本发明属于热处理技术或高氮奥氏体不锈钢材料加工领域，具体的说是一种高氮奥氏体不锈钢强韧化热处理方法，该方法是对高氮奥氏体不锈钢材料依次进行高温区域的固溶处理、中温区域的时效处理、较高温度区域的球化热处理，使层片状氮化物溶解和球化，获得粒状氮化物，分布在奥氏体的基体中，改变了胞状反应氮化物的片层状结构，形成的粒状氮化物分布于奥氏体基体中，对高氮奥氏体不锈钢增强或增韧，改善或提高性能。
1.一种高氮奥氏体不锈钢强韧化热处理方法，该热处理方法是对高氮奥氏体不锈钢中的胞状反应混合物的层片状金属氮化物进行球化热处理，获得粒状氮化物；其特征在于：该方法包括以下步骤：①、固溶处理，对高氮奥氏体不锈钢固溶处理，根据高氮奥氏体不锈钢的成分制定固溶处理温度、时间、冷却方式，温度是最重要的工艺参数，控制温度选择在1000～1250℃，不过烧不过热，保温2～24小时，根据工艺目标制定缓冷、正火或淬火处理的冷却方式，组织中的氮化物或其它化合物能够溶解的，分解并使合金元素扩散到奥氏体中，使固溶处理的高氮奥氏体不锈钢的最终相组成尽可能是过饱和的奥氏体；
②、时效处理，对固溶处理的高氮奥氏体不锈钢，在700～950℃区间根据成分选择时效温度，以及选择1～24小时保温时间，实现胞状反应获得不连续析出片层状结构；
③、球化热处理，固溶和时效处理后，将高氮奥氏体不锈钢加热到1000～1250℃，进行1～16小时保温，层片状氮化物溶解和球化，获得球化氮化物，分布在奥氏体的基体中。
2.根据权利要求1所述的一种高氮奥氏体不锈钢强韧化热处理方法，其特征在于：所述高氮奥氏体不锈钢材料，是氮含量超过0.4％的节镍或无镍奥氏体不锈钢。
3.根据权利要求1所述的一种高氮奥氏体不锈钢强韧化热处理方法，其特征在于：所述球化热处理也适用于对高氮不锈钢晶界存在的网状氮化物、对各种形变加工高氮不锈钢破碎的或时效析出的氮化物进行溶断甚至球化的热处理。
4.根据权利要求1所述的一种高氮奥氏体不锈钢强韧化热处理方法，其特征在于：所述热处理方法的每个加热与保温步骤或者热处理阶段，选择真空或保护气氛，实现少、无氧化或脱氮。
5.根据权利要求1所述的一种高氮奥氏体不锈钢强韧化热处理方法，其特征在于：所述球化热处理在保温结束后选择淬火处理，所述固溶处理，固溶后选择淬火，或者选择随炉或者炉外冷却，选择冷到室温或者降温到时效温度。
6.根据权利要求1所述的一种高氮奥氏体不锈钢强韧化热处理方法，其特征在于：所述的球化热处理，包括：或者是以使因为发生胞状析出导致性能变差的材料得以性能改善为目的，对片层状混合物发生形态变化进行的热处理，或者有意于提高材料的部分力学性能或综合性能，获得球状或粒状化合物进行的热处理。
7.根据权利要求1所述的一种高氮奥氏体不锈钢强韧化热处理方法，其特征在于：所述的球化热处理，属于整体热处理，还适用于高氮钢材料与其它钢材料，表面经过渗氮而增氮，或者高氮钢材料经过氮扩散部分脱氮，表面氮含量不同于内部，在热处理中表面发生相变，获得了片层状结构的混合物，该片层状混合物或者是不连续析出物或者是共析产物，或者因为高氮钢材料的表面与心部在一致的热处理过程中因实际温度变化差异导致表面部分形成片层状混合物，在随后的球化热处理过程中层片状氮化物被球化，从而实现材料的表面改性和复合的热处理方法。
8.根据权利要求1所述的一种高氮奥氏体不锈钢强韧化热处理方法，其特征在于：该方法适用于处理胞状反应获得奥氏体加氮化物的不连续析出片层状混合物，也适用于其它片层状结构的混合析出物，因此，适用材料包含高氮奥氏体不锈钢、高氮双相不锈钢、高氮铁素体不锈钢氮含量高的不锈钢，不局限于定义的奥氏体钢氮含量超过0.4％和铁素体氮含量超过0.08％，延伸和包括氮含量较高的其它高氮合金钢材料。
