【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的熱處理工藝過(guò)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(guò)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(duì)最終凝固組織起著至關(guān)重要的作用，正因?yàn)檫@個(gè)三相區(qū)的存在也產(chǎn)生了復(fù)雜的凝固過(guò)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(duì)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(zhǎng)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(shí)也通過(guò)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(duì)于奧氏體凝固行為的研究人們比較關(guān)心的問(wèn)題有兩個(gè)，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?yàn)椴讳P鋼是一種多元復(fù)雜合金，合金元素眾多，研究起來(lái)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(jiǎn)化應(yīng)用FeCrNi三元合金相圖來(lái)研究這些問(wèn)題。奧氏體不銹鋼中，不同的元素對(duì)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(jì)算方法也不盡相同。計(jì)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(duì)發(fā)表了大量研究FeCrNi合金及FeCr合金凝固過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(wú)形核勢(shì)壘，受樹枝晶生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)控制奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變則要通過(guò)鐵素體的形核。不同Ni含量的不銹鋼激光焊接時(shí)的組織轉(zhuǎn)變圖。不同生長(zhǎng)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(shí)，首先是鐵素體平界面生長(zhǎng)，然后通過(guò)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(zhǎng)，后來(lái)轉(zhuǎn)變?yōu)榘魻钌L(zhǎng)。 （3）奧氏體不銹鋼的相選擇問(wèn)題遵循最高界面溫度法則?？梢酝ㄟ^(guò)界面響應(yīng)函數(shù)(Interfaceresponsefunction,IRF)計(jì)算出不同的相析出時(shí)的界面溫度。界面溫度是成分、生長(zhǎng)速率、溫度梯度的函數(shù)。 K/mm時(shí)δ、γ共晶生長(zhǎng)的界面響應(yīng)函數(shù)奧氏體不銹鋼連鑄過(guò)程：連鑄實(shí)質(zhì)上是一個(gè)傳熱和相變的過(guò)程[4]，在這一過(guò)程中鋼液熱量被帶走，在熱量的導(dǎo)出過(guò)程中金屬液體發(fā)生著相變。這個(gè)過(guò)程伴隨著動(dòng)量傳輸、熱量傳輸、物質(zhì)傳輸。連鑄過(guò)程也是一個(gè)工業(yè)化連續(xù)過(guò)程，這就決定了若采用工業(yè)化試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化工藝參數(shù)，必然要面臨費(fèi)時(shí)、費(fèi)力和需要大量資金投入的問(wèn)題。因此對(duì)連鑄的研究很少采用工業(yè)化試驗(yàn)，至多用工業(yè)化的產(chǎn)品質(zhì)量來(lái)驗(yàn)證工藝參數(shù)是否得當(dāng)。另外連鑄過(guò)程由于設(shè)備復(fù)雜和溫度很高，很多問(wèn)題，如結(jié)晶器內(nèi)部的凝固過(guò)程無(wú)法進(jìn)行直接研究，給生產(chǎn)工藝的改進(jìn)帶來(lái)了困難。對(duì)連鑄凝固過(guò)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(guò)程中各階段的傳輸現(xiàn)象和應(yīng)力應(yīng)變情況，對(duì)連鑄過(guò)程進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而來(lái)改善連鑄工藝。（2）用可行的實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)連鑄過(guò)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(duì)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(shí)驗(yàn)。下面分別介紹這三種方法：a. 數(shù)值模擬 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算機(jī)研究凝固、傳熱、傳質(zhì)等復(fù)雜過(guò)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(duì)現(xiàn)象進(jìn)行描述，進(jìn)而揭示凝固過(guò)程規(guī)律、預(yù)測(cè)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(guò)恰當(dāng)?shù)臄?shù)值方法，利用計(jì)算機(jī)來(lái)求解這些模型，得到能反映過(guò)程規(guī)律、指導(dǎo)實(shí)踐的結(jié)果。用數(shù)值模擬對(duì)連鑄過(guò)程進(jìn)行研究，有著迅速、廉價(jià)、靈活、直觀并易于理解的優(yōu)點(diǎn)。總的說(shuō)來(lái)，數(shù)值模擬是研究連鑄過(guò)程中的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、溶質(zhì)場(chǎng)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(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)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(shí)際結(jié)果有一定的偏差，尤其用來(lái)研究凝固問(wèn)題，不能和實(shí)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(diǎn)，直接對(duì)其流動(dòng)進(jìn)行定量測(cè)量是非常困難的。但由于高溫鋼液與水介質(zhì)在流體動(dòng)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(shí)物中研究現(xiàn)象和過(guò)程本身，而是用與實(shí)物相似的模型來(lái)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(guò)實(shí)驗(yàn)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(shí)物，從而揭示了這些現(xiàn)象或過(guò)程的規(guī)律，因而連鑄過(guò)程中鋼液流動(dòng)特性可以用水來(lái)模擬。