金屬熱處理工藝學和其他自然科學相同, 是隨著生產力的發(fā)展而發(fā)展的, 同時和其他科學技術的發(fā)展緊密相關。熱處理工藝是古代冶金技術發(fā)展的結果,是作為冶金技術的一部分, 逐漸發(fā)展而形成的一門科學。近年來我廠時常遇到一些問題: 在制造過程中,將本應針對而且只能針對零部件的預備熱處理與產品的最終熱處理混合使用, 分別不清, 造成了材料的組織和性能與原設計要求不符。主要體現(xiàn)在對碳鋼和低合金鋼制造的壓力容器上為淬火 ( 加回火) 、正火 ( 加回火) 兩種情況; 對奧氏體不銹鋼體現(xiàn)在固溶 ( 加穩(wěn)定化處理) 情況。
GB150 4. 2. 4 中指出: “ 對容器制造過程中需要進行熱處理的碳素鋼和低合金鋼鋼板, 鋼廠的交貨狀態(tài)可不用表4-1 ( 鋼板的鋼號、標準、使用狀態(tài)及在一系列溫度下的許用應力) 中的使用狀態(tài)。 ”有關文獻中對此也有強調指出, 應有資料證明相應鋼材規(guī)范要求的熱處理已經進行并檢驗合格。制造是依據(jù)設計進行的材料加工, 確保材料使用狀態(tài)符合設計要求是對制造的基本要求。因此, 有必要明確理順熱處理目的和作用, 以及其對象間的對應關系。
一、分析問題
一般把熱處理工藝分為最終熱處理和預先熱處理兩大類。最終熱處理的目的是使零件或產品達到設計使用的性能要求, 而預先熱處理的目的則是消除或改善前工序引起的缺陷, 為后續(xù)工作做好性能與組織準備。同一種熱處理方式在作用于不同的對象, 也就分別地稱為最終熱處理和預先熱處理。例如: 當焊后熱處理只針對零部件使用時, 它就是預先熱處理; 而針對于整臺產品使用時, 則為最終熱處理。
下面就提出在我廠出現(xiàn)的幾種熱處理形式。
1. 焊后熱處理
(1) 焊后熱處理。利用金屬在高溫下屈服強度的降低, 使應力高的地方產生塑性流變, 從而達到消除焊接殘余應力的一種熱處理, 屬去應力退火 ( 低溫退火)對碳鋼和低合金鋼制壓力容器, 是將產品緩慢加熱到500 ～ 650℃, 保溫一定時間, 然后隨爐均勻冷卻。應力是彈性體晶格對變形的響應。
焊后熱處理可以起到:
?、?改善焊接接頭的塑性和韌性, 提高抗應力腐蝕能力。
?、?消除焊接接頭中的內應力和冷作硬化, 提高接頭抗脆斷能力。
?、?穩(wěn)定焊接構件形狀, 避免在焊后機加工和使用過程中的變形。
?、?促使焊縫中的氫向外擴散。
?、?有些壓力容器對安全性能有較高的要求 ( 如盛裝極度或高度危害介質) , 進行焊后熱處理可以提高其安全裕度。
焊后熱處理具有多種作用, 有時可以與消氫處理、恢復及改善性能熱處理合并進行, 可以消除封頭、筒體等零部件冷成形及中溫成形后的殘余應力。
(2) 消氫處理。焊后立即將焊接件加熱到較高溫度, 提高氫在鋼中的擴散能力, 使焊縫金屬中過飽和狀態(tài)的氫原子加速擴散逸出, 以降低容器產生延遲裂紋可能性的一種熱處理。通常加熱到200 ～350℃, 保溫時間與焊接接頭厚度有關, 一般應≥0. 5h。需要消氫處理的容器, 如焊后隨即進行焊后消除應力熱處理, 可免做焊后消氫處理, 但要控制在16 ～ 24h。
并不是所有金屬材料焊接時都會產生延遲裂紋。延遲裂紋的產生與材料的強度級別和化學成分有關, 只有強度級別較高的低合金鋼才可能發(fā)生這一現(xiàn)象。一般需要進行消氫處理的壓力容器需要進行焊后熱處理, 而需要焊后熱處理的設備不一定都需要消氫處理。
消氫處理在有關文獻中被稱為脫氫處理, 即在工件組織不發(fā)生變化的條件下, 通過低溫加熱、保溫, 使工件內的氫向外擴散進入大氣中的退火。
2. 正火
