一种临界固溶和临界升温时效热处理方法与流程

1.本发明涉及材料热处理技术领域，特别是指一种临界固溶和临界升温时效热处理方法。


背景技术：

2.奥氏体不锈钢与合金结构钢的热处理原理截然不同：合金结构钢在高温条件下能发生高温奥氏体组织转变(热处理工艺性好)，因此，合金结构钢极易通过淬火和回火热处理方法大幅度提高硬度(或力学性能)；而奥氏体不锈钢在高温条件下不能发生高温奥氏体组织转变(热处理工艺性差)，因此，奥氏体不锈钢极难通过固溶和时效等热处理方法大幅度提高硬度(或力学性能)。
3.固溶热处理的含义是：将奥氏体不锈钢加热至一定温度保持、使过剩相充分溶解、然后快速降温冷却以获得过饱和固溶体的热处理工艺，最主要作用是获得过饱和强化固溶体、为沉淀硬化处理做好组织准备、消除应力和成形工序间加工硬化；时效热处理的含义是：在奥氏体不锈钢经过固溶处理后再在室温或高于室温的温度保持、以使过饱和固溶体中形成溶质原子偏聚区和(或)第二相粒子析出弥散分布过剩相析出的热处理工艺，最主要作用是使奥氏体不锈钢沉淀硬化。
4.奥氏体不锈钢主要强化相是合金元素碳化物，弱化相是金属间化合物(如fe2w、fe2mo、cuo、fes、feo和mns等)；因固溶和时效热处理方法不同即使是同一材料的强化相与弱化相类型、数量、大小、形状、分布、熔点、脆性及硬度等也而不同，奥氏体不锈钢合金元素越多其差异性越大。
5.镍、铬、钨、钼、钒、钛、铝、铌等合金元素所形成的碳化物在奥氏体不锈钢中相对稳定性由高到低排列顺序是：hf＞zr＞ti＞ta＞nb＞v＞w＞mo＞cr＞mn＞fe＞co＞ni，因此，在钢中溶解上述合金元素可形成有限溶解的(fe，cr)3c、(fe，cr)7c3、(w，mo)6c和(fe，cr，ni，mn，w，mo)
23
c6等合金渗碳体以及完全互溶的mn3c、fe3c、(fe，mn)3c、vc、ta、nbc、(v，ta，nb)c、mo2c、w2c、fe3w3c、fe3mo3c、fe3(w，mo)3c等合金渗碳体；当固溶温度≥1000℃和≥1050℃时，多数碳化物相才分别基本溶解和完全溶解(相应也会影响时效过程)；因现有传统主流奥氏体不锈钢固溶加热温度为最高理论固溶温度，既不能快速避开700℃～815℃(敏化晶间腐蚀临界温度区)、940℃(fes
‑
feo共晶体熔点与溶解遗传临界温度区)、985℃(fe
‑
fes共晶体熔点与溶解遗传临界温度区)、1083℃(弱化相铜合金溶解的临界温度区)、1164℃(fes
‑
mns共晶体熔点与溶解遗传临界温度区)等不利临界温度区间，因此不能有效提高碳化物强化相固溶能力、范围、质量与效率等。事实上，奥氏体不锈钢固溶温度不是一个简单不变的单点温度数值，而是一个复杂多变的多点温度区间范围；现有传统主流固溶热处理方法优点是：能够有效提高奥氏体不锈钢中一种或少数合金元素强化相固溶能力、范围、质量与效率等；现有传统主流固溶热处理方法缺点是：不能有效提高绝大多数合金元素强化相的固溶能力、范围、质量与效率等，即使是增大固溶时间也是收效甚微(当时间达到一定程度以后其一种或少数合金元素固溶强化相固溶能力、范围、质量与效率等则会达到饱和
或极限状态)，合金元素强化相只能达到有限的固溶能力、范围、质量与效率等。因此，现有传统主流奥氏体不锈钢固溶热处理方法其实质是一种加热温度与时间为唯一条件下的一阶段单点固定式有限固溶热处理方法，是一种“以偏概全”非“统筹兼顾”的热处理方法。
