沉淀硬化不銹鋼的強化主要是依靠第二相從基體組織中沉淀析出實現的。強化是依靠沉淀相(第二相質點)在基體中造成應力場,這個應力場又和運動位錯之間的交互作用的結果。有的究結果證明,沉淀相在組織中的體積比越大,強化效果越顯著;沉淀相質點的彌散度越大,強化效果越好。
沉(chen)淀硬(ying)化不(bu)銹鋼的基體組(zu)織有(you)所不(bu)同,但是(shi),依靠(kao)沉(chen)淀相(xiang)強化的作用是(shi)相(xiang)同的。
可見,沉(chen)淀硬(ying)化(hua)不(bu)銹鋼的熱(re)處理(li)主(zhu)要有兩個過程,即先獲(huo)取穩定的基體(ti)組織,再令第二相質(zhi)點沉(chen)淀析出。
就上述四個類型(xing)的沉淀硬化不(bu)銹鋼而言(yan),為達到強化的目的,處理的主(zhu)要過(guo)程可有如下幾種形式。
一、固溶處(chu)理
固溶處理(li)(li)也常稱A處理(li)(li)(Austenite Conditioning).這是(shi)對任何一(yi)種沉(chen)淀(dian)硬(ying)化不銹鋼都要經歷的(de)(de)(de)一(yi)個熱(re)處理(li)(li)過(guo)(guo)程。利用某些元素(su)(這里主要是(shi)作為(wei)沉(chen)淀(dian)相(xiang)析出(chu)的(de)(de)(de)元素(su))在(zai)高(gao)溫溶解(jie)(jie)度(du)大、低溫溶解(jie)(jie)度(du)小的(de)(de)(de)特點,通過(guo)(guo)高(gao)溫加熱(re),使可沉(chen)淀(dian)元素(su)充分(fen)地溶于基體組織中,保證(zheng)在(zai)以后的(de)(de)(de)冷卻過(guo)(guo)程中處于過(guo)(guo)飽和狀態,為(wei)下一(yi)步的(de)(de)(de)時效(xiao)過(guo)(guo)程中能大量地彌(mi)散(san)析出(chu)創造充分(fen)條件。
以(yi)銅(tong)為例,見圖5-1,銅(tong)在(zai)(zai)(zai)1096℃時(shi)在(zai)(zai)(zai)γ-Fe中(zhong)的(de)溶(rong)解度(du)約為8.2%,850℃時(shi)在(zai)(zai)(zai)γ-Fe中(zhong)的(de)最(zui)大溶(rong)解度(du)為3.1%,在(zai)(zai)(zai)α-Fe中(zhong)最(zui)大溶(rong)解度(du)為2.2%.而在(zai)(zai)(zai)室溫(wen)下(xia)在(zai)(zai)(zai)α-Fe中(zhong)的(de)溶(rong)解度(du)僅(jin)為0.2%左(zuo)右。由(you)此可見,含銅(tong)元素的(de)鋼自高(gao)溫(wen)快速冷卻到室溫(wen)后(hou),銅(tong)是呈過飽和狀態存在(zai)(zai)(zai)于基體中(zhong)的(de)。在(zai)(zai)(zai)一定條件(jian)下(xia)(如重(zhong)新(xin)加熱(re)到某(mou)一溫(wen)度(du)),銅(tong)將沉淀(dian)析出。

固(gu)溶(rong)處理(li)效果對材料熱(re)處理(li)后的最(zui)終結果的影響是重要的,所(suo)以(yi),固(gu)溶(rong)處理(li)的加熱(re)和(he)冷卻控(kong)制應予以(yi)注意(yi)。
固(gu)溶(rong)(rong)(rong)加熱(re)溫(wen)(wen)度(du)(du)不(bu)(bu)(bu)足(zu)或(huo)保溫(wen)(wen)時間不(bu)(bu)(bu)足(zu),合金元素不(bu)(bu)(bu)能(neng)較好(hao)地溶(rong)(rong)(rong)解(jie)于基(ji)體(ti)中(zhong)(zhong),沉(chen)淀(dian)(dian)強化(hua)(hua)元素在以后的(de)(de)時效(xiao)過(guo)程中(zhong)(zhong)的(de)(de)析出量不(bu)(bu)(bu)足(zu),將(jiang)影(ying)響強化(hua)(hua)效(xiao)果。其中(zhong)(zhong),對于馬(ma)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)和半奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)沉(chen)淀(dian)(dian)硬(ying)化(hua)(hua)不(bu)(bu)(bu)銹鋼(gang)來說,固(gu)溶(rong)(rong)(rong)加熱(re)不(bu)(bu)(bu)足(zu),還會(hui)(hui)影(ying)響基(ji)體(ti)強度(du)(du)。固(gu)溶(rong)(rong)(rong)加熱(re)溫(wen)(wen)度(du)(du)過(guo)高(gao)使(shi)鋼(gang)的(de)(de)晶粒變(bian)粗,使(shi)固(gu)溶(rong)(rong)(rong)處理后的(de)(de)組織粗大,影(ying)響性(xing)能(neng),特別是使(shi)沖擊韌性(xing)降低(di)。