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。
沉淀硬化(hua)不銹鋼的(de)基(ji)體(ti)組(zu)織有(you)所(suo)不同(tong),但是,依(yi)靠沉淀相(xiang)強化(hua)的(de)作(zuo)用是相(xiang)同(tong)的(de)。
可見,沉淀(dian)硬化不銹鋼的(de)熱處理主(zhu)要有兩個過程,即先獲(huo)取(qu)穩定的(de)基體組織,再令(ling)第二相質點沉淀(dian)析出。
就上(shang)述四個類型的沉淀硬化不(bu)銹鋼而言,為達到強化的目的,處(chu)理的主要過(guo)程可有如下幾(ji)種形式。
一、固溶處理
固溶(rong)(rong)處(chu)(chu)(chu)理也常(chang)稱A處(chu)(chu)(chu)理(Austenite Conditioning).這(zhe)是對任何一(yi)種沉(chen)(chen)淀(dian)硬化(hua)不銹鋼都要經歷(li)的(de)一(yi)個熱(re)處(chu)(chu)(chu)理過(guo)程(cheng)。利用某些元(yuan)素(su)(這(zhe)里主要是作為沉(chen)(chen)淀(dian)相析出的(de)元(yuan)素(su))在高溫(wen)溶(rong)(rong)解(jie)度大、低溫(wen)溶(rong)(rong)解(jie)度小(xiao)的(de)特點,通過(guo)高溫(wen)加熱(re),使可(ke)沉(chen)(chen)淀(dian)元(yuan)素(su)充分(fen)地溶(rong)(rong)于基體組織中(zhong)(zhong),保(bao)證(zheng)在以后的(de)冷卻過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)處(chu)(chu)(chu)于過(guo)飽和狀(zhuang)態(tai),為下一(yi)步的(de)時(shi)效過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)能大量地彌散(san)析出創造充分(fen)條件。
以銅為(wei)例,見圖5-1,銅在(zai)1096℃時在(zai)γ-Fe中(zhong)的溶解度(du)(du)(du)約為(wei)8.2%,850℃時在(zai)γ-Fe中(zhong)的最大溶解度(du)(du)(du)為(wei)3.1%,在(zai)α-Fe中(zhong)最大溶解度(du)(du)(du)為(wei)2.2%.而在(zai)室溫(wen)(wen)下(xia)在(zai)α-Fe中(zhong)的溶解度(du)(du)(du)僅為(wei)0.2%左右。由此(ci)可見,含銅元素的鋼(gang)自高溫(wen)(wen)快速冷(leng)卻(que)到室溫(wen)(wen)后,銅是呈過飽和狀態存在(zai)于(yu)基體中(zhong)的。在(zai)一定條件(jian)下(xia)(如重新(xin)加熱到某一溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)),銅將沉淀(dian)析出。
固溶(rong)處(chu)理效果(guo)對材料熱處(chu)理后的(de)最終結果(guo)的(de)影響是重要的(de),所(suo)以(yi),固溶(rong)處(chu)理的(de)加熱和冷卻控制應(ying)予以(yi)注意。
固(gu)溶(rong)(rong)加(jia)熱溫(wen)度(du)(du)不(bu)足或保(bao)溫(wen)時間不(bu)足,合金(jin)元(yuan)(yuan)素不(bu)能較好地溶(rong)(rong)解于基體(ti)(ti)中,沉(chen)淀(dian)強化(hua)(hua)(hua)元(yuan)(yuan)素在(zai)以(yi)后(hou)的時效(xiao)過(guo)程中的析出量不(bu)足,將影(ying)響(xiang)強化(hua)(hua)(hua)效(xiao)果。其(qi)中,對于馬氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)和(he)(he)半(ban)(ban)奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)沉(chen)淀(dian)硬(ying)化(hua)(hua)(hua)不(bu)銹鋼來說,固(gu)溶(rong)(rong)加(jia)熱不(bu)足,還(huan)(huan)會影(ying)響(xiang)基體(ti)(ti)強度(du)(du)。固(gu)溶(rong)(rong)加(jia)熱溫(wen)度(du)(du)過(guo)高(gao)使(shi)鋼的晶粒變粗,使(shi)固(gu)溶(rong)(rong)處理后(hou)的組織(zhi)粗大(da),影(ying)響(xiang)性(xing)能,特別是使(shi)沖(chong)擊韌(ren)性(xing)降(jiang)低(di)。