一种临界固溶和临界降温时效与退火复合热处理方法技术

本发明专利技术提供一种临界固溶和临界降温时效与退火复合热处理方法。所述方法包括：临界固溶热处理过程以及临界降温时效与退火复合热处理过程。本发明专利技术的方案可解决了现有奥氏体不锈钢热处理“质量稳定性差、合格品率低、硬度偏低、力学性能低与一致性差、抗变色锈蚀能力差、加热时间长、效率低、热处理设备加热可靠性差与高温元器件使用寿命低以及成本高”等“一长一高四差五低”。。。

【技术实现步骤摘要】
一种临界固溶和临界降温时效与退火复合热处理方法


[0001]本专利技术涉及材料热处理
，特别是指一种临界固溶和临界降温时效与退火复合热处理方法。

技术介绍

[0002]奥氏体不锈钢与合金结构钢的热处理原理截然不同：合金结构钢在高温条件下能发生高温奥氏体组织转变(热处理工艺性好)，因此，合金结构钢极易通过淬火和回火热处理方法大幅度提高硬度(或力学性能)；而奥氏体不锈钢在高温条件下不能发生高温奥氏体组织转变(只能有限溶解与析出合金元素强化相，热处理工艺性差)，因此，奥氏体不锈钢极难通过固溶和时效与退火等热处理方法大幅度提高硬度(或力学性能)。
[0003]固溶热处理的含义是：将奥氏体不锈钢加热至一定温度保持、使过剩相充分溶解、然后快速冷却以获得过饱和固溶体的热处理工艺，最主要作用是获得过饱和强化固溶体、为沉淀硬化处理做好组织准备、消除应力和成形工序间加工硬化；时效热处理的含义是：在奥氏体不锈钢经过固溶处理后再在室温或高于室温的温度保持、以使过饱和固溶体中形成溶质原子偏聚区和(或)第二相粒子析出弥散分布过剩相析出的热处理工艺，最主要作用是使奥氏体不锈钢沉淀硬化；退火热处理的含义是：在奥氏体不锈钢固溶或时效处理过程前、过程中或过程后将其加热至适当温度、保持一定温度、然后缓慢冷却的热处理工艺，最主要作用是去除奥氏体不锈钢残余冷热加工应力。
[0004]奥氏体不锈钢主要强化相是合金元素碳化物，弱化相是金属间化合物(如Fe2W、Fe2Mo、CuO、FeS、FeO和MnS等)；因固溶和时效与退火热处理方法不同即使是同一材料的强化相与弱化相类型、数量、大小、形状、分布、熔点、脆性及硬度等也而不同，奥氏体不锈钢合金元素越多其差异性越大。
[0005]镍、铬、钨、钼、钒、钛、铝、铌等合金元素所形成的碳化物在奥氏体不锈钢中相对稳定性由高到低排列顺序是：Hf＞Zr＞Ti＞Ta＞Nb＞V＞W＞Mo＞Cr＞Mn＞Fe＞Co＞Ni，因此，在奥氏体不锈钢中溶解上述合金元素可形成有限溶解的(Fe，Cr)3C、(Fe，Cr)7C3、(W，Mo)6C和(Fe，Cr，Ni，Mn，W，Mo)
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C6等合金渗碳体以及完全互溶的Mn3C、Fe3C、(Fe，Mn)3C、VC、Ta、NbC、(V，Ta，Nb)C、Mo2C、W2C、Fe3W3C、Fe3Mo3C、Fe3(W，Mo)3C等合金渗碳体；当固溶温度≥1000℃和≥1050℃时，多数碳化物相才分别基本溶解和完全溶解(相应也会影响时效过程)；因现有传统主流奥氏体不锈钢固溶加热温度为最高理论固溶温度，既不能快速避开700℃～815℃(敏化晶间腐蚀临界温度区)、940℃(FeS
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FeO共晶体熔点与溶解遗传临界温度区)、985℃(Fe
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FeS共晶体熔点与溶解遗传临界温度区)、1083℃(弱化相铜合金溶解的临界温度区)、1164℃(FeS
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MnS共晶体熔点与溶解遗传临界温度区)等不利临界温度区间，因此不能有效提高碳化物强化相固溶能力、范围、质量与效率等。事实上，奥氏体不锈钢固溶温度不是一个简单不变的单点温度数值，而是一个复杂多变的多点温度区间范围；现有传统主流固溶热处理方法优点是：能够有效提高奥氏体不锈钢中一种或少数合金元素强化相固溶能力、范围、质量与效率等；现有传统主流固溶热处理方法缺点是：不能有效提高绝大多数合