此外,對于馬(ma)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)和半奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)沉(chen)淀(dian)(dian)硬(ying)化(hua)(hua)不(bu)(bu)(bu)銹鋼(gang),還會(hui)(hui)因奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)化(hua)(hua)溫(wen)(wen)度(du)(du)高(gao),合金元素過(guo)量溶(rong)(rong)(rong)解(jie),提高(gao)了奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)的(de)(de)穩定性(xing),降低(di)了Ms點,會(hui)(hui)使(shi)鋼(gang)中(zhong)(zhong)產(chan)生過(guo)量的(de)(de)殘留奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(對于馬(ma)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)沉(chen)淀(dian)(dian)硬(ying)化(hua)(hua)不(bu)(bu)(bu)銹鋼(gang))或(huo)奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)的(de)(de)比例增大(對于半奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)沉(chen)淀(dian)(dian)硬(ying)化(hua)(hua)不(bu)(bu)(bu)銹鋼(gang)),同(tong)樣會(hui)(hui)影(ying)響最終的(de)(de)熱(re)處理效(xiao)果和性(xing)能(neng)。
固溶處理的(de)(de)冷卻,首先應保證足夠的(de)(de)冷卻速(su)度(du),使沉淀(dian)強(qiang)(qiang)化元(yuan)素充分固溶于基體中。如果(guo)冷卻太(tai)慢,會使沉淀(dian)強(qiang)(qiang)化元(yuan)素在固溶冷卻時就析出,這個過程(cheng)(cheng)的(de)(de)析出效(xiao)(xiao)果(guo)遠不及以后(hou)時效(xiao)(xiao)過程(cheng)(cheng)中的(de)(de)析出效(xiao)(xiao)果(guo)。固溶冷卻過程(cheng)(cheng)中的(de)(de)析出,會降低最終的(de)(de)沉淀(dian)強(qiang)(qiang)化效(xiao)(xiao)果(guo)。但是,太(tai)快(kuai)的(de)(de)固溶冷卻速(su)度(du)對馬(ma)氏(shi)體沉淀(dian)硬化不銹(xiu)鋼來(lai)說,會因馬(ma)氏(shi)體轉變應力(li)太(tai)大,有產生裂紋的(de)(de)可能性。
二、調整處理
調(diao)整處(chu)理也常(chang)稱T處(chu)理(Transformation treatment),有時(shi)也叫相變(bian)處(chu)理。
所謂調整處理,簡而言之,就是調整鋼的馬氏(shi)體(ti)轉變點Ms和Mf。這種方法主要用(yong)于(yu)半(ban)奧氏(shi)體(ti)沉(chen)淀硬化(hua)不銹鋼,有時也用(yong)于(yu)馬氏(shi)體(ti)沉(chen)淀硬化(hua)不銹鋼。
半奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)沉(chen)淀硬化(hua)(hua)不銹鋼的(de)(de)(de)馬(ma)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)轉(zhuan)變點(dian)較低(di)(di),固溶處(chu)理(li)后(hou)的(de)(de)(de)組(zu)(zu)織(zhi)基(ji)(ji)本(ben)上是(shi)奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)組(zu)(zu)織(zhi),基(ji)(ji)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)強(qiang)度較低(di)(di),在(zai)(zai)這種組(zu)(zu)織(zhi)條件下進(jin)行時(shi)效處(chu)理(li)的(de)(de)(de)強(qiang)化(hua)(hua)效果(guo)不好(hao)。為此,在(zai)(zai)固溶后(hou)應(ying)進(jin)行一次以提高馬(ma)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)點(dian)為目的(de)(de)(de)的(de)(de)(de)熱處(chu)理(li)。眾所(suo)周知,為提高馬(ma)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)點(dian),降低(di)(di)奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)(de)穩定性,重要的(de)(de)(de)手段之一是(shi)將鋼加熱到一定溫(wen)(wen)度并保溫(wen)(wen),使奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)中(zhong)的(de)(de)(de)碳和合金(jin)元(yuan)素析出,降低(di)(di)基(ji)(ji)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)中(zhong)合金(jin)的(de)(de)(de)濃度。