這種用水介質(zhì)物理模擬實(shí)際結(jié)晶器中流動(dòng)的試驗(yàn)方法稱之為冷態(tài)物理模擬，冷態(tài)物理模擬的試驗(yàn)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(jì)和分析、鋼液流場(chǎng)研究不可或缺的實(shí)驗(yàn)裝置，一方面對(duì)在研究水口結(jié)構(gòu)、拉坯速度等連鑄工藝參數(shù)對(duì)流場(chǎng)影響等方面起到很大作用，另一方面水模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果已成為建立數(shù)學(xué)模型和驗(yàn)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(yàn)裝置上再現(xiàn)材料在制備或熱加工過(guò)程中的受熱或同時(shí)受熱與受力的物理過(guò)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(guò)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(cè)技術(shù)、電子模擬技術(shù)及計(jì)算機(jī)知識(shí)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(yàn)替代傳統(tǒng)的大量的、大型的工業(yè)試驗(yàn)，不但節(jié)約了人力、物力、財(cái)力，還可以研究連鑄生產(chǎn)實(shí)際中難以直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的高難復(fù)雜問(wèn)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(zhǎng)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(jiǎn)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(zhǎng)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(diǎn)a鍛件圖制定。小銹鋼在870℃才起皮，燒損較少，設(shè)計(jì)鍛件圖時(shí)，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(shí)要嚴(yán)格控制溫度和速度:80000以下緩慢加熱（～），到920℃時(shí)可快速加熱，當(dāng)溫度達(dá)到1150～1200℃時(shí)，鋼的塑性較高，溫度高于1300℃會(huì)發(fā)生過(guò)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(shí)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(shí)輕擊修整。此外，為保正鍛件表表面質(zhì)量，鍛件應(yīng)力爭(zhēng)一火鍛成。d鍛模潤(rùn)滑。用石墨加煤汕或低粘性礦物油（鉛和硫含量低)潤(rùn)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(wú)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?？绽?。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(duì)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(tái)面積等選擇。加熱方法一般使用最實(shí)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(duì)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(guò)加熱真空容器間接地對(duì)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(shí)間也長(zhǎng)。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(duì)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(shí)，僅對(duì)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(duì)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(jiǎn)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(guò)SU耐熱鋼管對(duì)工件加熱，真空容器要裝真空密封件。因此，無(wú)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?。使用一般金屬加熱器根?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(guò)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(jià)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(shí)的放熱損失等問(wèn)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(jì)。布狀發(fā)熱體在加熱室強(qiáng)制冷卻時(shí)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(wèn)題和需要溫度梯度等時(shí)，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(jì)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(wèn)題。另外，因?yàn)椴幌髾C(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(huì)造成電極、發(fā)熱體熔化等事故，所以定期對(duì)爐內(nèi)進(jìn)行目測(cè)檢查極為重要。最近，C/C組合加熱器也存在固有電阻、價(jià)格高等問(wèn)題，但與石墨相比，組合加熱器重量輕、強(qiáng)度高、堅(jiān)固耐用，所以厚度可以設(shè)計(jì)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(lái)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(shí)，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。考慮到熱損失、變形，各反射板間用隔板組合，把它們連為一體。不過(guò)不能用螺栓等進(jìn)行固定、緊固，因?yàn)槁菟ǖ臒崤蛎浐蜁r(shí)效變化后，會(huì)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(jì)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(duì)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(huì)接觸，可以確保長(zhǎng)時(shí)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(jì)時(shí)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(jià)格昂貴的真空爐，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)多考慮裝置整體，如爐體用真空室的焊接、輻射熱的對(duì)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(shí)例。因?yàn)樗谒?、硅分解、真空等方面尚有?wèn)題，所以使用時(shí)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(duì)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。使用石墨保溫材等真空爐的最大特點(diǎn)是在加熱時(shí)，使