6.奥氏体不锈钢时效热处理温度因其抗锈蚀腐蚀能力、抗高温强度、硬度高低、力学性能高低等使用要求不同而不同：如在低于500℃时主要析出极小量粒度较大的针棒状碳化物，在550℃～740℃时主要析出(fe，cr，ni，mn，w，mo)
23
c6等复合合金碳化物，在625℃～670℃时主要析出(fe，cr，ni，mn，w，mo)
23
c6等复合合金碳化物而较均匀地分布在晶体中，在700℃左右时碳化物开始出现剧集长大现象，在800℃左右时主要析出(fe，cr，ni，mn，w，mo)7c6等复合合金碳化物，在880℃左右时主要析出少量(fe，cr，ni，mn，w，mo)c复合合金碳化物，在高于900℃时会增大析出层状碳化物析出量而影响金属硬度和力学性能；因现有传统主流奥氏体不锈钢时效温度为时效最高理论温度，因此不能有效提高时效析出碳化物强化相的能力、范围、质量与效率等。事实上，奥氏体不锈钢时效温度不是一个简单不变的单点温度数值，而是一个复杂多变的多点温度区间范围；现有传统主流时效热处理方法优点是：能够有效提高奥氏体不锈钢中一种或少数合金元素强化相的时效析出能力、范围、质量与效率等；现有时效热处理方法缺点是：不能有效提高绝大多数合金元素强化相的时效析出能力、范围、质量与效率等，即使是增大时效时间也是收效甚微(当时间达到一定程度以后，该一种或少数合金元素强化相时效能力、范围、质量与效率等则会达到饱和或极限状态)，合金元素强化相只能达到有限的时效析出能力、范围、质量与效率等。因此，现有传统主流奥氏体不锈钢时效热处理方法其实质是一种加热温度与时间为唯一条件下的一阶段单点固定式有限时效热处理方法，是一种“以偏概全”非“统筹兼顾”的热处理方法。
7.尽管奥氏体不锈钢属于不锈钢材料系列，但其在机加工并停留一定时间以后的“光亮银白色金属表面”会不同程度地产生“变色锈蚀金属表面”现象，现有传统主流已知观点认为产生主要原因有：一是因奥氏体不锈钢化学成分不符合采购材料标准时所导致；二是因奥氏体不锈钢中cr、ni、w等防锈蚀金属含量相对较少或c、p、as、sb、bi等易变色锈蚀金属元素含量相对较多所导致；三是因奥氏体不锈钢表面金属与大气中氧、水及酸、碱、盐等物质发生化学反应或电化学反应将原本钢表面是一层坚固细密极薄的银白色光亮富铬氧化膜物质破坏形成疏松异类物质而引起表面变色或腐蚀(统称为锈蚀)所导致；四是因奥氏体不锈钢加工表面粗糙所导致；五是因奥氏体不锈钢零件在300℃～800℃条件下工作所导致。事实上，除此之外奥氏体不锈钢变色锈蚀还涉及有一个尚未认知非常重要的原因：那就是因奥氏体不锈钢在钢厂和制造厂所涉及的冶炼、轧钢、锻造和热处理等热加工方法不当尤其是材质、化学成分、炉批次、热加工温度、时间和冷却介质等诸多热加工复杂因素综合作用而产生较多易变色锈蚀的合金碳化物和非碳化物等所导致，这也是直接影响奥氏体不锈钢热处理最终效果的最根本原因之一。
8.基于以上诸多复杂因素综合影响，现有传统主流奥氏体不锈钢热处理技术难以解决以下“一长一高四差五低”特有热处理技术难题：
9.一是热处理质量稳定性差、合格品率低：当热处理质量稳定性较好时，其一次性热处理合格品率最高也只能达到99％(尤其是硬度值和力学性能即使是合格也只能达到下限值)；当热处理质量稳定性较差时，其一次性热处理合格品率极有可能100％不合格。
10.二是热处理硬度偏低(或力学性能低)与一致性差：固溶与时效热处理最终较易达
到20.0hrc～26.5hrc中低硬度值，较难达到27.0hrc～28.0hrc中高硬度值，极难达到28.5hrc～32.0hrc高硬度值，甚至还可能发生布氏硬度合格而洛氏硬度不合格的悖理现象。
