【文章內(nèi)容簡介】 奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti的熱處理工藝過程 奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti的冶煉研究及鍛造處理 1Cr18Ni9Ti的凝固行為奧氏體不銹鋼是一種復(fù)雜的多元多相合金。其凝固組織包含各種形態(tài)的奧氏體一鐵素體混合組織，這些凝固組織不僅受化學(xué)成分和凝固過程的影響，而且與后續(xù)的固態(tài)相變密切相關(guān)。%wt.%的FeCrNi三元相圖垂直截面圖，在相圖的高溫段存在著L+S+Y三相區(qū)，此三相區(qū)內(nèi)的凝固行為對最終凝固組織起著至關(guān)重要的作用，正因為這個三相區(qū)的存在也產(chǎn)生了復(fù)雜的凝固過程，一般認(rèn)為隨著Cr當(dāng)量和Ni當(dāng)量的比例變化有F型、FA型、AF型、A型四種凝固方式[2]。鉻鎳偽二元相圖中凝固模式的相對位置及其凝固組織與溶質(zhì)偏析的關(guān)系，認(rèn)為隨著鉻鎳比的增加，鐵素體形貌從共晶狀轉(zhuǎn)變?yōu)楣羌軤?，然后再轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l狀。一般認(rèn)為奧氏體不銹鋼在三相區(qū)內(nèi)首先發(fā)生的是包晶反應(yīng)，然后轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿Х磻?yīng):骨架狀鐵素體的產(chǎn)生源自于先析出鐵素體，奧氏體在鐵素體和液相界面上形成長大，然后鐵素體和奧氏體界面按照先析出鐵素體的界面推進(jìn)，鐵素體同時也通過固態(tài)相變轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，最終留下的鐵素體位于先析出鐵素體的中心位置。%Wt.%的FeCrNi三元相圖垂直截面圖對于奧氏體凝固行為的研究人們比較關(guān)心的問題有兩個，一是凝固模式與凝固條件的關(guān)系，二是鐵素體的殘留量。因為不銹鋼是一種多元復(fù)雜合金，合金元素眾多，研究起來比較復(fù)雜，通常人們把不同類型的元素折算為Cr當(dāng)量和Ni當(dāng)量，從而簡化應(yīng)用FeCrNi三元合金相圖來研究這些問題。奧氏體不銹鋼中，不同的元素對鐵素體和奧氏體的形成有著不同的作用:以Cr為代表的為鐵素體穩(wěn)定元素，促進(jìn)鐵素體的形成，這類元素主要包括Cr, Mo, Si, Ti, V, W等。以Ni為代表的為奧氏體穩(wěn)定元素，促進(jìn)奧氏體的形成，這類元素主要包括Ni, C, N, Co等元素。但是不同的研究者采用的材料有所差別，所采用的鉻和鎳。計算方法也不盡相同。計算公式如下：Cr=% Cr+a(%Si)+b(%Mn)+c(%Ti)+d(%Nb)Ni=%Ni+e(%Mn)+f(%C)+g(%N)+h(%Cu)abcdefgh1303013030123030322211997年以后W. Kurz所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊發(fā)表了大量研究FeCrNi合金及FeCr合金凝固過程的文章，主要有以下研究結(jié)果：（1）隨著Ni含量的增加或生長速率的增加，發(fā)生鐵素體到奧氏體的轉(zhuǎn)變隨著Ni含量的減小或生長速率的減小，發(fā)生奧氏體到鐵素體的轉(zhuǎn)變。