一种充分固溶和充分始于低温交变时效复合热处理方法技术

本发明专利技术提供一种充分固溶和充分始于低温交变时效复合热处理方法。所述方法包括：充分固溶热处理过程以及充分始于低温交变时效复合热处理过程。本发明专利技术的方案可解决奥氏体不锈钢固溶和时效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、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“一长一高三差五低”特有热处理技术理论与实践难题。特有热处理技术理论与实践难题。特有热处理技术理论与实践难题。

【技术实现步骤摘要】
一种充分固溶和充分始于低温交变时效复合热处理方法


[0001]本专利技术涉及材料热处理
，特别是指一种充分固溶和充分始于低温交变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，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材料硬度(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(只能溶解与析出合金元素强化相)，因此，奥氏体不锈钢极难通过固溶和时效热处理方法大幅度提高材料硬度(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，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：在工件经过固溶处理后再在室温或过于室温的温度保持，在过饱和固溶体中形成溶质原子偏聚区和(或)使第二相粒子析出弥散分布过剩相析出而使材料硬化的热处理工艺。
[0004]奥氏体不锈钢主要强化相是合金碳化物，弱化项是金属间化合物(如Fe2W、Fe2Mo、CuO、FeS、FeO和MnS等)；不同材料即使是同一种金属元素的强化相的类型、数量、大小、形状、分布、熔点、脆性及硬度等也因采用的充分固溶与时效热处理方法不同而不同，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钢中的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)；最为关键的是现有传统主流奥氏体不锈钢固溶技术的加热温度为最高理论固溶温度，不能获得较为理想类型与数量的充分固溶溶解碳化物强化相和金属间化合物强化相。因此，快速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。
[0006]现有传统主流奥氏体不锈钢固溶热处理方法是加热温度(为最高理论固溶温度)与时间为唯一条件下的一阶段单点固定式等温固溶热处理方法。现有传统主流奥氏体不锈钢固溶热处理方法只能有效提高奥氏体不锈钢中的一种或少数合金元素强化相的充分固溶溶解能力、范围、质量与效率等，不能大幅度提高其它绝大多数合金元素强化相的充分固溶溶解能力、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，该一种或少数合金元素固溶强化相的充分固溶溶解能力、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非常有限的充分固溶溶解能力、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为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。
[0007]奥氏体不锈钢时效温度在低于500℃时主要析出粒度较大的极小量针棒状碳化物，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℃时主要析出(Fe，Cr，Ni，Mn，W，Mo)7C6等复合合金碳化物，在880℃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；最为关键的是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，不能获得较为理想类型与数量的时效析出碳化物强化相和金属间化合物强化相。因此，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。
[0008]现有传统主流奥氏体不锈钢时效热处理方法是加热温度(为时效最高理论温度)与时间为唯一条件下的一阶段单点固定式等温时效热处理方法。现有传统主流奥氏体不锈钢时效热处理方法只能有效提高奥氏体不锈钢中的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，不能有效地提高其它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固溶强化相的与时效析出能力、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非常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为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。
[0009]以下诸多复杂因素尤其是原材料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同则直接影响奥氏体不锈钢热处理工艺性：如在钢厂所涉及的原材料材质、化学成分(如C、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等合金元素特性与含量高低)、规格、批次状态、热加工状态与原始热处理交货状态，包括炉批次涉及的原材料锻造、热轧或冶炼等开始与结束加工温度、加热时间、操作时间和冷却介质等热加工状态参数，及包括原始退火、固溶、时效、调质等热处理交货状态)以及在制造厂所涉及的锻造与热处理等热加工的锻造变形程度、始锻温度与终锻温度、加热时间、冷却介质、加热设备类型与状况、现场环境温度等热加工方法的综合作用，皆直接影响奥氏体不锈钢热处理工艺性。
