高温炉之不锈钢制品的固溶处理

高温炉之不锈钢制品的固溶处理

固溶处理（solution treatment）是指将合金加热到高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。因操作过程与淬火相似，又称为 “固溶淬火"。适用于以 固溶体为基体，且在温度变化时溶解度变化较大的 合金。先将合金加热到溶解度曲线以上、固相线以 下的某一合适温度保温一定时间，使第二相溶入固溶体中。然后在水或其他介质中快速冷却以抑制第 二相重新析出，即可得到室温下的过饱和固溶体或 通常只存在于高温下的一种固溶体相。由于在热力 学上处于亚稳定状态，在适当的温度或应力条件下 将发生脱溶或其他转变。一般属预备热处理，其作 用是为随后的热处理准备条件。

　　原理

　　固溶处理是为了溶解基体内碳化物、γ’相等以得到均匀的过饱和固溶体，便于时效时重新析出颗粒细小、分布均匀的碳化物和γ’等强化相，同时消除由于冷热加工产生的应力，使合金发生再结晶。其次，固溶处理是为了获得适宜的晶粒度，以保证合金高温抗蠕变性能。固溶处理的温度范围大约在980~1250℃之间，主要根据各个合金中相析出和溶解规律及使用要求来选择，以保证主要强化相必要的析出条件和一定的晶粒度。对于长期高温使用的合金，要求有较好的高温持久和蠕变性能，应选择较高的固溶温度以获得较大的晶粒度；对于中温使用并要求较好的室温硬度、屈服强度、拉伸强度、冲击韧性和疲劳强度的合金，可采用较低的固溶温度，保证较小的晶粒度。高温固溶处理时，各种析出相都逐步溶解，同时晶粒长大；低温固溶处理时，不仅有主要强化相的溶解，而且可能有某些相的析出。对于过饱和度低的合金，通常选择较快的冷却速度；对于过饱和度高的合金，通常为空气中冷却。

　　应用

　　对于大多数有色金属合金而言，固溶处理的目的是获得过饱和固溶体，为随后的时效处理作组织准备。图示为具有溶解度变化的典型的二元相图示意图。n点成分的C1合金的室温平衡组织为α+β两相，α为基体固溶体，β为第二相。将C1合金加热至Tq并保温足够时间后，β相将溶解于基体而得到单相α固溶体。如果合金从Tq温度快速冷却至室温，由于合金元素原子的扩散和重新分配来不及进行，β相不可能形核和长大，α相中就不可能析出β相，这时合金的室温组织为n点成分的α单相过饱和固溶体（室温下α相的平衡成分为b点成分）。这种过饱和固溶体在热力学上是亚稳定的，在适当的温度下，过饱和固溶体会发生脱溶析出，从而使合金强化。固溶处理后的组织不一定都是单相过饱和固溶体。如图中的C2合金，在低于共晶温度的任何温度下都含有β相。加热至Tq时合金C2的组织为m点成分的α相和β相。若自Tq淬火，其室温组织除过饱和的α相外还有部分β相。

　　固溶处理也适用于某些合金钢。例如含1.2%C和13%Mn的M13高锰钢就需要进行固溶处理。将其加热至1050～1100℃，保温足够长时间，使碳化物M3C溶入奥氏体中，然后快速冷却（水淬），可以在室温下得到单相奥氏体组织。单相奥氏体组织的高锰钢硬度并不高，但当它受到剧烈冲击或较大压力时，其表层将迅速硬化，从而形成高耐磨的表层，而心部仍具有良好的冲击韧性。基于这种特性，M13高锰钢成为广泛应用的耐磨钢。又如18-8型镍铬不锈钢（1Cr-18Ni9、2Cr18Ni9等），其主要热处理形式就是固溶处理。将其加热到1050～1150℃保温，然后水淬。室温下得到单相奥氏体组织，使材料具有的耐蚀性，并且塑性高、成形性好。

　　 适用范围

　　多种特殊钢，高温合金，特殊性能合金，有色金属。

　　尤其适用：1.热处理后须要再加工的零件。2.消除成形工序间的冷作硬化。3.焊接后工件。

　　影响因素

　　加热温度、保温时间和冷却速度是固溶处理应当控制的几个主要参数。

　　加热温度原则上可根据相应的相图来确定。上限温度通常接近于固相线温度或共晶温度。在这样高的温度下合金具有的固溶度且扩散速度快。但温度不能过高，否则将导致低熔点共晶和晶界相熔化，即产生过烧现象，引起淬火开裂并降低韧性。加热温度应高于固溶度曲线（图示中的ab线），否则时效后性能达不到要求。不同的合金，允许的加热温度范围可能相差很大。某些铜合金和合金钢的加热温度范围较宽，而大部分铝合金的淬火加热温度范围则很窄，有的甚至只有±5℃。

　　保温的目的是使合金组织充分转变到淬火所需状态。保温时间主要取决于合金成分、材料的预先处理和原始组织以及加热温度等，同时也与装炉量、工件厚度、加热方式等因素有关。原始组织细、加热温度高、装炉量少、工件断面尺寸小，保温时间就较短。

　　固溶处理中一般采用快速冷却。快冷的目的是抑制冷却过程中第二相的析出，保证获得溶质原子和空位的过饱和度，以便时效后获得的强度和的耐蚀性。水是广泛应用的有效的淬火介质，水中淬火所能达到的冷却速度能够满足大多数铝、镁、铜、镍和铁基合金制品的要求。但是，水中淬火易使制件产生大的残余应力和变形。为克服这一缺点，可将水温适当升高，或在油、空气和某些特殊的有机介质中淬火。也可采用一些特殊的淬火方法，如等温淬火、分级淬火等。