鐵素體到奧氏體的轉(zhuǎn)變無形核勢壘，受樹枝晶生長動力學(xué)控制奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變則要通過鐵素體的形核。不同Ni含量的不銹鋼激光焊接時的組織轉(zhuǎn)變圖。不同生長速率下奧氏體不銹鋼的定向凝固組織演變圖[3]。（2）奧氏體不銹鋼穩(wěn)態(tài)凝固時，首先是鐵素體平界面生長，然后通過固態(tài)相變轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。然后奧氏體在鐵素體凝固前沿形核，發(fā)生共晶反應(yīng)。共晶反應(yīng)初始為層片狀生長，后來轉(zhuǎn)變?yōu)榘魻钌L。 （3）奧氏體不銹鋼的相選擇問題遵循最高界面溫度法則?？梢酝ㄟ^界面響應(yīng)函數(shù)(Interfaceresponsefunction,IRF)計算出不同的相析出時的界面溫度。界面溫度是成分、生長速率、溫度梯度的函數(shù)。 K/mm時δ、γ共晶生長的界面響應(yīng)函數(shù)奧氏體不銹鋼連鑄過程：連鑄實質(zhì)上是一個傳熱和相變的過程[4]，在這一過程中鋼液熱量被帶走，在熱量的導(dǎo)出過程中金屬液體發(fā)生著相變。這個過程伴隨著動量傳輸、熱量傳輸、物質(zhì)傳輸。連鑄過程也是一個工業(yè)化連續(xù)過程，這就決定了若采用工業(yè)化試驗來優(yōu)化工藝參數(shù)，必然要面臨費(fèi)時、費(fèi)力和需要大量資金投入的問題。因此對連鑄的研究很少采用工業(yè)化試驗，至多用工業(yè)化的產(chǎn)品質(zhì)量來驗證工藝參數(shù)是否得當(dāng)。另外連鑄過程由于設(shè)備復(fù)雜和溫度很高，很多問題，如結(jié)晶器內(nèi)部的凝固過程無法進(jìn)行直接研究，給生產(chǎn)工藝的改進(jìn)帶來了困難。對連鑄凝固過程的研究主要有如下三種方法：（1）以傳熱和傳質(zhì)為中心，采用數(shù)值模擬的方法，模擬連鑄過程中各階段的傳輸現(xiàn)象和應(yīng)力應(yīng)變情況，對連鑄過程進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而來改善連鑄工藝。（2）用可行的實驗設(shè)備對連鑄過程中的金屬凝固行為進(jìn)行物理模擬，研究不銹鋼的高溫物理性能及各種工藝參數(shù)對不銹鋼凝固行為和凝固組織的影響，進(jìn)而為改善連鑄工藝、提高鑄坯質(zhì)量提供依據(jù)。（3）直接工業(yè)實驗。下面分別介紹這三種方法：a. 數(shù)值模擬 隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用計算機(jī)研究凝固、傳熱、傳質(zhì)等復(fù)雜過程成為可能。它基于現(xiàn)象本身的物理原理，在一定的假設(shè)前提下，對現(xiàn)象進(jìn)行描述，進(jìn)而揭示凝固過程規(guī)律、預(yù)測與防止多種鑄造缺陷、優(yōu)化鑄造工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量。數(shù)值模擬的研究任務(wù)在于建立正確的數(shù)學(xué)模型，通過恰當(dāng)?shù)臄?shù)值方法，利用計算機(jī)來求解這些模型，得到能反映過程規(guī)律、指導(dǎo)實踐的結(jié)果。用數(shù)值模擬對連鑄過程進(jìn)行研究，有著迅速、廉價、靈活、直觀并易于理解的優(yōu)點?？