一种临界固溶和临界多次升温变温时效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多次升温变温时效复合热处理方法，包括：临界固溶热处理过程和临界多次升温变温时效复合热处理过程。本发明专利技术的方案具有技术可行性、工艺适应性、质量可靠性、经济合理性、使用安全性，可有效扬长避短了奥氏体不锈钢传统主流热处理方法的优缺点，从根本上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”特有热处理技术难题，尤其适用于奥氏体不锈钢在钢厂和制造厂所涉及的冶炼、轧钢、锻造和热处理等热加工工程技术领域。锻造和热处理等热加工工程技术领域。锻造和热处理等热加工工程技术领域。

【技术实现步骤摘要】
一种临界固溶和临界多次升温变温时效复合热处理方法


[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多次升温变温时效复合热处理方法。

技术介绍

[0002]奥氏体不锈钢(参见GB/T1220、GB/T1221、GB/T12773等)与合金结构钢(参见GB/T3077等)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。
[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
‑
FeO共晶体熔点与溶解遗传临界温度区)、985℃(Fe
‑
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
‑
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饱和或极限状态)，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饱和或极限状态)，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]尽管奥氏体不锈钢属于不锈钢材料系列，但其在机加工并停留一定时间以后的“光亮银白色金属表面”会不同程度地产生“变色锈蚀金属表面”现象，现有传统主流已知观点认为产生主要原因有：一是因奥氏体不锈钢化学成分不符合采购材料标准时所导致；二是因奥氏体不锈钢中Cr、Ni、W等防锈蚀金属含量相对较少或C、P、As、Sb、Bi等易变色锈蚀金属元素含量相对较多所导致；三是因奥氏体不锈钢表面金属与大气中氧、水及酸、碱、盐等物质发生化学反应或电化学反应将原本钢表面是一层坚固细密极薄的银白色光亮富铬氧化膜物质破坏形成疏松异类物质而引起表面变色或腐蚀(统称为锈蚀)所导致；四是因奥氏体不锈钢加工表面粗糙所导致；五是因奥氏体不锈钢零件在300℃～800℃条件下工作所导致。事实上，除此之外奥氏体不锈钢变色锈蚀还涉及有一个尚未认知非常重要的原因：那就是因奥氏体不锈钢在钢厂和制造厂所涉及的冶炼、轧钢、锻造和热处理等热加工方法不当尤其是材质、化学成分、炉批次、热加工温度、时间和冷却介质等诸多热加工复杂因素综合作用而产生较多易变色锈蚀的合金碳化物和非碳化物等所导致，这也是直接影响奥氏体不锈钢热处理最终效果的最根本原因之一。
[0008]基于以上诸多复杂因素综合影响，现有传统主流奥氏体不锈钢热处理技术难以解决以下“一长一高四差五低”特有热处理技术理论与实践难题：
[0009]一是热处理质量稳定性差、合格品率低：当热处理质量稳定性较好时，其一次性热处理合格本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种临界固溶和临界多次升温变温时效复合热处理方法，其特征在于，包括：临界固溶热处理过程，所述临界固溶热处理过程包括：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固溶最低温度时所进行的临界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到临界时效最低温度时所进行的固溶冷却；在临界固溶热处理结束以后再继续进行临界多次升温变温时效热处理，依靠临界多次升温变温时效热处理工艺：包括首先在规定时间内在加热炉中将奥氏体不锈钢在临界升温时效最低温度所进行的临界时效最低温度加热与保温、其次再继续将奥氏体不锈钢快速升温到时效中间温度时所进行的临界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升温到最终时效最高温度时所进行的临界时效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到室温时所进行的冷却。2.根据权利要求1所述的临界固溶和临界多次升温变温时效复合热处理方法，其特征在于，临界多次升温变温时效热处理的总计时效次数为1次。3.根据权利要求1所述的临界固溶和临界多次升温变温时效复合热处理方法，其特征在于，临界多次升温变温时效温度区间是指：第1次升温变温时效温度区间：从临界多次升温变温时效最低加热温度区间Tacmin
‑
1开始、再依次经过n
–
2个临界多次升温变温时效中间加热温度区间Tacm
‑
1、最终到临界多次升温变温时效最高加热温度区间Tacmax
‑
1结束的n个分阶段升温加热温度区间，3≤n≤7；第2次、第3次或第4次临界多次升温变温时效温度区间：依次重复进行上述临界多次升温变温时效过程，第1次、第2次、第3次、第4次临界多次升温变温时效最低温度区间数值的关系式为：Tacmin
‑
1＞Tacmin
‑
2＞Tacmin
‑
3＞Tacmin
‑
4，第1次、第2次、第3次、第4次临界多次升温变温时效中间加热温度区间数值的关系式为：Tacm
‑
1＞Tacm
‑
2＞Tacm
‑
3＞Tacm
‑
4，第1次、第2次、第3次、第4次临界多次升温变温时效最高温度区间数值的关系式为：Tacmax
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1＞Tacmax
‑
2＞Tacmax
‑
3＞Tacmax
‑
4；临界多次升温变温时效温度区间不重复出现任何一个临界多次升温变温时效最低加热温度区间、临界多次升温变温时效中间加热温度区间和临界多次升温变温时效最高温度区间。4.根据权利要求1所述的临界固溶和临界多次升温变温时效复合热处理方法，其特征在于，临界多次升温变温时效最低温度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为临界多次升温变温时效最低加热温度，℃；Tactmin为时效最低理论加热温度，℃。5.根据权利要求1所述的临界固溶和临界多次升温变温时效复合热处理方法，其特征在于，临界多次升温变温时效最高加热温度Tacmax与时效最高理论加热温度Tactmax的数学关系式为：Tacmax＝Tactmax
–
(20～30)℃；式中Tacmax为临界多次升温变温时效最高加热温度，℃；Tactmax为时效最高理论加热温度，℃。6.根据权利要求1所述的临界固溶和临界多次升温变温时效复合热处理方法，其特征
在于，临界多次升温变温时效每一阶段的中间加热温度Tacm与时效最低温度Tacmin和时效最高加热温度Tacmax的数学关系式为：Tacm＝Tacmin+n
i
(Tacmax
–
Tacmin)/(n
–
1)式中Tacm为临界多次升温变温时效每一阶段的中间加热温度，℃，也是临界多次升温变温时效第2分阶段到倒数第2分阶段的具体阶段温度；Tacmin为临界多次升温变温时效最低温度，℃，也是临界多次升温变温时效第...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志广，杨姝青，李晓霞，孔冰，李全平，高勇，
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：