此(ci)外,對于馬氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)和(he)(he)半(ban)(ban)奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)沉(chen)淀(dian)硬(ying)化(hua)(hua)(hua)不(bu)銹鋼,還(huan)(huan)會因奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)化(hua)(hua)(hua)溫(wen)度(du)(du)高(gao),合金(jin)元(yuan)(yuan)素過(guo)量溶(rong)(rong)解,提高(gao)了奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)的穩定(ding)性(xing),降(jiang)低(di)了Ms點,會使(shi)鋼中產生過(guo)量的殘留奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)(對于馬氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)沉(chen)淀(dian)硬(ying)化(hua)(hua)(hua)不(bu)銹鋼)或奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)的比例增大(da)(對于半(ban)(ban)奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)(shi)體(ti)(ti)沉(chen)淀(dian)硬(ying)化(hua)(hua)(hua)不(bu)銹鋼),同(tong)樣會影(ying)響(xiang)最終(zhong)的熱處理效(xiao)果和(he)(he)性(xing)能。
固(gu)(gu)(gu)溶(rong)處理(li)的冷(leng)卻(que),首先應(ying)保證足夠的冷(leng)卻(que)速(su)度,使沉淀(dian)(dian)(dian)強(qiang)化(hua)元素充分固(gu)(gu)(gu)溶(rong)于(yu)基體(ti)中(zhong)(zhong)。如果冷(leng)卻(que)太慢,會(hui)使沉淀(dian)(dian)(dian)強(qiang)化(hua)元素在(zai)固(gu)(gu)(gu)溶(rong)冷(leng)卻(que)時就析出(chu),這個(ge)過程的析出(chu)效果遠(yuan)不(bu)及以后(hou)時效過程中(zhong)(zhong)的析出(chu)效果。固(gu)(gu)(gu)溶(rong)冷(leng)卻(que)過程中(zhong)(zhong)的析出(chu),會(hui)降低最終的沉淀(dian)(dian)(dian)強(qiang)化(hua)效果。但是(shi),太快(kuai)的固(gu)(gu)(gu)溶(rong)冷(leng)卻(que)速(su)度對馬氏體(ti)沉淀(dian)(dian)(dian)硬化(hua)不(bu)銹鋼來(lai)說,會(hui)因馬氏體(ti)轉變應(ying)力太大,有產生裂紋的可(ke)能性。
二、調整處(chu)理
調整處(chu)理也(ye)常稱T處(chu)理(Transformation treatment),有時也(ye)叫相變處(chu)理。
所謂調整(zheng)處理,簡而言之,就是調整(zheng)鋼的(de)馬(ma)氏(shi)體轉變點(dian)Ms和Mf。這種方(fang)法主要用(yong)于半奧(ao)氏(shi)體沉(chen)淀硬化不銹(xiu)鋼,有時也用(yong)于馬(ma)氏(shi)體沉(chen)淀硬化不銹(xiu)鋼。
半(ban)奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)沉淀(dian)硬化不(bu)(bu)銹鋼的(de)(de)馬氏(shi)(shi)(shi)體(ti)轉變(bian)點(dian)較(jiao)低,固(gu)溶(rong)處(chu)(chu)理(li)(li)后的(de)(de)組(zu)(zu)(zu)織基(ji)本(ben)上是奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)組(zu)(zu)(zu)織,基(ji)體(ti)強度(du)較(jiao)低,在這(zhe)種組(zu)(zu)(zu)織條件下進(jin)(jin)行時效(xiao)處(chu)(chu)理(li)(li)的(de)(de)強化效(xiao)果(guo)不(bu)(bu)好。為(wei)此,在固(gu)溶(rong)后應進(jin)(jin)行一(yi)(yi)次以提(ti)高(gao)(gao)馬氏(shi)(shi)(shi)體(ti)點(dian)為(wei)目的(de)(de)的(de)(de)熱處(chu)(chu)理(li)(li)。