偟恼f來，數(shù)值模擬是研究連鑄過程中的流場、溫度場、溶質(zhì)場變化的一種有效手段，為連鑄工藝參數(shù)的改善做出了很大的貢獻(xiàn)。但這種方法有其先天的缺陷，即：冶金過程是一個復(fù)雜的過程，一方面所涉及材料的熱物性參數(shù)不是很精確，二是初始和邊界條件不是很穩(wěn)定，因而假設(shè)了很多的前提條件，致使模擬結(jié)果和實際結(jié)果有一定的偏差，尤其用來研究凝固問題，不能和實際的凝固組織建立聯(lián)系，缺乏直接性。b. 物理模擬冷態(tài)物理模擬。由于鋼液具有高溫的特點，直接對其流動進(jìn)行定量測量是非常困難的。但由于高溫鋼液與水介質(zhì)在流體動力學(xué)特性上類似，基于流體力學(xué)中的相似準(zhǔn)則，即:不直接在實物中研究現(xiàn)象和過程本身，而是用與實物相似的模型來進(jìn)行研究，用方程分析或量綱分析方法導(dǎo)出相似準(zhǔn)數(shù)，并在模型上通過實驗求出相似準(zhǔn)數(shù)之間的關(guān)系式，再將此關(guān)系式推廣到實物，從而揭示了這些現(xiàn)象或過程的規(guī)律，因而連鑄過程中鋼液流動特性可以用水來模擬。這種用水介質(zhì)物理模擬實際結(jié)晶器中流動的試驗方法稱之為冷態(tài)物理模擬，冷態(tài)物理模擬的試驗方法較早就應(yīng)用在冶金研究中，當(dāng)前水模擬已經(jīng)成為結(jié)晶器系統(tǒng)設(shè)計和分析、鋼液流場研究不可或缺的實驗裝置，一方面對在研究水口結(jié)構(gòu)、拉坯速度等連鑄工藝參數(shù)對流場影響等方面起到很大作用，另一方面水模擬實驗結(jié)果已成為建立數(shù)學(xué)模型和驗證數(shù)值模擬可靠性的依據(jù)[5]。熱物理模擬是利用小試樣在試驗裝置上再現(xiàn)材料在制備或熱加工過程中的受熱或同時受熱與受力的物理過程。利用此法可以充分而精確的暴露與揭示材料在熱加工過程中的組織性能變化，為制定合理的加工工藝以及研制新材料提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。現(xiàn)代材料加工熱物理模擬技術(shù)，融材料科學(xué)、冶金科學(xué)、傳熱學(xué)、力學(xué)、機(jī)械學(xué)、工程檢測技術(shù)、電子模擬技術(shù)及計算機(jī)知識與技能為一體，已經(jīng)成為跨學(xué)科的專業(yè)領(lǐng)域。利用現(xiàn)代物理模擬技術(shù)，可以用少量的、小型的試驗替代傳統(tǒng)的大量的、大型的工業(yè)試驗，不但節(jié)約了人力、物力、財力，還可以研究連鑄生產(chǎn)實際中難以直接進(jìn)行實驗研究的高難復(fù)雜問題。 1Cr18Ni9Ti的鍛造處理 1Cr18Ni9Ti鍛造模具要求a模具型式。主要型式有多槽模單槽模。多槽模的終鍛型槽可使用鑲塊結(jié)構(gòu)，主要用少小鍛件（小于2kg)，而單槽模用少長鍛件。b模具材料。小型模具（小于9kg)用4Cr5W2VSi等熱變形模具鋼，較大型模具本體包括（熱邊沖頭)用5CrNiMo5CrMnMo,鑲塊用4Cr5W2VSi等模具鋼，熱邊凹模用Cr12MoV模具鋼[6]。c模具硬度。模具硬度與鍛件復(fù)雜程度和鍛造設(shè)備有關(guān)，復(fù)雜鍛件模具硬度取HRC53～56,簡單鍛件取HRC61～63。錘上用取HRC40～47，水壓機(jī)用取HRC47～55。d模具壽命。由于不小銹鋼要求錘擊次數(shù)多，它所用模具壽命僅為鍛碳鋼的1/21/3。