半奧氏體沉淀硬化不銹鋼的一個重要特征是多種多樣的處理狀態,通過這些處理方式可以調整各種相變過程以得到預期的性能。
1. 固溶處理
固溶處理后稱為A狀態(austenization),通常加熱至1050℃,使碳及合金元素全部溶入奧氏體中以充分發揮它們的作用,冷至室溫后的組織為奧氏體加少量δ鐵素體。固溶處理有時稱為退火處理。固溶處理后鋼的強度最低,可進行成形加工,是這類鋼的一種主要供貨狀態。固溶處理溫度直接影響鋼的Ms~Mf范圍的位置,降低固溶溫度使Ms~Mf位置升高。調整固溶處理溫度可以做到精確調整Ms~Mf位置。
2. 冷處理
半奧氏體沉淀硬化不銹鋼在成分設計時將Ms~Mf位置控制在略低于零度的溫度,冷卻至-70℃以下(-73℃)便可完成奧氏體向馬氏體的轉變。成分一定時,可通過改變固溶溫度調整Ms~Mf位置。冷處理也稱為R處理(Refrigera-tion)。
3. 奧氏體調整處理
半奧氏體沉淀硬化不銹鋼處于A狀態后可通過調整處理(conditioning)使自奧氏體中析出碳化物等,降低奧氏體中的碳及合金元素含量,升高Ms~Mf位置,使之在冷至室溫或經冷處理后得到完全馬氏體轉變。調整處理可分為較低溫度調整處理(或稱一次回火處理)和高溫調整處理。調整處理又稱T狀態處理。
較低溫度調整處理采用加熱A狀態的鋼降至較低的溫度來調節Ms點,使鋼在室溫下獲得必要的馬氏體含量,然后通過時效進一步強化。圖9.93為調整處理溫度對這類鋼Ms點的影響示例。在700~800℃溫度范圍內,碳化物析出孕育期很短,析出速率和析出量最大,冷卻時Ms點升高最有效。經調整處理后,17-7PH和PH15-7Mo鋼的Ms點從低于-100℃增高至70℃以上,冷至室溫得到M+γ+δ組織,鋼中的殘余奧氏體在隨后加熱到500℃以上時效才完全分解。這種工藝較簡單,但在較低溫調整處理時,沿晶碳化物的析出降低了鋼的塑韌性。為彌補這一缺點,一般采用較高的時效溫度。
應指出,自較低溫度調整處理后冷至室溫的過程應在1小時內連續冷卻完成,緩慢冷卻或途中保溫都會導致奧氏體的穩定化和最終馬氏體相變不完全。
高溫調整處理的溫度選擇應使鋼的Ms點在室溫附近,而以略低于室溫為宜。例如17-7PH鋼,經1065℃固溶處理后,Ms點約低于室溫,Mf點低于-120℃,由于Ms和Mf點過低,只有經過-130℃甚至更低溫度的冷處理才能得到足夠含量的馬氏體。經固溶處理后采取950℃高溫調整處理,此時有一定數量的碳化物析出,Ms~Mf范圍升高,Ms點約為60℃,Mf點約-80℃,冷到室溫時得到部分馬氏體,不影響零件的沖壓加工,然后進一步冷卻到-73℃就可以得到主要是馬氏體的組織。這種方法處理后,由于晶界上只有少量碳化物析出,時效后仍能保證良好的塑性和較高的強度。此外,由于調整處理的加熱溫度較高,奧氏體(以后的馬氏體)中的碳及合金元素含量增加,也增加了鋼的強度。
4. 冷變形
冷變形明顯提高Ms點,促進馬氏體的轉變。通常10%~25%冷軋變形可使Ms點升至室溫以上,高變形量還可以使鋼的強度達到超高強度鋼的水平。冷變形起到調整處理的作用,隨后無須再進行冷處理而直接進行時效處理。冷變形也稱為C狀態(cold work),這種方法適用于板材生產。
5. 時效處理
時效處理也稱為H狀態(hardening),是最終一道熱處理工序,并由此獲得預期的力學性能。當鋼發生馬氏體相變,時效溫度高于400℃后,視鋼中添加合金元素的不同而析出各種強化相,大多在400~500℃達到時效硬化峰值,繼續提高回火溫度將產生過時效。
上述各種狀態的組合可使這類鋼獲得所要求的力學性能和使用性能。表9.66為一些半奧氏體沉淀硬化不銹鋼的力學性能。