眾(zhong)所(suo)周知,為(wei)提(ti)高(gao)(gao)馬氏(shi)(shi)(shi)體(ti)點(dian),降(jiang)低奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)的(de)(de)穩定(ding)性,重要的(de)(de)手段之(zhi)一(yi)(yi)是將鋼加熱到一(yi)(yi)定(ding)溫度(du)并保(bao)溫,使奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)中(zhong)(zhong)的(de)(de)碳和合金元素(su)析(xi)出,降(jiang)低基(ji)體(ti)中(zhong)(zhong)合金的(de)(de)濃度(du)。這(zhe)樣(yang),在冷卻時,由于(yu)奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)穩定(ding)性降(jiang)低,馬氏(shi)(shi)(shi)體(ti)轉變(bian)點(dian)提(ti)高(gao)(gao),調整(zheng)處(chu)(chu)理(li)(li)冷卻后原奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)將轉變(bian)成(cheng)馬氏(shi)(shi)(shi)體(ti)。此時,半(ban)奧(ao)氏(shi)(shi)(shi)體(ti)沉淀(dian)硬化不(bu)(bu)銹鋼的(de)(de)基(ji)體(ti)組(zu)(zu)(zu)織基(ji)本(ben)上是馬氏(shi)(shi)(shi)體(ti)。在此基(ji)礎上再進(jin)(jin)行時效(xiao)處(chu)(chu)理(li)(li),會獲得較(jiao)好的(de)(de)強化效(xiao)果(guo)。調整(zheng)處(chu)(chu)理(li)(li)對馬氏(shi)(shi)(shi)體(ti)點(dian)的(de)(de)提(ti)高(gao)(gao)作用見(jian)圖(tu)5-2。
圖5-2是(shi)半奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)沉淀(dian)硬化不銹鋼0Cr17Ni7Al加熱(re)溫度對Ms點(dian)(dian)的(de)影響關(guan)系。有資料報道,0Cr17Ni7Al 鋼加熱(re)到(dao)1038℃時(shi),Ms點(dian)(dian)約為(wei)-196℃;加熱(re)到(dao)945℃,M.點(dian)(dian)約為(wei)-73℃;加熱(re)到(dao)800℃時(shi),Ms點(dian)(dian)約為(wei)+90℃.這(zhe)個(ge)結果足可說明用(yong)(yong)加熱(re)溫度來調(diao)整半奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)沉淀(dian)硬化不銹鋼M.點(dian)(dian)溫度的(de)重要作用(yong)(yong)。隨著M,點(dian)(dian)的(de)變化,冷卻后(hou)組(zu)織中(zhong)馬氏(shi)體(ti)(ti)與奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti)的(de)比例也有明顯變化,見圖5-2的(de)下半部(bu)分。
所以(yi),半奧氏(shi)體(ti)沉淀硬化不銹鋼在固溶處(chu)理后再進行(xing)一(yi)次調(diao)整處(chu)理,可獲得基本上以(yi)馬氏(shi)體(ti)為基體(ti)的(de)組(zu)織,再經時效處(chu)理,即可保證該(gai)種材料的(de)性能達到(dao)要求。
半奧氏體沉淀硬化不銹鋼調(diao)整(zheng)處(chu)理加熱溫(wen)度應(ying)根據預想(xiang)的調(diao)整(zheng)處(chu)理效(xiao)果來確定(ding)(見熱處(chu)理工(gong)藝(yi)部(bu)分)。
三、冷變形處理
冷變形處理(li)也常稱C處理(li)(Cold Working)。
冷變形處理(li)主要用于半(ban)奧(ao)(ao)氏體(ti)、奧(ao)(ao)氏體(ti)、奧(ao)(ao)氏體(ti)-鐵素體(ti)沉淀硬化不銹鋼(gang)。
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(ao)氏(shi)體(ti)、奧(ao)氏(shi)體(ti)、奧(ao)氏(shi)體(ti)-鐵素(su)體(ti)型(xing)沉淀硬化(hua)(hua)不銹鋼,固溶(rong)處理后進行(xing)一(yi)定(ding)程度的冷變(bian)形,在基體(ti)組織強化(hua)(hua)后再進行(xing)時效(xiao)處理,可(ke)使材料獲(huo)得理想的性(xing)能和強化(hua)(hua)效(xiao)果。
通過冷變形處(chu)理,材料塑性(xing)、韌性(xing)下(xia)降,強度明顯提(ti)高。
四、冷處(chu)理
冷處(chu)理也(ye)常稱為R處(chu)理(Refrigeration treatment).