為延長壽命，采用以下措施:模具整體滲碳、氮化、鍍硬鉻、火焰淬火處理。研磨變形型槽和飛邊槽（提高壽命25%）。使用前模具需預(yù)熱（200～2500℃）。 1Cr18Ni9Ti的鍛造工藝特點a鍛件圖制定。小銹鋼在870℃才起皮，燒損較少，設(shè)計鍛件圖時，燒損率取不限，但其線膨脹系數(shù)大，故收縮率大，終鍛型槽應(yīng)放大余量。b毛壞加熱。為防止鍛造裂紋，小銹鋼應(yīng)在保護(hù)氣氛中加熱，最好在電爐和真空爐中加熱。由于鋼的導(dǎo)熱性差，加熱時要嚴(yán)格控制溫度和速度:80000以下緩慢加熱（～），到920℃時可快速加熱，當(dāng)溫度達(dá)到1150～1200℃時，鋼的塑性較高，溫度高于1300℃會發(fā)生過燒。c鍛造。始鍛溫度1100～1150℃，終鍛溫度850～920℃。鍛造變形不能太大，一般在50%～60%錘擊時應(yīng)采用兩輕一重的方法，高溫區(qū)輕擊快鍛，隨后適當(dāng)重?fù)?，接近終鍛時輕擊修整。此外，為保正鍛件表表面質(zhì)量，鍛件應(yīng)力爭一火鍛成。d鍛模潤滑。用石墨加煤汕或低粘性礦物油（鉛和硫含量低)潤滑。e切邊。鍛件溫度應(yīng)在850℃以上，冷鍛件應(yīng)預(yù)熱到900～950℃后再切邊。 f鍛后冷卻。小銹鋼無475℃脆性，但有碳化合物和σ相析出引起的變脆現(xiàn)象，鍛后可正常空冷。g鍛件表而處理。為清除表而氧化皮和缺陷，采用先酸洗再噴砂丸)或滾筒拋光再酸洗的方法。 奧氏體不銹鋼熱處理設(shè)備—真空熱處理爐 真空熱處理爐概述真空熱處理爐由發(fā)熱體和筑爐材料決定使用的氣體、溫度及其對工件的影響。使用立式或臥式真空爐要根據(jù)工件的形狀、變形、支撐方法、裝卸方式、平臺面積等選擇。加熱方法一般使用最實用的間接電阻加熱方式。按照發(fā)熱體在真空容器的外部和內(nèi)部，真空熱處理爐可分為外熱爐和內(nèi)熱爐下面對其敘述。（1）外熱式真空熱處理爐在這種真空爐的爐罐外面有普通的空氣爐，通過加熱真空容器間接地對其中的工件進(jìn)行旁熱式加熱。這種熱處理爐的熱效率差，冷卻時間也長。此外，因工件和爐罐之間有溫差、真空外壓還將導(dǎo)致爐罐的變形和破損事故等，所以應(yīng)注意使用溫度和爐罐材質(zhì)。這種熱處理爐用于蒸餾、脫粘劑等工序中，爐內(nèi)蒸發(fā)物多的熱處理，和由筑爐材料等生產(chǎn)的周圍氣體對工件不產(chǎn)生不良影響的1000℃左右較低溫度的真空、氣體氣氛熱處理。（2）內(nèi)熱式真空熱處理爐內(nèi)熱式是在真空容器內(nèi)有發(fā)熱體和熱絕緣物，容器自身為水冷。處理溫度低時，僅對真空密封部位水冷或不水冷。與外熱式相比，內(nèi)熱式真空爐因工件面對發(fā)熱體所以熱效率高。一般這種形式的熱處理爐稱為真空熱處理爐。內(nèi)熱爐的發(fā)熱體和保溫材料通常分a. 發(fā)熱體內(nèi)熱式金屬系加熱器最簡單的加熱方法是使微型加熱器、發(fā)熱管、紅外線燈等發(fā)熱體的外殼，在真空中進(jìn)一步間接加熱?；蛟谀蜔峁軆?nèi)導(dǎo)人其它熱介質(zhì)(蒸汽、油)進(jìn)行間接加熱等方法。，均需通過SU耐熱鋼管對工件加熱，真空容器要裝真空密封件。因此，無需擔(dān)介容器內(nèi)的電壓和放電，適合于脫粘劑、濕粉末干燥、蒸發(fā)物多的低溫?zé)崽幚淼取Ｊ褂靡话憬饘偌訜崞鞲鶕?jù)使用溫度、壓力、升溫速度等選擇涂料材質(zhì)，應(yīng)考慮Cr、 Si 、Mn等的揮發(fā)和耐熱情況。工件溫度超過1000℃、Ta、W等，在1200～2700 ℃左右的蒸汽壓和熱變形情況。