304不銹鋼的固溶處理熱處理工藝簡介
摘要
研究了不同熱處理工藝對304奧氏體不銹鋼組織和性能的影響。304奧氏體不銹鋼試塊進行1050℃保溫30min固溶處理，分別在水中和在空氣中冷卻。結果發現得出組織均為單相奧氏體，水中冷卻不銹鋼硬度更高，說明水冷后獲得更大的內應力。原材料進行650℃保溫60min敏化處理和800℃保溫60min敏化處理，對比得出在800℃保溫60min時更容易發生晶間腐蝕。因此，304不銹鋼熱處理時應避免在敏化溫度區間內較高溫度停留較長的時間。
奧氏體不銹鋼是指在常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼。鋼中含Cr約18%、含Ni8%—10%、C約0．1%時，具有穩定的奧氏體組織。奧氏體不銹鋼無磁性而且具有高韌性和塑性，但強度較低，不可能通過相變使之強化，僅能通過冷加工進行強化。如加入S，Ca，Se，等元素，則具有良好的易切削性。此類鋼除耐氧化性、酸介質腐蝕外，如果含有Mo、Cu等元素還能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸等的腐蝕。此類鋼中的含碳量若低于0．03%或含Ti、N，就可顯著提高其耐晶間腐蝕性能。由于奧氏體不銹鋼具有全面的和良好的綜合性能，在各行各業中獲得了廣泛的應用［1—5］。
304奧氏體不銹鋼作為一種用途廣泛的鋼，具有良好的腐蝕性、耐熱性、低溫強度和機械性能；沖壓、彎曲等熱加工性好，無熱處理硬化現象，無磁性。用于家庭用品（餐具、櫥柜、鍋爐、熱水器），汽車配件，醫療器具，建材，化學，食品工業，船舶部件。根據不同的要求，其常用的熱處理工藝主要有：固溶處理、穩定化處理和去應力處理等［6，7］，由其應用的廣泛性，其熱處理工藝的研究對生產有很好的指導意義。1實驗方法實驗原材料為304奧氏體不銹鋼（國內牌號為0Cr18Ni9）化學成分為碳≤0．08%，硅≤1．00%，錳≤2．00%，磷≤0．045%，硫0．03%，鎳8．0%—10．5%，鉻18%—20%。原材料通過熱軋而成，切割成直徑20mm，高20mm的圓柱體試樣。對試樣分別在1050℃，保溫30min空冷和水冷進行固溶處理，在650℃并保溫1h段后空冷和800℃并保溫1h空冷至室溫，進行敏化處理。對原材料和熱處理試樣采用洛氏硬度計和金相顯微鏡進行硬度和金相組織分析。
2實驗結果與討論
2．1原材料夾雜物的測定結果
按照國標《GB/T10561—2005鋼中非金屬夾雜物含量的測定》實驗方法，對原材料非金屬夾雜物如圖1所示，在100倍下與標準圖對比，可以得出原材料含有兩類夾雜物。沿軋制方向排成一列為氧化鋁類（B類），從粒度粗細和長度可以判斷是細系，1．5級。形態比小，成黑色無規則分布的顆粒為球狀氧化物類（D類），從粒度和數量可以判斷是細系，1．5級。所以測定結果為細系B1．5，細系D1．5。因此，夾雜物等級符合國家標準。
2．2原材料的金相組織及力學性能分析
原材料金相組織如圖2所示。浸蝕方法為高氯化鐵5g，鹽酸10mL，酒精500mL混合液，浸蝕10min。奧氏體晶粒均勻細小，根據《GB/T6394—2002金屬平均晶粒度測定法》，晶粒度可評定為5．5級。另外，晶粒中伴有孿晶，黑點為非金屬夾雜物。從金相圖片可看出此原材料已經經過固溶處理。原材料各種硬度測量如表1所示，硬度分布比較均勻，平均值為HB187左右。
表1原材料各種硬度測量值表
測量次數 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 平均值 |
硬度值/HBW | 187 | 185 | 189 | 190 | 186 | 187.4 |
2．3熱處理工藝對組織及性能的影響