金元素强化相的固溶能力、范围、质量与效率等，即使是增大固溶时间也是收效甚微(当时间达到一定程度以后其一种或少数合金元素固溶强化相固溶能力、范围、质量与效率等则会达到极限饱和状态)，合金元素强化相只能达到有限的固溶能力、范围、质量与效率等。因此，现有传统主流奥氏体不锈钢固溶热处理方法其实质是一种加热温度与时间为唯一条件下的一阶段单点固定式有限固溶热处理方法，是一种“以偏概全”非“统筹兼顾”的热处理方法。
[0006]奥氏体不锈钢时效热处理温度因其抗锈蚀腐蚀能力、抗高温强度、硬度高低、力学性能高低等使用要求不同而不同：如在低于500℃时主要析出极小量粒度较大的针棒状碳化物，在550℃～740℃时主要析出(Fe，Cr，Ni，Mn，W，Mo)
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C6等复合合金碳化物，在625℃～670℃时主要析出(Fe，Cr，Ni，Mn，W，Mo)
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C6等复合合金碳化物而较均匀地分布在晶体中，在700℃左右时碳化物开始出现剧集长大现象，在800℃左右时主要析出(Fe，Cr，Ni，Mn，W，Mo)7C6等复合合金碳化物，在880℃左右时主要析出少量(Fe，Cr，Ni，Mn，W，Mo)C复合合金碳化物，在高于900℃时会增大析出层状碳化物析出量而影响金属硬度和力学性能；因现有传统主流奥氏体不锈钢时效加热温度为时效最高理论温度，因此不能有效提高时效析出碳化物强化相的能力、范围、质量与效率等。事实上，奥氏体不锈钢时效温度不是一个简单不变的单点温度数值，而是一个复杂多变的多点温度区间范围；现有传统主流时效热处理方法优点是：能够有效提高奥氏体不锈钢中一种或少数合金元素强化相的时效析出能力、范围、质量与效率等；现有时效热处理方法缺点是：不能有效提高绝大多数合金元素强化相的时效析出能力、范围、质量与效率等，即使是增大时效时间也是收效甚微(当时间达到一定程度以后，该一种或少数合金元素强化相时效能力、范围、质量与效率等则会达到极限饱和状态)，合金元素强化相只能达到有限的时效析出能力、范围、质量与效率等。因此，现有传统主流奥氏体不锈钢时效热处理方法其实质是一种加热温度与时间为唯一条件下的一阶段单点固定式有限时效热处理方法，是一种“以偏概全”非“统筹兼顾”的热处理方法。
[0007]现有传统主流奥氏体不锈钢退火热处理方法分为高温退火方法、中温退火方法和低温退火方法。现有高温退火方法优点是：去除残余冷热加工应力效果好；现有高温退火方法缺点是：奥氏体不锈钢变形量大、加热时间较长、新产生固溶与时效负面效应(尤其是影响奥氏体不锈钢固溶以后的强化相类型、数量、大小、形状、分布、熔点、脆性及硬度等)以及不能解决需设置独立工序和不适宜作为最终工序(只适宜作为固溶以后时效以前的中间工序、或适宜作为不需要进行固溶与时效热处理的工序)等难题；现有中温退火方法优点是：去除残余冷热加工应力效果较好；现有中温退火方法缺点是：奥氏体不锈钢变形量较大、加热时间较长、新产生时效负面效应(尤其是影响奥氏体不锈钢固溶和时效以后的强化相类型、数量、大小、形状、分布、熔点、脆性及硬度等)以及不能解决需设置独立工序和不适宜作为最终工序(只适宜作为固溶以后时效以前的中间工序、或适宜作为不需要进行固溶与时效热处理的独立独立工序)等难题；现有低温退火方法优点是：奥氏体不锈钢变形量极小、不新产生固溶或时效负面效应(尤其是不影响奥氏体不锈钢固溶和时效以后的强化相类型、数量、大小、形状、分布、熔点、脆性及硬度等)也适宜作为任何中间工序和最终工序；现有低温退火方法缺点是：去除残余冷热加工应力效果不及高温退火方法和中温退火方法以及不能解决需设置独立工序和加热时间较长等难题。