加熱器形狀有鋼絲狀、網(wǎng)狀、板狀、棒狀等，可以根據(jù)溫度、表面電流密度、爐形進(jìn)行選擇。Mo、Ta、 。排氣系統(tǒng)可以選擇帶冷凝閥的油擴(kuò)散泵系、渦輪泵、低溫泵系等。這種真空爐雖然價格高、存在高溫變形、晶粒粗化而脆化引起斷裂、運(yùn)行損耗、加熱時的放熱損失等問題，但卻廣為使用。 石墨發(fā)熱體的熱膨脹系數(shù)小，耐熱沖擊性高，非常有利于高的升溫速度。另外石墨本身在高溫下也與金可作為筑爐材料、工件外殼等使用。石墨發(fā)熱體形狀有棒狀、板狀、筒狀、線圈狀、布狀等，可根據(jù)工件的形狀、均熱、耐久性等進(jìn)行設(shè)計。布狀發(fā)熱體在加熱室強(qiáng)制冷卻時不能使用。筒狀、線圈狀用于特殊情況，通常生產(chǎn)用的石墨發(fā)熱體為棒狀、板槽狀。和金屬不同，石墨發(fā)熱體加熱后不變形，可以機(jī)械加工，所以有均熱精度問題和需要溫度梯度等時，由于容易調(diào)整厚度和裝卸，在操作和成本上是最適合于真空爐的加熱器。在設(shè)計上，與其幾何學(xué)形狀相比，機(jī)械加工后控制所要的電阻值更加重要。這種發(fā)熱體使用的加熱溫度為:真空中2 200 ℃左右，氣氛(N2 , Ar)中，可達(dá)3 000 ℃。石墨加熱器根據(jù)其形狀，有的重量較大，這就存在加熱器、導(dǎo)線、支撐夾具等緊固用螺栓的松弛等問題。另外，因為不象機(jī)械組裝那樣可以使用工具，所以應(yīng)注意加熱后的螺栓再緊固、螺栓的粗細(xì)及用力的大小。螺絲的松弛引起的接觸不良，會造成電極、發(fā)熱體熔化等事故，所以定期對爐內(nèi)進(jìn)行目測檢查極為重要。最近，C/C組合加熱器也存在固有電阻、價格高等問題，但與石墨相比，組合加熱器重量輕、強(qiáng)度高、堅固耐用，所以厚度可以設(shè)計得薄，熱容量也小，可以最新用于急升溫爐、急冷爐、HIP爐等。C/C材料還可代替石墨用作筑爐材料。b. 保溫材料金屬加熱器，通常使用金屬反射板為保溫材料。材質(zhì)與加熱器的相同或相近。板的厚度和板的數(shù)量是根據(jù)變形和輻射效率來決定的。經(jīng)各反射板輻射傳熱的熱損失，當(dāng)發(fā)射板為n塊時，近似為1/n+n。雖然板的數(shù)量越多，熱損失越小，但從經(jīng)濟(jì)上考慮，一般以5～6塊為最合適?？紤]到熱損失、變形，各反射板間用隔板組合，把它們連為一體。不過不能用螺栓等進(jìn)行固定、緊固，因為螺栓的熱膨脹和時效變化后，會引起反射板間貫通孔的變形，容易使熱電偶及調(diào)溫用溫度計發(fā)生故障。防止變形的措施為反射板的最內(nèi)層及最外層的板加厚，反射板的重量全部由下部支撐，并在外圍進(jìn)行固定，這樣就可以避免懸垂支撐造成的變形。另外，對于整體變形，可以在最外層的反射板上加裝凸緣等，這樣在2 200℃以上的高溫下，加熱器導(dǎo)線與加熱器的反射板，在變形后也不會接觸，可以確保長時間使用。此外該爐還有需要在氫氣氛中加熱等要求，所以設(shè)計時應(yīng)考慮更高溫度下的變形。從結(jié)構(gòu)材料上看，這種爐可能成為一種價格昂貴的真空爐，所以設(shè)計時應(yīng)多考慮裝置整體，如爐體用真空室的焊接、輻射熱的對策、水冷均勻化等。最近，還有一種可以與1800 ℃的陶瓷纖維等組合的保溫反射板實例。因為它在水吸附、硅分解、真空等方面尚有問題，所以使用時須注意。氈等保溫材料。這些保溫材料的熱容量小、蠶量輕、加工性和保溫效果好且易于筑爐。特別是對于強(qiáng)制冷卻兼用爐，其保溫材料表而是經(jīng)鍍碳C/C及涂石墨等表面保護(hù)處理后使用的。使用石墨保溫