沉淀硬化不銹鋼的冷處理(li)也是為了(le)促進奧(ao)氏(shi)體(ti)向馬氏(shi)體(ti)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(ying)(ying)化(hua)(hua)不銹(xiu)鋼(gang)的(de)(de)時效處理也常(chang)稱為H處理(Hardening treatment),有的(de)(de)也叫沉淀硬(ying)(ying)化(hua)(hua)處理或硬(ying)(ying)化(hua)(hua)處理。
時效(xiao)處理(li)是所有沉(chen)淀(dian)硬化(hua)不(bu)銹鋼必(bi)須進行(xing)的處理(li)程序,也是沉(chen)淀(dian)硬化(hua)不(bu)銹鋼熱(re)處理(li)中最重(zhong)要的處理(li)程序。
時效(xiao)處(chu)理的(de)(de)目的(de)(de)是(shi)使過(guo)飽和溶于基體中(zhong)的(de)(de)沉淀硬化(hua)合金元(yuan)素以極細的(de)(de)質(zhi)點(dian)形(xing)式析(xi)出(chu),這種析(xi)出(chu)質(zhi)點(dian)可能(neng)(neng)是(shi)合金元(yuan)素的(de)(de)質(zhi)點(dian),也可能(neng)(neng)是(shi)金屬(shu)間(jian)化(hua)合物的(de)(de)質(zhi)點(dian)。這種析(xi)出(chu)質(zhi)點(dian)的(de)(de)形(xing)態與分(fen)布和時效(xiao)溫(wen)度及保(bao)溫(wen)時間(jian)有關。
以銅為例。銅過(guo)飽(bao)和固(gu)溶于基(ji)體(ti)中時(shi)(shi)(shi),當加熱到(dao)一定溫(wen)度(du),首先是(shi)過(guo)飽(bao)和相(xiang)脫(tuo)溶,在析(xi)出(chu)(chu)銅顆粒(li)的(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)程中,最初形式是(shi)富鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)偏聚區(qu)(qu),是(shi)亞穩定相(xiang),與母體(ti)保持共(gong)格,當長(chang)大到(dao)一定程度(du)時(shi)(shi)(shi),才(cai)能形成e-Cu沉(chen)淀(dian)顆粒(li)。這一理論已經用(yong)試驗予以證實。如(ru)對含1.12%銅的(de)(de)(de)(de)(de)高純(chun)鋼(gang)經850℃加熱后水(shui)冷(leng)的(de)(de)(de)(de)(de)固(gu)溶處(chu)理,在光(guang)學顯微鏡(jing)下(xia)只能觀察到(dao)多邊形鐵(tie)(tie)素體(ti)形態,在鐵(tie)(tie)素體(ti)晶粒(li)內看不到(dao)任何析(xi)出(chu)(chu)物(wu),說(shuo)明(ming)這時(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)(tie)素體(ti)是(shi)含銅的(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)飽(bao)和鐵(tie)(tie)素體(ti)。經550℃時(shi)(shi)(shi)效(xiao)不同時(shi)(shi)(shi)間(jian),其硬度(du)會(hui)發生明(ming)顯變化,呈升高趨(qu)勢,但(dan)是(shi)在光(guang)學顯微鏡(jing)下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)(tie)素體(ti)組織卻未發生明(ming)顯變化,仍然(ran)觀察下(xia)到(dao)沉(chen)淀(dian)析(xi)出(chu)(chu)物(wu),而在電子(zi)(zi)顯微鏡(jing)下(xia)以數十(shi)萬倍觀察,才(cai)能發現只有5~25mm的(de)(de)(de)(de)(de)“顆粒(li)”,并確認是(shi)銅原(yuan)子(zi)(zi)偏聚區(qu)(qu)。進一步提高時(shi)(shi)(shi)效(xiao)溫(wen)度(du),便(bian)可發現在鐵(tie)(tie)素體(ti)基(ji)體(ti)上有較清晰的(de)(de)(de)(de)(de)顆粒(li)。更長(chang)時(shi)(shi)(shi)間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)(shi)效(xiao)則可發現E-Cu顆粒(li)。