高溫爐之不銹鋼制品的固溶處理

高溫爐之不銹鋼制品的固溶處理

固溶處理（solution treatment）是指將合金加熱到高溫單相區(qū)恒溫保持，使過剩相充分溶解到固溶體中后快速冷卻，以得到過飽和固溶體的熱處理工藝。因操作過程與淬火相似，又稱為 “固溶淬火"。適用于以 固溶體為基體，且在溫度變化時(shí)溶解度變化較大的 合金。先將合金加熱到溶解度曲線以上、固相線以 下的某一合適溫度保溫一定時(shí)間，使第二相溶入固溶體中。然后在水或其他介質(zhì)中快速冷卻以抑制第 二相重新析出，即可得到室溫下的過飽和固溶體或 通常只存在于高溫下的一種固溶體相。由于在熱力 學(xué)上處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，在適當(dāng)?shù)臏囟然驊?yīng)力條件下 將發(fā)生脫溶或其他轉(zhuǎn)變。一般屬預(yù)備熱處理，其作 用是為隨后的熱處理準(zhǔn)備條件。

　　原理

　　固溶處理是為了溶解基體內(nèi)碳化物、γ’相等以得到均勻的過飽和固溶體，便于時(shí)效時(shí)重新析出顆粒細(xì)小、分布均勻的碳化物和γ’等強(qiáng)化相，同時(shí)消除由于冷熱加工產(chǎn)生的應(yīng)力，使合金發(fā)生再結(jié)晶。其次，固溶處理是為了獲得適宜的晶粒度，以保證合金高溫抗蠕變性能。固溶處理的溫度范圍大約在980~1250℃之間，主要根據(jù)各個(gè)合金中相析出和溶解規(guī)律及使用要求來選擇，以保證主要強(qiáng)化相必要的析出條件和一定的晶粒度。對(duì)于長(zhǎng)期高溫使用的合金，要求有較好的高溫持久和蠕變性能，應(yīng)選擇較高的固溶溫度以獲得較大的晶粒度；對(duì)于中溫使用并要求較好的室溫硬度、屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度的合金，可采用較低的固溶溫度，保證較小的晶粒度。高溫固溶處理時(shí)，各種析出相都逐步溶解，同時(shí)晶粒長(zhǎng)大；低溫固溶處理時(shí)，不僅有主要強(qiáng)化相的溶解，而且可能有某些相的析出。對(duì)于過飽和度低的合金，通常選擇較快的冷卻速度；對(duì)于過飽和度高的合金，通常為空氣中冷卻。

　　應(yīng)用

　　對(duì)于大多數(shù)有色金屬合金而言，固溶處理的目的是獲得過飽和固溶體，為隨后的時(shí)效處理作組織準(zhǔn)備。圖示為具有溶解度變化的典型的二元相圖示意圖。n點(diǎn)成分的C1合金的室溫平衡組織為α+β兩相，α為基體固溶體，β為第二相。將C1合金加熱至Tq并保溫足夠時(shí)間后，β相將溶解于基體而得到單相α固溶體。如果合金從Tq溫度快速冷卻至室溫，由于合金元素原子的擴(kuò)散和重新分配來不及進(jìn)行，β相不可能形核和長(zhǎng)大，α相中就不可能析出β相，這時(shí)合金的室溫組織為n點(diǎn)成分的α單相過飽和固溶體（室溫下α相的平衡成分為b點(diǎn)成分）。這種過飽和固溶體在熱力學(xué)上是亞穩(wěn)定的，在適當(dāng)?shù)臏囟认拢^飽和固溶體會(huì)發(fā)生脫溶析出，從而使合金強(qiáng)化。固溶處理后的組織不一定都是單相過飽和固溶體。如圖中的C2合金，在低于共晶溫度的任何溫度下都含有β相。加熱至Tq時(shí)合金C2的組織為m點(diǎn)成分的α相和β相。若自Tq淬火，其室溫組織除過飽和的α相外還有部分β相。

　　固溶處理也適用于某些合金鋼。例如含1.2%C和13%Mn的M13高錳鋼就需要進(jìn)行固溶處理。將其加熱至1050～1100℃，保溫足夠長(zhǎng)時(shí)間，使碳化物M3C溶入奧氏體中，然后快速冷卻（水淬），可以在室溫下得到單相奧氏體組織。單相奧氏體組織的高錳鋼硬度并不高，但當(dāng)它受到劇烈沖擊或較大壓力時(shí)，其表層將迅速硬化，從而形成高耐磨的表層，而心部仍具有良好的沖擊韌性。基于這種特性，M13高錳鋼成為廣泛應(yīng)用的耐磨鋼。又如18-8型鎳鉻不銹鋼（1Cr-18Ni9、2Cr18Ni9等），其主要熱處理形式就是固溶處理。將其加熱到1050～1150℃保溫，然后水淬。室溫下得到單相奧氏體組織，使材料具有的耐蝕性，并且塑性高、成形性好。

　　 適用范圍

　　多種特殊鋼，高溫合金，特殊性能合金，有色金屬。

　　尤其適用：1.熱處理后須要再加工的零件。2.消除成形工序間的冷作硬化。3.焊接后工件。

　　影響因素

　　加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度是固溶處理應(yīng)當(dāng)控制的幾個(gè)主要參數(shù)。

　　加熱溫度原則上可根據(jù)相應(yīng)的相圖來確定。上限溫度通常接近于固相線溫度或共晶溫度。在這樣高的溫度下合金具有的固溶度且擴(kuò)散速度快。但溫度不能過高，否則將導(dǎo)致低熔點(diǎn)共晶和晶界相熔化，即產(chǎn)生過燒現(xiàn)象，引起淬火開裂并降低韌性。加熱溫度應(yīng)高于固溶度曲線（圖示中的ab線），否則時(shí)效后性能達(dá)不到要求。不同的合金，允許的加熱溫度范圍可能相差很大。某些銅合金和合金鋼的加熱溫度范圍較寬，而大部分鋁合金的淬火加熱溫度范圍則很窄，有的甚至只有±5℃。

　　保溫的目的是使合金組織充分轉(zhuǎn)變到淬火所需狀態(tài)。保溫時(shí)間主要取決于合金成分、材料的預(yù)先處理和原始組織以及加熱溫度等，同時(shí)也與裝爐量、工件厚度、加熱方式等因素有關(guān)。原始組織細(xì)、加熱溫度高、裝爐量少、工件斷面尺寸小，保溫時(shí)間就較短。

　　固溶處理中一般采用快速冷卻。快冷的目的是抑制冷卻過程中第二相的析出，保證獲得溶質(zhì)原子和空位的過飽和度，以便時(shí)效后獲得的強(qiáng)度和的耐蝕性。水是廣泛應(yīng)用的有效的淬火介質(zhì)，水中淬火所能達(dá)到的冷卻速度能夠滿足大多數(shù)鋁、鎂、銅、鎳和鐵基合金制品的要求。但是，水中淬火易使制件產(chǎn)生大的殘余應(yīng)力和變形。為克服這一缺點(diǎn)，可將水溫適當(dāng)升高，或在油、空氣和某些特殊的有機(jī)介質(zhì)中淬火。也可采用一些特殊的淬火方法，如等溫淬火、分級(jí)淬火等。