一种高氮奥氏体不锈钢强韧化热处理方法
技术领域
[0001] 本发明涉及热处理或高氮钢技术领域，具体的说涉及一种高氮奥氏体不锈钢强韧化热处理方法，采用该方法能够改善或提高高氮奥氏体不锈钢或其它合金材料的性能。
背景技术
[0002] 八十年代末开始受到世界普遍重视的氮合金化的高氮不锈钢，由于其节约镍和优良的性能，受到各国的重视，甚至作为战略性结构材料。
[0003] 其中的高氮奥氏体不锈钢，热处理主要采用固溶处理，能够提高强韧性。如果采用时效处理，胞状反应后，产生了不连续析出的片层状混合物，对屈服强度和抗拉强度影响不大，但是却大幅度降低塑性和韧性，实质上是损害了这一材料的力学性能。如果因为该材料铸锭零件较大的尺寸因素，在热加工过程中可能发生胞状析出，就可能不满足性能要求或高品质要求。
[0004] 怎样处理，改变氮化物形态，使其改变胞状析出的有害影响，发挥高氮钢的优良性能，或者有意于获得分布有序的精细粒状氮化物，也能够进一步提高高氮不锈钢材料的性能，是本发明的主旨。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种高氮奥氏体不锈钢强韧化热处理方法，采用该方法能够改变高氮奥氏体不锈钢胞状析出对性能的有害影响，提供一种精细甚至纳米化氮化物复合高氮不锈钢材料，本发明要解决的问题是高氮奥氏体不锈钢胞状析出物中片状氮化物形态的改变，以及如何获得内生复合精细有序氮化物的高氮不锈钢。
[0006] 本发明的目的在于改变胞状反应氮化物的片层状结构，形成粒状氮化物分布于奥氏体基体中，对高氮奥氏体不锈钢增强或增韧，改善或提高性能。
[0007] 本发明的目的是这样实现的：该热处理方法是对高氮奥氏体不锈钢中的胞状反应（或称不连续析出）混合物的层片状金属氮化物进行球化热处理，获得粒状氮化物；该方法包括以下步骤：
[0008] 1、固溶处理，对高氮奥氏体不锈钢固溶处理，根据高氮奥氏体不锈钢的成分制定固溶处理温度、时间、冷却方式，温度是最重要的工艺参数，控制温度选择在1000～1250℃，不过烧不过热并尽可能的高温区域，保温2～24小时，根据工艺目标制定缓冷、正火或淬火处理的冷却方式，组织中的氮化物或其它化合物能够溶解的，分解并使合金元素扩散到奥氏体中，使固溶处理的高氮奥氏体不锈钢的最终相组成尽可能是过饱和的奥氏体；
[0009] 2、时效处理，对固溶处理的高氮奥氏体不锈钢，在700～950℃区间根据成分选择时效温度，以及选择1～24小时保温时间，实现胞状反应获得不连续析出片层状结构；
[0010] 3、球化热处理，固溶和时效处理后，将高氮奥氏体不锈钢加热到1000～1250℃，进行1～16小时保温，层片状氮化物溶解和球化，获得球化氮化物，分布在奥氏体的基体中。
[0011] 该方法除了上述特征步骤，即对高氮奥氏体不锈钢材料依次进行高温区域的固溶处理、中温区域的时效处理、较高温度区域的球化热处理（区别于铸铁冶金获得球状石墨的球化处理和中高碳钢获得粒状碳化物的球化退火），还可以根据热加工质量目标简化操作为：
[0012] ①、时效热处理加球化热处理，省去固溶处理。当要处理的高氮奥氏体不锈钢中的其它相不需要通过固溶处理消除，或者材料本身的奥氏体相的氮含量不需要通过固溶处理提高固溶的氮含量时，可以省去固溶处理；