這樣,在(zai)(zai)冷卻時(shi),由(you)于奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)穩定性降低(di)(di),馬(ma)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)轉(zhuan)變點(dian)提高,調整處(chu)理(li)冷卻后(hou)原奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)將轉(zhuan)變成馬(ma)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)。此時(shi),半奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)沉(chen)淀硬化(hua)(hua)不銹鋼的(de)(de)(de)基(ji)(ji)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)組(zu)(zu)織(zhi)基(ji)(ji)本(ben)上是(shi)馬(ma)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)。在(zai)(zai)此基(ji)(ji)礎上再進(jin)行時(shi)效處(chu)理(li),會獲得較好(hao)的(de)(de)(de)強(qiang)化(hua)(hua)效果(guo)。調整處(chu)理(li)對馬(ma)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)點(dian)的(de)(de)(de)提高作用見圖5-2。

圖5-2是半奧氏(shi)(shi)(shi)體沉淀(dian)硬化(hua)不銹鋼0Cr17Ni7Al加(jia)熱(re)溫度(du)對(dui)Ms點(dian)的(de)(de)影響(xiang)關系(xi)。有(you)資料報道,0Cr17Ni7Al 鋼加(jia)熱(re)到1038℃時(shi),Ms點(dian)約(yue)為-196℃;加(jia)熱(re)到945℃,M.點(dian)約(yue)為-73℃;加(jia)熱(re)到800℃時(shi),Ms點(dian)約(yue)為+90℃.這個結(jie)果(guo)足可說明(ming)用加(jia)熱(re)溫度(du)來(lai)調整半奧氏(shi)(shi)(shi)體沉淀(dian)硬化(hua)不銹鋼M.點(dian)溫度(du)的(de)(de)重要作用。隨(sui)著M,點(dian)的(de)(de)變(bian)(bian)化(hua),冷(leng)卻后組織中馬氏(shi)(shi)(shi)體與(yu)奧氏(shi)(shi)(shi)體的(de)(de)比(bi)例(li)也有(you)明(ming)顯變(bian)(bian)化(hua),見(jian)圖5-2的(de)(de)下半部(bu)分。
所以,半奧氏體(ti)沉淀硬(ying)化不(bu)銹鋼在固溶(rong)處理后再(zai)進(jin)行一次調整處理,可(ke)獲得(de)基(ji)(ji)本上以馬氏體(ti)為(wei)基(ji)(ji)體(ti)的(de)組織,再(zai)經時效處理,即可(ke)保(bao)證該種材料的(de)性(xing)能達到要求(qiu)。
半奧(ao)氏(shi)體沉淀硬化不銹鋼調(diao)(diao)整(zheng)處(chu)理(li)加熱溫度應根(gen)據(ju)預想的調(diao)(diao)整(zheng)處(chu)理(li)效(xiao)果來確定(見(jian)熱處(chu)理(li)工藝部分)。
三、冷變形處理
冷變形(xing)處理(li)也常稱C處理(li)(Cold Working)。
冷變形處(chu)理主要(yao)用于(yu)半奧氏體、奧氏體、奧氏體-鐵(tie)素體沉淀硬化不(bu)銹鋼。
冷變形處理就是將材料在固溶處理后進行一定程度的冷變形加工(如冷拉鋼絲、冷軋板等的加工成型),以促進奧氏體向馬氏體的轉變(參見本書第三章第三節奧氏體不銹鋼的冷加工強化及去應力處理部分)。通過冷變形,可使鋼中的奧氏體在Md點轉變成馬氏體。在材料成分一定的條件下,變形程度越大,奧氏體向馬氏體轉變的量越多,對基體的強化程度越大。
半奧氏(shi)(shi)體(ti)、奧氏(shi)(shi)體(ti)、奧氏(shi)(shi)體(ti)-鐵素(su)體(ti)型沉淀硬(ying)化(hua)不銹鋼,固溶處(chu)理(li)后進(jin)行(xing)一定程度的冷變形,在基體(ti)組(zu)織強化(hua)后再(zai)進(jin)行(xing)時效處(chu)理(li),可使材料獲得理(li)想(xiang)的性(xing)能和強化(hua)效果。
通過冷變(bian)形處(chu)理,材料塑性、韌(ren)性下(xia)降,強度(du)明顯提(ti)高(gao)。
四、冷處(chu)理
冷處理也常稱為R處理(Refrigeration treatment).