11.三是抗变色锈蚀能力差：奥氏体不锈钢金属表面在机加工并停留一定时间以后由“光亮银白色”变为“变色锈蚀”的敏感性强和速度较快。
12.四是热处理加热时间长、效率低：在固溶和时效最高温度条件下的加热时间长，较难实现快速批量生产要求；为去除固溶和时效过程前、过程中和过程后所产生的残余冷热加工应力，应设置加热时间较长的独立退火工序；为解决固溶和时效热处理不合格，被迫进行返工返修等。
13.五是热处理设备加热可靠性差：现有箱式电阻炉设备的加热可靠性差(只具有传导和辐射传热功能)，远远不及流态粒子炉、盐浴炉和真空炉等设备(同时具有传导、辐射和对流传热功能)的加热可靠性高。
14.六是热处理设备高温元器件使用寿命低：设备高温元器件在固溶和时效最高温度条件下的高温负荷大和停留时间长所导致使用寿命低。
15.七是热处理成本高：在上述诸多不利条件综合作用下，最终导致热处理成本高。
16.综上所述，现有传统主流奥氏体不锈钢热处理方法皆不能解决奥氏体不锈钢热处理质量稳定性差、合格品率低、硬度偏低(或力学性能低)与一致性差、抗变色锈蚀能力差、加热时间长、效率低、热处理设备加热可靠性差与高温元器件使用寿命低以及成本高等“一长一高四差五低”特有热处理技术难题。


技术实现要素：

17.本发明要解决的技术问题是提供一种临界固溶和临界升温时效热处理方法，从根本上解决现有奥氏体不锈钢热处理“质量稳定性差、合格品率低、硬度偏低、力学性能低与一致性差、抗变色锈蚀能力差、加热时间长、效率低、热处理设备加热可靠性差与高温元器件使用寿命低以及成本高”等“一长一高四差五低”特有热处理技术难题。
18.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
19.一种临界固溶和临界升温时效热处理方法，包括：
20.临界固溶热处理过程，所述临界固溶热处理过程包括：在规定时间内在加热炉中将奥氏体不锈钢由室温中速升温到预热化温度时所进行的固溶前临界预热化加热与保温，其次再继续将奥氏体不锈钢快速升温到稳定化温度时所进行的固溶前临界稳定化加热与保温，再次再继续将奥氏体不锈钢快速升温到临界固溶最低温度时所进行的临界固溶最低温度加热与保温，然后再继续将奥氏体不锈钢快速升温到固溶最高温度时所进行的临界固溶最高温度加热与保温，最后再继续将奥氏体不锈钢采用特定冷却方式快速降温冷却时所进行的冷却；
21.在临界固溶热处理结束以后再继续进行临界升温时效热处理过程，临界升温时效热处理过程包括：首先在规定时间内将奥氏体不锈钢在加热炉中由室温中速升温到时效最低温度时所进行的临界时效最低温度加热与保温，其次再继续将奥氏体不锈钢快速升温到时效中间温度时所进行的临界时效中间温度加热与保温，再次再继续将奥氏体不锈钢快速升温到最终时效最高温度时所进行的临界时效最高温度加热与保温，最后再继续将奥氏体
不锈钢采用特定冷却方式快速降温到室温时所进行的冷却。
22.可选的，所述临界固溶热处理过程是在4阶段加热温度区间、4阶段加热顺序、4阶段加热时间、4阶段加热次数、特定冷却方式条件下所进行的4阶段临界固溶热处理过程。
23.可选的，所述临界固溶热处理的总计固溶次数为1次。
24.可选的，所述4阶段临界固溶温度区间是指：从由室温升温到固溶前预热化温度tscp阶段开始，继续升温到固溶前稳定化温度tscs阶段，再继续升温到临界固溶最低温度tscmin阶段，最后升温到固溶最高温度tscmax阶段结束的4阶段临界固溶升温加热温度区间。
25.可选的，所述临界固溶前预热化温度tscp与临界固溶理论最低加热温度tscmin的数学关系式为：tscp＝tsctmin