2．3．1固溶處理對組織的影響
將304奧氏體不銹鋼原材料加熱到1050℃，保溫30min，通過快冷至室溫，進行重新固溶處理。固溶處理后的組織如圖3，圖4所示。圖3為空冷后的試樣金相組織，圖4為水冷后的試樣金相組織。浸蝕方法為高氯化鐵5g，鹽酸10mL，酒精500mL混合液，浸蝕10min。
從金相組織照片可以看出，固溶處理后的金相試樣比較難腐蝕，晶界不是很明顯。此金相組織為奧氏體晶粒，晶粒比較均勻細小，并伴有孿晶，黑點為碳化物。根據《GB/T6394—2002金屬平均晶粒度測定法》進行評級，空冷后晶粒度為5．5級左右，與原材料晶粒度相比變化不大，因此也可以推知原材料的固溶處理時也是進行空冷的。水冷后晶粒度有所增大，為6．5級左右。
2．3．2固溶處理對力學性能的影響
固溶處理時空冷和水冷所得的各種硬度值如表2所示。從表2可以看出，當冷卻速率提高時，奧氏體不銹鋼的硬度也相應地增加。奧氏體不銹鋼在冷卻時并沒有組織的變化，而硬度卻升高了。這是由于奧氏體不銹鋼在快速冷卻時，外層受急冷收縮而變硬，內部溫度仍然高而軟，由于外層之收縮而受塑性壓縮變形。如同受到沖床加工，上下收縮而橫向膨脹。由于外冷內熱，繼續冷卻到室溫則內部之收縮較外層多。由于內部的收縮在外層產生壓縮應力，這種熱應力使其表面有極大壓應力，促使奧氏體不銹鋼表面抗疲勞強度增加，硬度也增加［8］。由于這種殘余壓應力對材料的力學性能產生好的作用。因此，在奧氏體不銹鋼固溶處理時用水冷比用空冷好。
2．3．3敏化處理
敏化處理是指已經過固溶處理的奧氏體不銹鋼，在500—850℃度加熱，將鉻原子從奧氏體中以Cr23C6碳化物的形式沿晶界析出，造成奧氏體不銹鋼的晶界腐蝕敏感性增強，這就是敏化處理。工藝1：將304奧氏體不銹鋼加熱到650℃，并保溫60min，然后出爐空冷到室溫。敏化后在不同倍率下看到的金相組織如圖6中A、B圖所示。工藝2：將304奧氏體不銹鋼加熱到800℃，并保溫1h，然后出爐空冷到室溫。敏化后在不同倍率下看到的金相組織如圖6中C、D所示。浸蝕方法均為高氯化鐵5g，鹽酸10mL，酒精500mL混合液，浸蝕時間均為10min。從金相組織可以看出，在同樣的浸蝕條件下，650℃保溫60min敏化時組織的晶界腐蝕不明顯。而800℃保溫60min敏化時組織的晶界腐蝕比較明顯。主要原因是在敏化溫度區間（一般為500—900℃）較高溫度時，晶界附近的奧氏體中的鉻元素更容易以Cr23C6的形式沿晶界析出，造成了晶界附近奧氏體中的鉻元素減少，使得此處的電位降低，使得此處更容易被腐蝕。當敏化溫度不是很高，而且敏化保溫時間不夠長時，Cr23C6析出并沒有聚集在晶界上，而以點蝕的形式分散在晶粒里，因此金相照片中的晶粒上有著彌散的Cr23C6析出物。界腐蝕比較明顯。主要原因是在敏化溫度區間（一般為500—900℃）較高溫度時，晶界附近的奧氏體中的鉻元素更容易以Cr23C6的形式沿晶界析出，造成了晶界附近奧氏體中的鉻元素減少，使得此處的電位降低，使得此處更容易被腐蝕。當敏化溫度不是很高，而且敏化保溫時間不夠長時，Cr23C6析出并沒有聚集在晶界上，而以點蝕的形式分散在晶粒里，因此金相照片中的晶粒上有著彌散的Cr23C6析出物。
3結論
通過對304奧氏體不銹鋼熱處理工藝的研究，得出了結論如下：
（1）固溶處理后的奧氏體不銹鋼有更好的耐腐蝕性能，固溶后水冷比空冷獲得的表面硬度更高，而且表面是殘余壓應力，對其他力學性能也有利。
（2）可以得出敏化后的奧氏體不銹鋼十分容易被腐蝕。而且，敏化溫度越高，敏化時間越長，敏化后的晶間腐蝕傾向越大。因此，奧氏體不銹鋼熱處理時一定避免在敏化區間內進行。
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