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种临界固溶和临界降温时效与退火复合热处理方法，其特征在于，所述方法包括：进行临界固溶热处理过程，所述临界固溶热处理过程包括：首先在规定时间内在加热炉中将奥氏体不锈钢由室温中速升温到预热化温度时所进行的固溶前临界预热化加热与保温、其次再继续将奥氏体不锈钢快速升温到稳定化温度时所进行的固溶前临界稳定化加热与保温、再次再继续将奥氏体不锈钢快速升温到充分固溶最低温度时所进行的临界充分固溶最低温度加热与保温、然后再继续将奥氏体不锈钢快速升温到固溶最高温度时所进行的临界固溶最高温度加热与保温、最后再继续将奥氏体不锈钢采用特定冷却方式快速降温冷却到临界降温时效最高温度时所进行的固溶冷却；在临界固溶热处理过程结束以后继续进行临界降温时效与退火复合热处理，所述临界降温时效与退火复合热处理过程包括：首先在规定时间内将奥氏体不锈钢在加热炉中在时效最高温度时所进行的临界降温时效最高温度加热与保温、其次再继续将奥氏体不锈钢快速降温到时效中间温度时所进行的临界降温时效中间温度加热与保温、再次再继续将奥氏体不锈钢快速降温到最终时效最低温度时所进行的临界降温时效最低温度加热与保温、最后再继续将奥氏体不锈钢采用特定冷却方式快速降温冷却到临界退火温度时所进行的冷却；在临界降温时效热处理结束以后最后再继续进行临界低温退火热处理，依靠临界退火热处理工艺：包括首先在规定时间内在加热炉中将奥氏体不锈钢在退火温度时所进行的临界加热与保温、最后再继续将奥氏体不锈钢采用特定冷却方式快速降温冷却所进行的冷却。2.根据权利要求1所述的临界固溶和临界降温时效与退火复合热处理方法，其特征在于，4阶段临界固溶温度区间是指：从由室温升温到固溶前预热化温度Tscp阶段开始、继续升温到固溶前稳定化温度Tscs阶段、再继续升温到固溶最低温度Tscmin阶段、最后升温到固溶最高温度Tscmax阶段结束的4阶段临界固溶升温加热温度区间。3.根据权利要求1所述的临界固溶和临界降温时效与退火复合热处理方法，其特征在于，临界固溶最高加热温度Tscmax与固溶最高理论加热温度Tsctmax和FeS
‑
MnS共晶体溶解临界温度的数学关系式为：Tscmax≤Tsctmax≤1164℃
–
(12～14)℃式中Tscmax为临界固溶最高加热温度，℃，也为临界固溶第四阶段的加热温度；Tsctmax为临界固溶最高理论加热温度，℃；1164℃为FeS
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MnS共晶体溶解临界温度，℃。4.根据权利要求1所述的临界固溶和临界降温时效与退火复合热处理方法，其特征在于，临界固溶热处理工艺过程为：第一阶段：将奥氏体不锈钢在加热炉中在工艺规定的时间τ
sc1
内由室温中速升温到临界预热化温度Tscp进行固溶前临界预热化加热与保温；第二阶段：再继续将奥氏体不锈钢在加热炉中在工艺规定的时间τ
sc2
内由临界预热化温度Tscp快速升温到临界稳定化温度Tscs进行固溶前临界稳定化加热与保温；第三阶段：再继续将奥氏体不锈钢在加热炉中在工艺规定的时间τ
sc3
内由临界稳定化温度Tscs快速升温到临界固溶最低温度Tscmin进行临界固溶最低温度加热与保温；第四阶段：再继续将奥氏体不锈钢在加热炉中在工艺规定的时间τ
sc4
内由临界固溶最低温度Tscmin快速升温到临界固溶最高温度Tscmax进行临界固溶最高温度加热与保温；最后再继续采用打开炉门或其它冷却方式将奥氏体不锈钢由临界固溶最高温度Tscmax随炉快速降温到临界降温时效最高温度Tacmax进行冷却。
5.根据权利要求1所述的临界固溶和临界降温时效与退火复合热处理方法，其特征在于，临界降温时效最低加热温度Tacmin与时效最低理论加热温度Tactmin的数学关系式为：Tacmin＝Tactmin+(20～30)℃式中Tacmin为临界降温时效最低加热温度，℃；Tactmin为时效最低理论加热温度，℃。6.根据权利要求1所述的临界固溶和临界降温时效与退火复合热处理方法，其特征在于，临界始于低温交变时效总时间τ
acN
与理论时效总时间τ
aNt
的数学关系式为：τ
acN
＝(1/2～1/3)τ
aNt
式中τ
acN
为临界始于低温交变时效总时间，min或h；τ
aNt
为理论时效总时间，min或h。7.根据权利要求1所述的临界固溶和临界降温时效与退火复合热处理方法，其特征在于，临界始于低温交变时效时间按递增时间法进行时，递增时间法的临界始于低温交变时效加热总时间τ
acN
与升温时效第1分阶段...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志广，王俭，赵伟，范玉树，殷彬栋，孔冰，
申请(专利权)人：山西柴油机工业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：