如(ru)果再進一步提高時(shi)(shi)(shi)效(xiao)溫(wen)度(du)和延長(chang)保溫(wen)時(shi)(shi)(shi)間(jian),原(yuan)子(zi)(zi)擴散更容易,顆粒(li)會(hui)進一步長(chang)大、粗化,反(fan)映(ying)在硬度(du)上呈下(xia)降趨(qu)勢,材料處(chu)于過(guo)時(shi)(shi)(shi)效(xiao)狀態。可見,沉(chen)淀(dian)硬化不銹鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)(shi)效(xiao)效(xiao)果與時(shi)(shi)(shi)效(xiao)溫(wen)度(du)和保溫(wen)時(shi)(shi)(shi)間(jian)有關。見圖5-3。
時效溫度(du)和時間的(de)(de)選擇是(shi)依(yi)據對材料(liao)的(de)(de)強化目標(biao)確定的(de)(de)。時效溫度(du)對時效效果(guo)的(de)(de)影響比時效時間更明顯。
六、均勻化處理
沉淀硬(ying)化不銹鋼的均勻化處理主(zhu)要用(yong)(yong)于(yu)鑄(zhu)件(jian)。作用(yong)(yong)是改善鑄(zhu)件(jian)成(cheng)分和組織的不均勻性,細化晶粒,并使鑄(zhu)件(jian)凝固(gu)時(shi)形成(cheng)的多邊形鐵(tie)素(su)體(ti)趨(qu)于(yu)球(qiu)化。鑄(zhu)件(jian)經過均勻化處理,對以后的固(gu)溶效(xiao)果(guo)及最終(zhong)時(shi)效(xiao)強化效(xiao)果(guo)有(you)積極的作用(yong)(yong)。
均(jun)勻化處理溫度(du)一般選(xuan)在1060~1150℃。
七、焊后熱(re)處理(li)
沉淀硬化不(bu)銹鋼的焊(han)后(hou)(hou)熱(re)處理包含(han)鑄件(jian)補焊(han)后(hou)(hou)或(huo)結構(gou)件(jian)焊(han)接后(hou)(hou)的熱(re)處理。
焊(han)后(hou)熱(re)處(chu)理(li)的(de)目(mu)的(de)和作用依焊(han)接或鑄件補(bu)焊(han)前材料(liao)的(de)熱(re)處(chu)理(li)狀態(tai)而確定。焊(han)前材料(liao)未經過固溶處(chu)理(li),焊(han)后(hou)應進行固溶處(chu)理(li)和時(shi)效處(chu)理(li),以保證母(mu)體及(ji)焊(han)縫(或補(bu)焊(han)處(chu))達(da)到要求的(de)性能,如果焊(han)前材料(liao)經過了固溶處(chu)理(li)或固溶時(shi)效處(chu)理(li),則焊(han)后(hou)可采用時(shi)效處(chu)理(li)或略(lve)低于時(shi)效溫(wen)度的(de)去應力處(chu)理(li)。
上面(mian)介(jie)紹(shao)了沉(chen)淀硬化(hua)不(bu)銹鋼(gang)常(chang)見(jian)的(de)幾種熱處(chu)(chu)理方(fang)式,實際(ji)上,應(ying)根據鋼(gang)的(de)具體類型、制品特性等因素(su),采用(yong)不(bu)同組合(he)方(fang)式。另外,沉(chen)淀硬化(hua)不(bu)銹鋼(gang)的(de)熱處(chu)(chu)理方(fang)式,習慣(guan)上以英文(wen)字母表(biao)(biao)示(shi)(shi),在溫度(du)表(biao)(biao)示(shi)(shi)上常(chang)以℉(華氏度(du))或℃(攝氏度(du))表(biao)(biao)示(shi)(shi),有(you)時需冷變(bian)形時,對冷變(bian)形量也有(you)表(biao)(biao)示(shi)(shi)。舉例(li)如下。
[例1] A+H500(用℃表示(shi)時)或A+H930(用℉表示(shi)時)
即為固溶(rong)處理(li)后(hou)再經(jing)500℃(930F)的時效處理(li)。常用(yong)于馬氏體沉(chen)淀(dian)硬化(hua)不銹鋼。
[例2] A+TH500
即為固溶處(chu)理后經(jing)調整(zheng)處(chu)理,再(zai)經(jing)500℃時(shi)效處(chu)理。常用于半奧(ao)氏體沉淀硬(ying)化(hua)不(bu)銹鋼。
[例3]A+C,H500
即為固(gu)溶處(chu)理(li)后經(jing)50%冷變形(xing),再經(jing)500℃時效(xiao)處(chu)理(li)。常用(yong)于(yu)奧氏體沉淀硬(ying)化不(bu)銹鋼。
[例4]A+T+RH500
即為固溶處理(li)(li)后經調整處理(li)(li),-70℃的冷(leng)處理(li)(li)和500℃的時效處理(li)(li)。常用于(yu)奧氏體沉淀硬化不(bu)銹(xiu)鋼(gang)。