–
(330～350)℃；
26.其中，tscp为临界固溶前预热化温度，单位为℃；tsctmin为临界固溶理论最低加热温度，单位为℃。
27.可选的，所述临界固溶前稳定化加热温度tscs与临界固溶理论最低加热温度tscmin的数学关系式为：tscs＝tsctmin
–
(120～150)℃；
28.其中，tscs为临界固溶前稳定化加热温度，单位为℃；tsctmin为临界固溶理论最低加热温度，单位为℃。
29.可选的，所述临界固溶的临界固溶最低加热温度tscmin与临界固溶理论最低加热温度tsctmin和铜合金溶解临界温度的数学关系式为：
30.tsctmin+(5～10)℃≤tscmin≤1083℃
–
(13～15)℃
31.其中，tscmin为临界固溶最低加热温度，单位为℃；tsctmin为临界固溶理论最低加热温度，单位为℃；1083℃为铜合金溶解临界温度，单位为℃。
32.可选的，所述临界固溶最高加热温度tscmax与固溶最高理论加热温度tsctmax和fes
‑
mns共晶体溶解临界温度的数学关系式为：
33.tscmax≤tsctmax≤1164℃
–
(12～14)℃
34.其中，tscmax为临界固溶最高加热温度，单位为℃；tsctmax为临界固溶最高理论加热温度，单位为℃；1164℃为fes
‑
mns共晶体溶解临界温度，单位为℃。
35.可选的，所述临界固溶分为4阶段加热时间：与临界4阶段固溶温度相对应的临界固溶前预热化、临界固溶前稳定化、临界固溶最低温度和临界固溶最高温度的4阶段加热时间。
36.可选的，所述临界固溶时间按递减时间法进行，递减时间法的每一阶段加热时间τ
scn
与固溶前预热化加热时间τ
sc1
和递减时间级差τ
sc0
的数学关系式为：τ
scn
＝[τ
sc1
–
(n
–
1)τ
sc0
]；
[0037]
其中，τ
scn
为临界固溶递减时间法的每一阶段加热时间，min或h，τ
scn
分为τ
sc1
、τ
sc2
、τ
sc3
、τ
sc4
，τ
sc1
＞τ
sc2
＞τ
sc3
＞τ
sc4
；τ
sc1
为临界固溶第一阶段的固溶前预热化加热时间，min或h；τ
sc2
为临界固溶第二阶段的固溶前稳定化加热时间，min或h；τ
sc3
为临界固溶第三阶段的临界固溶最低温度加热时间，min或h；τ
sc4
为临界固溶第四阶段的固溶最高温度加热时间，min或h，τ
sc4
≤5min；n为临界固溶加热的第n阶段数，n＝1，2，3，4；τ
sc0
为临界固溶加热的递减时间级差，min或h，为相同不变的具体数值。
[0038]
本发明的上述方案至少包括以下有益效果：
[0039]
(1)本发明的临界固溶和临界升温时效热处理方法，具有技术可行性、工艺适应性、质量可靠性、经济合理性、使用安全性，有效扬长避短了传统主流奥氏体不锈钢热处理方法的优缺点，从根本上解决了现有奥氏体不锈钢热处理质量稳定性差、合格品率低、硬度偏低(或力学性能低)与一致性差、抗变色锈蚀能力差、加热时间长、效率低、热处理设备加热可靠性差与高温元器件使用寿命低以及成本高等“一长一高四差五低”特有热处理技术难题。
[0040]
(2)本发明的临界固溶和临界升温时效热处理方法，热处理工艺性好，可有效增加固溶与时效强化相、减少或抑制固溶与时效弱化相以及减少残余冷热加工应力与变形，能够满足奥氏体不锈钢使用性能要求。
[0041]
(3)本发明的临界固溶和临界升温时效热处理方法，质量稳定好和可靠性高，可精准、有效、快速获得分布区间范围为中限或上限且公差≤2.5hrc的优化热处理硬度(或力学性能)，一次性热处理硬度(或力学性能)合格品率高达100％。
