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技術(shù)文章

高溫爐之不銹鋼制品的固溶處理

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高溫爐之不銹鋼制品的固溶處理

固溶處理(solution treatment)是指將合金加熱到高溫單相區(qū)恒溫保持,使過剩相充分溶解到固溶體中后快速冷卻,以得到過飽和固溶體的熱處理工藝。因操作過程與淬火相似,又稱為 “固溶淬火"。適用于以 固溶體為基體,且在溫度變化時(shí)溶解度變化較大的 合金。先將合金加熱到溶解度曲線以上、固相線以 下的某一合適溫度保溫一定時(shí)間,使第二相溶入固溶體中。然后在水或其他介質(zhì)中快速冷卻以抑制第 二相重新析出,即可得到室溫下的過飽和固溶體或 通常只存在于高溫下的一種固溶體相。由于在熱力 學(xué)上處于亞穩(wěn)定狀態(tài),在適當(dāng)?shù)臏囟然驊?yīng)力條件下 將發(fā)生脫溶或其他轉(zhuǎn)變。一般屬預(yù)備熱處理,其作 用是為隨后的熱處理準(zhǔn)備條件。

  原理

  固溶處理是為了溶解基體內(nèi)碳化物、γ’相等以得到均勻的過飽和固溶體,便于時(shí)效時(shí)重新析出顆粒細(xì)小、分布均勻的碳化物和γ’等強(qiáng)化相,同時(shí)消除由于冷熱加工產(chǎn)生的應(yīng)力,使合金發(fā)生再結(jié)晶。其次,固溶處理是為了獲得適宜的晶粒度,以保證合金高溫抗蠕變性能。固溶處理的溫度范圍大約在980~1250℃之間,主要根據(jù)各個(gè)合金中相析出和溶解規(guī)律及使用要求來選擇,以保證主要強(qiáng)化相必要的析出條件和一定的晶粒度。對于長期高溫使用的合金,要求有較好的高溫持久和蠕變性能,應(yīng)選擇較高的固溶溫度以獲得較大的晶粒度;對于中溫使用并要求較好的室溫硬度、屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度的合金,可采用較低的固溶溫度,保證較小的晶粒度。高溫固溶處理時(shí),各種析出相都逐步溶解,同時(shí)晶粒長大;低溫固溶處理時(shí),不僅有主要強(qiáng)化相的溶解,而且可能有某些相的析出。對于過飽和度低的合金,通常選擇較快的冷卻速度;對于過飽和度高的合金,通常為空氣中冷卻。

  應(yīng)用

  對于大多數(shù)有色金屬合金而言,固溶處理的目的是獲得過飽和固溶體,為隨后的時(shí)效處理作組織準(zhǔn)備。圖示為具有溶解度變化的典型的二元相圖示意圖。n點(diǎn)成分的C1合金的室溫平衡組織為α+β兩相,α為基體固溶體,β為第二相。將C1合金加熱至Tq并保溫足夠時(shí)間后,β相將溶解于基體而得到單相α固溶體。如果合金從Tq溫度快速冷卻至室溫,由于合金元素原子的擴(kuò)散和重新分配來不及進(jìn)行,β相不可能形核和長大,α相中就不可能析出β相,這時(shí)合金的室溫組織為n點(diǎn)成分的α單相過飽和固溶體(室溫下α相的平衡成分為b點(diǎn)成分)。這種過飽和固溶體在熱力學(xué)上是亞穩(wěn)定的,在適當(dāng)?shù)臏囟认?,過飽和固溶體會發(fā)生脫溶析出,從而使合金強(qiáng)化。固溶處理后的組織不一定都是單相過飽和固溶體。如圖中的C2合金,在低于共晶溫度的任何溫度下都含有β相。加熱至Tq時(shí)合金C2的組織為m點(diǎn)成分的α相和β相。若自Tq淬火,其室溫組織除過飽和的α相外還有部分β相。

  固溶處理也適用于某些合金鋼。例如含1.2%C和13%Mn的M13高錳鋼就需要進(jìn)行固溶處理。將其加熱至1050~1100℃,保溫足夠長時(shí)間,使碳化物M3C溶入奧氏體中,然后快速冷卻(水淬),可以在室溫下得到單相奧氏體組織。單相奧氏體組織的高錳鋼硬度并不高,但當(dāng)它受到劇烈沖擊或較大壓力時(shí),其表層將迅速硬化,從而形成高耐磨的表層,而心部仍具有良好的沖擊韌性?;谶@種特性,M13高錳鋼成為廣泛應(yīng)用的耐磨鋼。又如18-8型鎳鉻不銹鋼(1Cr-18Ni9、2Cr18Ni9等),其主要熱處理形式就是固溶處理。將其加熱到1050~1150℃保溫,然后水淬。室溫下得到單相奧氏體組織,使材料具有的耐蝕性,并且塑性高、成形性好。

   適用范圍

  多種特殊鋼,高溫合金,特殊性能合金,有色金屬。

  尤其適用:1.熱處理后須要再加工的零件。2.消除成形工序間的冷作硬化。3.焊接后工件。

  影響因素

  加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度是固溶處理應(yīng)當(dāng)控制的幾個(gè)主要參數(shù)。

  加熱溫度原則上可根據(jù)相應(yīng)的相圖來確定。上限溫度通常接近于固相線溫度或共晶溫度。在這樣高的溫度下合金具有的固溶度且擴(kuò)散速度快。但溫度不能過高,否則將導(dǎo)致低熔點(diǎn)共晶和晶界相熔化,即產(chǎn)生過燒現(xiàn)象,引起淬火開裂并降低韌性。加熱溫度應(yīng)高于固溶度曲線(圖示中的ab線),否則時(shí)效后性能達(dá)不到要求。不同的合金,允許的加熱溫度范圍可能相差很大。某些銅合金和合金鋼的加熱溫度范圍較寬,而大部分鋁合金的淬火加熱溫度范圍則很窄,有的甚至只有±5℃。

  保溫的目的是使合金組織充分轉(zhuǎn)變到淬火所需狀態(tài)。保溫時(shí)間主要取決于合金成分、材料的預(yù)先處理和原始組織以及加熱溫度等,同時(shí)也與裝爐量、工件厚度、加熱方式等因素有關(guān)。原始組織細(xì)、加熱溫度高、裝爐量少、工件斷面尺寸小,保溫時(shí)間就較短。

  固溶處理中一般采用快速冷卻。快冷的目的是抑制冷卻過程中第二相的析出,保證獲得溶質(zhì)原子和空位的過飽和度,以便時(shí)效后獲得的強(qiáng)度和的耐蝕性。水是廣泛應(yīng)用的有效的淬火介質(zhì),水中淬火所能達(dá)到的冷卻速度能夠滿足大多數(shù)鋁、鎂、銅、鎳和鐵基合金制品的要求。但是,水中淬火易使制件產(chǎn)生大的殘余應(yīng)力和變形。為克服這一缺點(diǎn),可將水溫適當(dāng)升高,或在油、空氣和某些特殊的有機(jī)介質(zhì)中淬火。也可采用一些特殊的淬火方法,如等溫淬火、分級淬火等。


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