[发明专利]一种快速固溶和快速始于高温变温交变时效热处理方法

说明书

本发明提供一种快速固溶和快速始于高温变温交变时效热处理方法，包括：快速固溶热处理过程以及快速始于高温变温交变时效热处理过程。本发明的方案可解决主流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、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。

技术领域

本发明涉及材料热处理技术领域，特别是指一种快速固溶和快速始于高温变温交变时效热处理方法。

背景技术

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，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)。

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，使过剩相快速溶解，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。

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。

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)₂₃C₆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固溶溶解碳化物强化相和金属间化合物强化相。因此，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。