正火是工業(yè)上常用的熱處理工藝之一。正火既可作為預備熱處理工藝, 為下工序熱處理工藝提供適宜的組織狀態(tài), 例如為過共析剛的球化退火提供細片狀珠光體, 消除網狀碳化物等; 也可作為最終熱處理工藝, 提供合適的力學性能, 例如碳素結構鋼零件的正火處理等。此外, 正火處理也常用來消除某些處理缺陷。例如, 消除粗大鐵素體塊, 消除魏氏組織等。一般正火加熱溫度為Ac3 + ( 30 ～ 50) ℃, 保溫一定時間 【 一般正火保溫時間以工件燒透 ( 即心部達到要求的加熱溫度) 為準】 , 使奧氏體均勻化, 然后出爐在空氣中或以其他適當方式冷卻。必須指出, 正火是為了獲得細珠光體組織, 對于某些合金鋼, 空氣冷卻已超過其臨界冷卻速度, 從而發(fā)生了貝氏體或馬氏體轉變, 這時的 “ 空氣冷卻”已屬于淬火而非正火了。
在實際生產中, 正火加熱溫度常略高于上述溫度。提高加熱溫度能夠促進奧氏體均勻化, 增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性。在常用鋼材的正火加熱溫度中, 如果正火作為預先熱處理, 宜取上限溫度, 這樣有利于組織均勻化; 如果正火作為最終熱處理, 則取下限溫度, 可得到較細小的奧氏體晶粒。
3. 固溶處理
固溶處理是將奧氏體不銹鋼加熱到 1010 ～1120℃( 具體溫度隨鋼種而異) , 經適當保溫使碳化物盡量溶入奧氏體基體, 然后快速冷卻至室溫使碳化物來不及析出呈過飽和狀態(tài)固溶在基體中, 以獲得單相奧氏體組織的一種熱處理。其次, 固溶處理是為了獲得適宜的晶粒度, 以保證合金高溫抗蠕變性能。奧氏體不銹鋼的正常交貨狀態(tài)是固溶狀態(tài)。
在壓力容器中, 固溶處理可以起到的作用有:
(1) 對于非超低碳奧氏體不銹鋼, 固溶處理是防止晶間腐蝕的重要手段。
(2) 對于經熱成形的受壓元件, 可采用固溶處理達到恢復原有性能的目的。
(3) 對于冷成形或使用工況改變了其奧氏體組織狀況時, 可以根據(jù)實際情況通過固溶處理予以恢復。例如, 冷成形的奧氏體不銹鋼受壓元件, 在設計溫度處于敏化溫度范圍, 并且加工變形率超過某一限度時, 應進行成形后的熱處理 ( 對于304 型和 316 型奧氏體不銹鋼受壓元件, 當設計溫度在 580 ～ 675℃, 且加工變形率超過20% 時; 或者設計溫度超過 675℃, 且加工變形率超過10% 時, 應在冷成形后進行熱處理) 。再例如, 奧氏體不銹鋼受壓元件在深冷工況使用時, 可以采用冷成形后進行固溶處理的方式來恢復低溫韌性。
4. 穩(wěn)定化處理
穩(wěn)定化處理: 為使工件在長期服役的條件下形狀和尺寸變化能夠保持在規(guī)定范圍內的熱處理。根據(jù) 《 安全工程大辭典》 , 含鈦或含鈮的奧氏體不銹鋼的一種提高抗晶間腐蝕能力的熱處理方法。在奧氏體不銹鋼冶煉時加入數(shù)倍于含碳量的鈦或鈮元素, 可在形成 Cr23 C6之前優(yōu)先形成鈦或鈮的碳化物, 這些碳化物幾乎不固溶于奧氏體中。在焊接從高溫冷卻時, 即使經過易析出 Cr23 C6的敏化溫度區(qū)間 ( 850 ～ 450℃) 時, 也不會沿晶界大量析出 Cr23 C6 , 從而大大提高了抗晶間腐蝕的能力。為了使鋼達到最大的穩(wěn)定度, 還應進行穩(wěn)定化處理, 即將構件加熱至900℃使 Cr23C6充分溶解到奧氏體中, 而此時讓鈦和鈮充分形成非常穩(wěn)定的碳化鈦和碳化鈮, 然后在空氣中冷卻, 即使經過敏化溫度時, 也無 Cr 23 C6在晶界析出。經穩(wěn)定化處理后的奧氏體不銹鋼便大大降低了晶間腐蝕的可能性。