沉淀硬化不銹鋼的冷(leng)處(chu)理(li)也是為了促進奧氏體向(xiang)馬氏體特變。
將固溶處理或固溶處理一調整處理后的沉淀硬化不銹鋼再進行一次低于室溫(通常在-73℃左右)的冷處理,由于冷處理的溫度低于Ms點溫度,使原組織中較穩定的奧氏體向馬氏體轉變,所以,基體組織基本上是馬氏體,然后再進行時效處理,可以保證材料獲得優良的性能和強化效果。
五、時效處理
沉淀硬化(hua)不銹鋼的(de)(de)時效處(chu)理(li)(li)也(ye)常(chang)稱為H處(chu)理(li)(li)(Hardening treatment),有的(de)(de)也(ye)叫沉淀硬化(hua)處(chu)理(li)(li)或(huo)硬化(hua)處(chu)理(li)(li)。
時(shi)效處理是(shi)所有沉淀硬化(hua)(hua)不銹(xiu)鋼(gang)必須進行的處理程序,也是(shi)沉淀硬化(hua)(hua)不銹(xiu)鋼(gang)熱處理中最重要的處理程序。
時(shi)(shi)效(xiao)處理(li)的目的是使過飽(bao)和溶于基體中的沉(chen)淀硬化合金(jin)(jin)元素以(yi)極細的質(zhi)點形(xing)式析出,這種析出質(zhi)點可能(neng)(neng)是合金(jin)(jin)元素的質(zhi)點,也可能(neng)(neng)是金(jin)(jin)屬間化合物的質(zhi)點。這種析出質(zhi)點的形(xing)態與分布(bu)和時(shi)(shi)效(xiao)溫度及保溫時(shi)(shi)間有關。
以(yi)銅為例。銅過(guo)(guo)飽(bao)和(he)固(gu)(gu)溶(rong)(rong)于基體(ti)(ti)中(zhong)時(shi)(shi)(shi),當加熱到(dao)(dao)一定(ding)溫度,首先是(shi)過(guo)(guo)飽(bao)和(he)相(xiang)脫溶(rong)(rong),在析出(chu)銅顆(ke)粒(li)的(de)過(guo)(guo)程中(zhong),最(zui)初(chu)形(xing)式是(shi)富(fu)鋼(gang)的(de)偏聚區,是(shi)亞穩定(ding)相(xiang),與(yu)母體(ti)(ti)保持(chi)共(gong)格,當長(chang)大到(dao)(dao)一定(ding)程度時(shi)(shi)(shi),才能形(xing)成e-Cu沉淀(dian)顆(ke)粒(li)。這一理(li)論(lun)已經用試驗(yan)予(yu)以(yi)證實。如對含(han)1.12%銅的(de)高(gao)純鋼(gang)經850℃加熱后水冷的(de)固(gu)(gu)溶(rong)(rong)處(chu)理(li),在光學(xue)顯微(wei)鏡下(xia)只能觀察(cha)(cha)到(dao)(dao)多邊形(xing)鐵(tie)素體(ti)(ti)形(xing)態(tai),在鐵(tie)素體(ti)(ti)晶粒(li)內看(kan)不(bu)到(dao)(dao)任何析出(chu)物,說明(ming)這時(shi)(shi)(shi)的(de)鐵(tie)素體(ti)(ti)是(shi)含(han)銅的(de)過(guo)(guo)飽(bao)和(he)鐵(tie)素體(ti)(ti)。經550℃時(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)不(bu)同時(shi)(shi)(shi)間,其硬度會發生明(ming)顯變(bian)化,呈(cheng)升高(gao)趨勢,但是(shi)在光學(xue)顯微(wei)鏡下(xia)的(de)鐵(tie)素體(ti)(ti)組織卻未發生明(ming)顯變(bian)化,仍然觀察(cha)(cha)下(xia)到(dao)(dao)沉淀(dian)析出(chu)物,而在電子顯微(wei)鏡下(xia)以(yi)數十萬倍觀察(cha)(cha),才能發現只有(you)5~25mm的(de)“顆(ke)粒(li)”,并確認是(shi)銅原子偏聚區。進(jin)一步(bu)(bu)提高(gao)時(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)溫度,便(bian)可(ke)發現在鐵(tie)素體(ti)(ti)基體(ti)(ti)上(shang)有(you)較清晰的(de)顆(ke)粒(li)。更(geng)長(chang)時(shi)(shi)(shi)間的(de)時(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)則可(ke)發現E-Cu顆(ke)粒(li)。如果再進(jin)一步(bu)(bu)提高(gao)時(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)溫度和(he)延長(chang)保溫時(shi)(shi)(shi)間,原子擴(kuo)散更(geng)容(rong)易,顆(ke)粒(li)會進(jin)一步(bu)(bu)長(chang)大、粗化,反映在硬度上(shang)呈(cheng)下(xia)降趨勢,材料處(chu)于過(guo)(guo)時(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)狀(zhuang)態(tai)。