[0010]基于以上诸多复杂影响因素，现有传统主流奥氏体不锈钢固溶和时效热处理技术难以解决以下6大固有技术理论与实践难题：
[0011]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品率最高也只能达到99％(尤其是硬度值和力学性能即使是合格也只能达到下限值)；当热处理质量稳定性较差时，其一次性热处理合格品率极有可能100％不合格。
[0012]二是热处理硬度偏低(或力学性能低)与一致性差：固溶与时效热处理较易达到20.0HRC～26.5HRC中低硬度值，较难达到27.0HRC～28.0HRC中高硬度值，极难达到28.5HRC～32.0HRC高硬度值，甚至还可能发生布氏硬度合格而洛氏硬度不合格的悖理现象。
[0013]三是热处理加热时间长、效率低：在固溶和时效最高温度条件下的加热时间长，较难实现快速生产要求；为解决固溶和时效热处理不合格而被动增加热处理返工返修次数等。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种充分固溶和充分始于低温交变时效复合热处理方法，其特征在于，所述方法包括：进行充分固溶热处理过程，所述充分固溶热处理过程包括：在加热炉中在规定时间内将奥氏体不锈钢由室温升温到充分固溶最低温度时所进行的加热与保温、继续将奥氏体不锈钢由充分固溶最低温度升温到充分固溶中间固溶温度时所进行的加热与保温、再继续将奥氏体不锈钢由充分固溶中间固溶温度升温到充分固溶最高温度时所进行的加热与保温、最后再继续采用特定冷却方式将奥氏体不锈钢不出炉由充分固溶最高温度降温到充分始于低温交变时效最低温度时所进行的冷却；充分固溶热处理结束以后再继续进行充分始于低温交变时效热处理过程，充分始于低温交变时效热处理过程包括：第1次充分始于低温交变时效过程：具体包括第1次前半部分充分始于低温终于高温无交变时效过程：首先在规定时间内在加热炉中将奥氏体不锈钢在分充分始于低温交变时效最低温度时所进行的时效最低温度加热与保温、其次继续将奥氏体不锈钢升温到时效中间温度时所进行的时效中间温度加热与保温、再次继续将奥氏体不锈钢升温到最终时效最高温度时所进行的时效最高温度加热与保温，然后再继续第1次后半部分的始于高温终于低温交变时效过程：首先继续在规定时间内在加热炉中将奥氏体不锈钢由时效最高温度降温到时效中间温度时所进行的时效中间温度加热与保温、然后再继续在规定时间内在加热炉中将奥氏体不锈钢由时效中间温度降温到时效最低温度所进行的时效最低温度加热与保温；在以上第1次充分始于低温终于低温交变时效过程结束以后再继续进行第2次、第3次、
……
、或第N次交变时效过程：第2次交变时效，依次逆向重复进行第1次后半部分充分始于高温终于低温交变时效过程1次，或第3次交变时效，依次逆向重复进行第2次交变时效过程1次，
……
，依此类推，第N次交变时效，依次逆向重复进行第N
–
1次交变时效过程1次；在以上第2次、第3次、
……
、或第N次充分始于低温终于高温或充分始于高温终于低温交变时效过程结束以后再继续最后冷却过程：最后再继续采用特定冷却方式将奥氏体不锈钢降温到室温时所进行的冷却。2.根据权利要求1所述的充分固溶和充分始于低温交变时效复合热处理方法，其特征在于，充分始于低温终于低温交变时效热处理的总计交变时效次数为1次，1次中包含1≤N≤5个分次，N＝1，或2、3，或4、5，最终以N＝1、3或5分次结束交变时效过程。3.根据权利要求1所述的充分固溶和充分始于低温交变时效复合热处理方法，其特征在于，充分始于低温终于高温交变时效热处理的总计交变时效次数为1次，1次中包含2≤N≤6个分次，N＝2，或3、4，或5、6，最终以N＝2、4或6分次结束交变时效过程。4.根据权利要求1所述的充分固溶和充分始于低温交变时效复合热处理方法，其特征在于，充分始于低温交变时效所涉及的多阶段升温时效温度区间：包括第1次多阶段无交变升温时效温度区间：从多阶段升温时效最低加热温度区间Tafmin
‑
1开始、再依次经过n
–
2个多阶段时效中间加热温度区间Tafm
‑
1、最终到多阶段时效最高加热温度区间Tafmax
‑
1结束的n个分阶段多阶段升温时效加热温度区间3≤n≤7；第2次、第3次或第4次多阶段升温交变时效温度区间：依次重复进行上述充分升温时效过程，第1次、第2次、第3次、第4次多阶段升温交变时效最低温度区间数值的关系式为：Tafmin
‑
1＝Tafmin
‑
2＝Tafmin
‑
3＝Tafmin
‑
4，第1次、第2次、第3次、第4次升温时效中间加热温度区间数值的关系式为：Tafm
‑
1＝Tafm
‑
2＝Tafm
‑
3＝Tafm
‑
4，第1次、第2次、第3次、第4次多阶段升温交变时效最高温度区间数值的
关系式为：Tafmax
‑
1＝Tafmax
‑
2＝Tafmax
‑
3＝Tafmax
‑
4。5.根据权利要求1所述的充分固溶和充分始于低温交变时效复合热处理方法，其特征在于，始于低温交变时效所涉及的多阶段降温时效温度区间：包括第1次多阶段无交变降温时效温度区间：从多阶段降温时效最高加热温度区间Tafmax
‑
1开始、再依次经过n
–
2个多阶段时效中间加热温度区间Tafm
‑
1、最终到多阶段时效最低加热温度区间Tafmin
‑
1结束的n个分阶段多阶段降温时效加热温度区间，3≤n≤7；第2次、第3次或第4次多阶段降温交变时效温度区间：依次重复进行上述多阶段降温时效过程，第1次、第2次、第3次、第4次多阶段降温交变时效最低温度区间数值的关系式为：Tafmin
‑
1＝Tafmin
‑
2＝Tafmin
‑
3＝Tafmin
‑
4，第1次、第2次、第3次、第4次多阶段降温交变时效中间加热温度区间数值的关系式为：Tafm
‑
1＝Tafm
‑
2＝Tafm
‑
3＝Tafm
‑
4，第1次、第2次、第3次、第4次多阶段降温交变时效最高温度区间数值的关系式为：Tafmax
‑
1＝Tafmax
‑
2＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志广，张建颖，郭巨寿，刘继强，李全平，王东军，
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：