[0013] ②、只进行球化热处理，省去固溶处理和时效处理。当要处理的高氮奥氏体不锈钢中已经发生过胞状反应形成了片层状结构混合物时，可以省去固溶处理和时效处理。
[0014] 所述球化热处理也适用于对高氮不锈钢晶界存在的网状氮化物、对各种形变加工高氮不锈钢破碎的或时效析出的氮化物进行溶断甚至球化的热处理，达到增韧目的。
[0015] 所述高氮奥氏体不锈钢材料，是氮含量超过0.4%的节镍或无镍奥氏体不锈钢。
[0016] 所述热处理方法的每个加热与保温步骤或者热处理阶段，可以选择真空或保护气氛，实现少、无氧化或脱氮。
[0017] 所述球化热处理可以在保温结束后选择淬火处理，所述固溶处理，固溶后可以选择淬火，或者选择随炉或者炉外冷却，可以选择冷到室温或者降温到时效温度。
[0018] 所述的球化热处理，包括：或者是以使因为发生胞状析出导致性能变差的材料得以性能改善为目的，对片层状混合物发生形态变化进行的热处理，或者有意于提高材料的部分力学性能或综合性能，获得球状或粒状化合物进行的热处理。
[0019] 所述的合金材料和球化热处理，属于整体热处理，还适用于高氮钢材料与其它钢材料，表面经过渗氮而增氮，或者高氮钢材料经过氮扩散部分脱氮，表面氮含量不同于内部，在热处理中表面发生相变，获得了片层状结构的混合物，该片层状混合物或者是不连续析出物或者是共析产物，或者因为高氮钢材料的表面与心部在一致的热处理过程中因实际温度变化差异导致表面部分形成片层状混合物，在随后的球化热处理过程中层片状氮化物被球化，从而实现材料的表面改性和复合的热处理方法。
[0020] 本发明具有以下优点和积极效果：
[0021] 1、本发明方法适用于处理胞状反应获得奥氏体加氮化物的不连续析出片层状混合物，也适用于其它片层状结构的混合析出物，因此，适用材料包含高氮奥氏体不锈钢、高氮双相不锈钢、高氮铁素体不锈钢等氮含量高的不锈钢，不局限于定义的奥氏体钢氮含量超过0.4%和铁素体氮含量超过0.08%，延伸和包括氮含量较高的其它高氮合金钢材料。
[0022] 2、本发明热处理方法可以不局限于高氮不锈钢材料，能够扩展适用于包括其它种类有胞状反应（或称不连续析出）的合金材料，实现增韧或增强改善性能的目的。
[0023] 3、本发明方法既可以实现改变因为胞状反应带来的高氮奥氏体不锈钢材料性能脆化，使其增韧甚至增强，也可以根据时效析出动力学和重溶动力学，改造高氮奥氏体不锈钢获得包含纳米级氮化物粒子的纳米复合材料。
[0024] 4、本发明方法的球化热处理，也适用于对高氮不锈钢晶界存在的网状氮化物、对各种形变加工高氮不锈钢破碎的或时效析出的氮化物进行溶断甚至球化的热处理，达到增韧目的。
[0025] 5、本发明的热处理方法，也适用于其它种类有胞状反应的合金材料。
附图说明
[0026] 图1是本发明固溶处理步骤中试验用热轧钢固溶处理后的光学金相照片图。
[0027] 图2是本发明时效处理步骤中随炉缓冷并等温时效析出的片状氮化物的光学金相照片图。
[0028] 图3是本发明时效处理步骤中随炉缓冷并等温时效析出的片状氮化物的透射电镜照片图。
[0029] 图4是本发明球化热处理步骤中重溶处理后氮化物形态由片状转变为粒状的光学金相照片图。
具体实施方式
[0030] 下面结合1个实施例对本发明做进一步的案例说明。
[0031] 1、试验用高氮奥氏体不锈钢和热处理工艺选择
[0032] 为热轧加工后的高氮奥氏体不锈钢，成分为0Cr21Mn17MoNbN0.93，见表1。
[0033] 表1. 试验用钢的化学成分(wt%)
[0034]C Cr Mn N Mo P S Si Nb Ni Fe