可(ke)見(jian),沉淀(dian)硬化不(bu)銹(xiu)鋼(gang)的(de)時(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)效(xiao)(xiao)果與(yu)時(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)溫度和(he)保溫時(shi)(shi)(shi)間有(you)關(guan)。見(jian)圖5-3。

時效溫度(du)和時間(jian)的選(xuan)擇是(shi)依據對材料的強化目標確定的。時效溫度(du)對時效效果的影(ying)響比時效時間(jian)更(geng)明顯。
六、均(jun)勻化處理
沉淀硬化(hua)(hua)不(bu)銹鋼(gang)的均勻化(hua)(hua)處(chu)理主要用(yong)于鑄(zhu)件。作用(yong)是改善鑄(zhu)件成(cheng)分和組織的不(bu)均勻性(xing),細(xi)化(hua)(hua)晶(jing)粒,并使鑄(zhu)件凝固時(shi)形(xing)(xing)成(cheng)的多邊形(xing)(xing)鐵素體趨于球化(hua)(hua)。鑄(zhu)件經過(guo)均勻化(hua)(hua)處(chu)理,對以后的固溶效(xiao)果及最終時(shi)效(xiao)強化(hua)(hua)效(xiao)果有積極的作用(yong)。
均勻化處(chu)理溫度(du)一般選在(zai)1060~1150℃。
七、焊(han)后熱處理
沉淀硬化(hua)不(bu)銹鋼的(de)焊后(hou)熱(re)(re)處理(li)包含鑄件補焊后(hou)或結構件焊接后(hou)的(de)熱(re)(re)處理(li)。
焊(han)后熱處(chu)(chu)理(li)的(de)目的(de)和(he)(he)作(zuo)用依(yi)焊(han)接(jie)或(huo)鑄件補焊(han)前材(cai)料的(de)熱處(chu)(chu)理(li)狀(zhuang)態而(er)確定。焊(han)前材(cai)料未經(jing)過固溶(rong)處(chu)(chu)理(li),焊(han)后應進行固溶(rong)處(chu)(chu)理(li)和(he)(he)時效(xiao)處(chu)(chu)理(li),以保證母體(ti)及焊(han)縫(或(huo)補焊(han)處(chu)(chu))達到要求的(de)性(xing)能,如果焊(han)前材(cai)料經(jing)過了固溶(rong)處(chu)(chu)理(li)或(huo)固溶(rong)時效(xiao)處(chu)(chu)理(li),則焊(han)后可采用時效(xiao)處(chu)(chu)理(li)或(huo)略低于(yu)時效(xiao)溫度(du)的(de)去應力處(chu)(chu)理(li)。
上面介紹(shao)了沉淀硬(ying)化不銹鋼(gang)常見(jian)的幾種熱處理(li)方(fang)式(shi)(shi),實際上,應(ying)根據鋼(gang)的具體類(lei)型、制品特性等(deng)因素,采用(yong)不同組合方(fang)式(shi)(shi)。另外,沉淀硬(ying)化不銹鋼(gang)的熱處理(li)方(fang)式(shi)(shi),習慣上以(yi)(yi)英文字母表示(shi),在(zai)溫度(du)表示(shi)上常以(yi)(yi)℉(華(hua)氏(shi)度(du))或(huo)℃(攝(she)氏(shi)度(du))表示(shi),有(you)時(shi)需冷變(bian)形時(shi),對冷變(bian)形量(liang)也有(you)表示(shi)。舉(ju)例如下。
[例(li)1] A+H500(用℃表(biao)(biao)示時)或A+H930(用℉表(biao)(biao)示時)
即為固溶處(chu)理后(hou)再經500℃(930F)的時(shi)效處(chu)理。常(chang)用(yong)于馬氏體沉(chen)淀(dian)硬(ying)化(hua)不銹鋼。
[例2] A+TH500
即為固(gu)溶處理后經(jing)調整處理,再(zai)經(jing)500℃時(shi)效處理。常用于半奧氏(shi)體沉淀硬(ying)化(hua)不銹鋼。
[例3]A+C,H500
即為固溶處(chu)(chu)理后經50%冷變形,再經500℃時效處(chu)(chu)理。常用于奧氏體沉淀硬化不銹鋼。
[例4]A+T+RH500
即為固溶處(chu)理后(hou)經調(diao)整處(chu)理,-70℃的冷(leng)處(chu)理和500℃的時(shi)效處(chu)理。常(chang)用于奧氏體沉淀硬(ying)化(hua)不銹鋼(gang)。


 
		