穩(wěn)定化處理只適用于在晶間腐蝕環(huán)境下選用含穩(wěn)定化元素 ( Ti 或 Nb) 奧氏體不銹鋼的場合。壓力容器制造中可以單獨進行穩(wěn)定化處理, 考慮到奧氏體不銹鋼的正常交貨狀態(tài)是固溶狀態(tài), 因此穩(wěn)定化處理是固溶處理后的追加熱處理。
穩(wěn)定化處理在有關文獻中被稱為穩(wěn)定化退火, 即為使工件中微細的顯微組成物沉淀或球化得退火。例如,某些奧氏體不銹鋼在 850℃附近進行穩(wěn)定化退火, 沉淀出 TiC、NbC、TaC, 防止耐晶間腐蝕性能降低。
5. 調質處理
淬火后高溫回火的熱處理方法稱為調質處理。高溫回火是指在500 ～ 650℃之間進行回火。調質可以使鋼的性能、材質得到很大程度的調整, 其強度、塑性和韌性都較好, 具有良好的綜合力學性能。調質處理后得到回火索氏體?；鼗鹚魇象w ( tempered sorbite) 是馬氏體于回火時形成的, 在光學金相顯微鏡下放大 500 ～600 倍才能分辨出來, 其為鐵素體基體內分布著碳化物 ( 包括滲碳體) 球粒的復合組織。它也是馬氏體的一種回火組織, 是鐵素體與粒狀碳化物的混合物。此時的鐵素體已基本無碳的過飽和度, 碳化物也為穩(wěn)定型碳化物, 常溫下是一種平衡組織。
調質常應用在中碳 ( 低合金) 結構鋼和低合金鑄鋼中, 總之對力學要求高的結構零部件都要進行調質處理。調質處理的目的是使鋼件有很高的韌性和足夠的強度, 具有綜合的優(yōu)良力學性能。例如高壓緊固件和地腳螺栓通常采用的 40MnB、35CrMoA 等合金鋼通過調質處理才能達到要求的力學性能。
針對我廠實際情況, 鋼材在熱加工之后可能會改變鋼材的供貨狀態(tài), 可根據(jù)設計要求的鋼材使用狀態(tài)對熱加工后的受壓元件進行必要的熱處理。
(1) 熱軋狀態(tài)使用的鋼材, 熱加工后的受壓元件一般可不重新進行熱處理。
(2) 正火狀態(tài)使用的鋼材, 熱加工后需重新進行正火處理。如果熱加工時的加熱溫度與鋼材的正火溫度相當, 且隨爐的熱加工工藝試板經評定合格, 可不重新進行正火處理。
(3) 正火加回火使用狀態(tài)的鋼材, 熱加工后需重新進行正火加回火處理。如果熱加工時的加熱溫度與鋼材的正火溫度相當, 且隨爐的熱加工工藝試板經正火處理后評定合格, 則該受壓元件熱加工后可僅進行回火處理。
(4) 調質狀態(tài)使用的鋼材, 受壓元件熱加工后應重新進行調質處理。
(5) 奧氏體不銹鋼的熱加工受壓元件應控制熱加工終了溫度在850℃以上, 加熱后應快冷。如有晶間腐蝕試驗要求, 熱加工后應對受壓元件本身或熱加工工藝試板進行試驗評定, 若試驗結果不合格, 則應進行固溶處理 ( 加穩(wěn)定化熱處理) 。
熱處理是使金屬材料升溫、保溫然后冷卻的過程,應從本質上把握加熱溫度、升溫速度、保溫時間和冷卻速度對性能的影響。淬火 ( 加回火) 、正火 ( 加回火) 、固溶處理 ( 加穩(wěn)定化處理) 有一個共同特點, 那就是在加熱到要求的溫度后, 經過一段時間的保溫后要快速冷卻, 以實現(xiàn)改善鋼材微觀組織和使其組織均勻性的目的。而壓力容器因具有密閉空間難以實現(xiàn)快速冷卻, 需要采用上述材料狀態(tài)制造的往往是重要的壓力容器, 確保設計文件要求的鋼材供貨狀態(tài)不被破壞顯得尤為重要。
二、問題的解決
(1) 如受壓元件在加工過程中有可能改變了材料的組織狀態(tài)和力學性能, 則在加工后應進行必要的熱處理以恢復其供貨狀態(tài)。
(2) 對設計部門而言, 選材需要綜合考慮制造對其性能的不利影響因素, 以使材料最終使用狀態(tài)符合設計選材需要。
(3) 無論是 “ 預先熱處理”還是 “ 最終熱處理”都是金屬的熱處理工藝學在實際生產中的一種表述。但重要的不是概念的表述, 而是明確內涵, 理順概念所對應的熱處理對象。