0.023 21.43 16.87 0.93 2.43 ≤0.012 ≤0.004 0.27 0.21 0.40 其余[0035] 选择了固溶-时效-球化的热处理工艺技术。
[0036] 2、主要热处理工艺参数和组织检查
[0037] 2.1、试验前的原始状态为热轧态。
[0038] 2.2、固溶处理，温度1140℃和保温8小时，淬火试样，获得单一奥氏体组织，如附图1（试验用热轧钢固溶处理后的光学金相照片）。
[0039] 2.3、时效处理，在固溶处理（温度1140℃和保温8小时）后，随炉缓冷至750℃，试样表层1-2毫米内，胞状反应后获得片层状混合物，组织如附图2（随炉缓冷并等温时效析出的片状氮化物的光学金相照片）和附图3（随炉缓冷并等温时效析出的片状氮化物的透射电镜照片）所示，亮的层片状为氮化物（Cr2N）。
[0040] 2.4、球化热处理，重溶处理温度1020℃和保温3小时，随即淬火，组织由胞状反应后获得片层状混合物，转变为粒状氮化物分布在奥氏体内的组织特征，如附图4（重溶处理后氮化物形态由片状转变为粒状的光学金相照片）所示。
[0041] 3、组织检查
[0042] 应用普通光学金相显微镜、透射电镜获得了如下附图所示的组织图像，实现片状向粒状的形貌转变，粒状氮化物细小，且分布均匀，其中极少数较粗大的为晶粒边界特殊的晶粒交角处的氮化物。
[0043] 本发明热处理温度和时间选择，可以借鉴文献提供的时效温度和固溶温度，或者具体材料实验确定，本专利关于球化热处理加工参数的明确的权利要求就是高于发生胞状反应的时效温度，并且等于或低于固溶温度，时间确定以层片状氮化物发生球化或达到球化的要求为确认依据，也就是说，是一个原则性依据，对不同材料，不是一个确定的数值和单一的范围。因此，具体实施方式给出个别的具体的或者确定的数值，只是实施例的具体实践和个别描述，并非要局限给实施例材料的工艺加工重要的参数范围，并非要局限本项权利要求范围。
[0044] 毕竟，晶间氮化物较为粗大，要获得精细的粒状氮化物和有序分布，实现较好的复合性能，就要根据时效析出动力学和重溶动力学，高温固溶处理，就成为必要的选择，即本专利特征步骤：固溶+时效+球化。
[0045] 有意于提高材料的部分力学性能或整体性能，获得一般分布的球状或粒状化合物进行的热处理。
[0046] 由于球化热处理也能够使晶间氮化物部分溶解和断开，甚至球化，因此有时不需要重新的高温加热和保温，因而可以选择：（中温）时效+（较高温度）球化。
[0047] 因为冶金或热加工的冷却过程发生了胞状反应，产生了恶化材料性能的不连续析出，导致性能变差，以改善性能为目的，对存在的片层状混合物进行关键步骤的球化热处理。
[0048] 重新固溶处理（消除不连续析出）是一种方法，因不在权利要求范围，不予叙言。
[0049] 是否选择保护气氛、真空，球化热处理后是否选择淬火，根据产品质量要求或生产条件，进行判断。
[0050] 检查
[0051] 组织检查，通过金相显微术，使用普通光学金相显微镜或者激光共聚焦扫描显微镜或者扫描电镜或者透射电镜等仪器，对经过球化热处理的高氮不锈钢，对比原始组织或者之前不同热处理阶段的显微组织，主要是氮化物，就形态和尺寸、分布等特征，给出球化程度或球化热处理效果的定性或具体数值的定量评价。
[0052] 性能检查，通过拉伸试验，或者冲击韧性，或者疲劳、蠕变等试验，检测、整理具体数据，对经过球化热处理的高氮不锈钢，对比原始组织或者之前不同热处理阶段的测试数据，给出强化或韧化的评价。
