；Si:6.10％；Mn:1.20％；S＜0.010％；P＜0.025％；Mo:1.00％；Cu:1.30％；Al＜0.10％；N＜0.02％；Fe余量。
(2)钢锭等温热时效处理：锻造钢锭首先在加热炉中以120℃/h的升温速度升温至800℃，等温保温72h，组织中弥散析出大量的chi、sigma、Cr3Ni5Si2相，析出相的体积分数约为24.6％左右，等温时效热处理后，锻棒进行水冷处理，然后加工成标准拉伸试棒。
(3)恒温超塑性变形：长期时效后的拉伸样品需要分别快速升温至850℃，保温时间15分钟，确保拉伸样品温度均匀。然后进行恒温拉伸，拉伸速度为0.5mm/min，样品断裂伸长率约为120.5％，变形完成后，采用水冷方式保存超塑性变形组织。
实施例3
(1)原料准备：选择高Si含量奥氏体不锈钢合金化学成分(wt.％)：C：0.034％；Cr：18.30％；Ni：22.10％；Si:6.10％；Mn:1.20％；S＜0.010％；P＜0.025％；Mo:1.00％；Cu:1.30％；Al＜0.10％；N＜0.02％；Fe余量。
(2)钢锭等温热时效处理：锻造钢锭首先在加热炉中以120℃/h的升温速度升温至800℃，等温保温72h，组织中弥散析出大量的chi、sigma、Cr3Ni5Si2相，析出相的体积分数约为24.6％左右，等温时效热处理后，锻棒进行水冷处理，然后加工成标准拉伸试棒。
(3)恒温超塑性变形：长期时效后的拉伸样品需要分别快速升温至800℃，保温时间15分钟，确保拉伸样品温度均匀。然后进行恒温拉伸，拉伸速度为0.1mm/min，样品断裂伸长率约为273％，变形完成后，采用水冷方式保存超塑性变形组织。金相分析表明，合金超塑性变形后，大量析出相促使基体在恒温变形过程中发生强烈的再结晶，细化晶粒，如图1，图2所示。
对比例1
(1)原料准备：选择高Si含量奥氏体不锈钢合金化学成分(wt.％)：C：0.034％；Cr：18.30％；Ni：22.10％；Si:6.10％；Mn:1.20％；S＜0.010％；P＜0.025％；Mo:1.00％；Cu:1.30％；Al＜0.10％；N＜0.02％；Fe余量。
(2)钢锭等温热时效处理：锻造钢锭首先在加热炉中以120℃/h的升温速度升温至900℃，在该温度等温保温24h，金相分析表明，组织中弥散少量的chi、sigma、Cr3Ni5Si2相，析出相的体积分数约为10.4％左右，等温时效热处理后，锻棒进行水冷处理，然后加工成标准拉伸试棒。
(3)恒温超塑性变形：长期时效后的拉伸样品需要快速升温至900℃保温时间约为15分钟，确保拉伸样品温度均匀。然后进行恒温拉伸，应变速率为0.5mm/min，样品断裂伸长率约为38％，变形完成后，采用水冷方式保存超塑性变形组织。
对比例2
(1)原料准备：选择高Si含量奥氏体不锈钢合金化学成分(wt.％)：C：0.034％；Cr：18.30％；Ni：22.10％；Si:6.10％；Mn:1.20％；S＜0.010％；P＜0.025％；Mo:1.00％；Cu:1.30％；Al＜0.10％；N＜0.02％；Fe余量。
(2)钢锭等温热时效处理：锻造钢锭首先在加热炉中以120℃/h的升温速度升温至700℃，在该温度等温保温24h，金相分析表明，组织中弥散少量的chi、sigma、Cr3Ni5Si2相，析出相的体积分数约为10.4％左右，等温时效热处理后，锻棒进行水冷处理，然后加工成标准拉伸试棒。
(3)恒温超塑性变形：长期时效后的拉伸样品需要快速升温至600℃保温时间约为15分钟，确保拉伸样品温度均匀。然后进行恒温拉伸，应变速率为1mm/min，样品断裂伸长率约为12％，变形完成后，采用水冷方式保存超塑性变形组织。