[0042]
(4)本发明的临界固溶和临界升温时效热处理方法，可有效提高奥氏体不锈钢在机加工以后表面抗变色锈蚀能力。
[0043]
(5)本发明的临界固溶和临界升温时效热处理方法，可有效提高热处理效率(尤其是可满负荷装炉快速生产、减少固溶和时效热处理总时间至少40％等)。
[0044]
(6)本发明的临界固溶和临界升温时效热处理方法，可有效提高加热设备高温元器件使用寿命。
[0045]
(7)本发明的临界固溶和临界升温时效热处理方法，可有效降低了奥氏体不锈钢热处理成本。
附图说明
[0046]
图1是现有奥氏体不锈钢由在最高固溶温度条件下共进行1次1阶段固溶和在最高时效温度条件下共进行1次1阶段时效所组成的固溶和时效热处理工艺过程示意图；
[0047]
图2是本发明的临界固溶和临界升温时效热处理方法流程示意图；
[0048]
图3是奥氏体不锈钢由在临界固溶温度条件下按递减时间法共进行1次4阶段临界固溶和在临界时效温度条件下按均等时间法共进行1次7阶段临界升温时效所组成的临界固溶和临界升温时效热处理工艺过程(包括临界固溶与临界时效热处理的升温、保温、降温、冷却过程和所用时间等)示意图。
具体实施方式
[0049]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0050]
如图2所示，本发明的实施例提出一种临界固溶和临界升温时效热处理方法，包括：步骤21，临界固溶热处理过程和步骤22，临界升温时效热处理过程；
[0051]
所述方法过程为：首先进行第一部分临界固溶热处理，最后再进行第二部分升温时效热处理。
[0052]
所述第一部分临界固溶热处理过程：即依靠第一部分临界固溶热处理工艺：包括首先在规定时间内在加热炉中将奥氏体不锈钢由室温中速升温到预热化温度时所进行的固溶前临界预热化加热与保温，其次再继续将奥氏体不锈钢快速升温到稳定化温度时所进行的固溶前临界稳定化加热与保温，再次再继续将奥氏体不锈钢快速升温到临界固溶最低温度时所进行的临界固溶最低温度加热与保温，然后再继续将奥氏体不锈钢快速升温到固溶最高温度时所进行的临界固溶最高温度加热与保温，最后再继续将奥氏体不锈钢采用特定冷却方式快速降温冷却时所进行的冷却等工步组成的临界固溶热处理工艺过程；
[0053]
所述第二部分临界升温时效热处理过程：即在第一部分临界固溶热处理结束以后然后再继续进行第二部分临界升温时效热处理，依靠临界升温时效热处理工艺：包括首先在规定时间内将奥氏体不锈钢在加热炉中由室温中速升温到时效最低温度时所进行的临界时效最低温度加热与保温、其次再继续将奥氏体不锈钢快速升温到时效中间温度时所进行的临界时效中间温度加热与保温、再次再继续将奥氏体不锈钢快速升温到最终时效最高温度时所进行的临界时效最高温度加热与保温、最后再继续将奥氏体不锈钢采用特定冷却方式快速降温到室温时所进行的冷却等工步组成的临界升温时效热处理工艺过程。
[0054]
在本发明的实施例中，所述第一部分临界固溶热处理的总计固溶次数为1次。
[0055]
在本发明的实施例中，所述第一部分临界固溶热处理方法，是在4阶段加热温度区间、4阶段加热顺序、4阶段加热时间、4阶段加热次数、特定冷却方式等条件下所进行的4阶段临界固溶热处理方法。
[0056]
在本发明的实施例中，所述第一部分临界固溶加热温度区间是指：从由室温升温到临界固溶前预热化温度tscp阶段开始、继续升温到临界固溶前稳定化温度tscs阶段、再继续升温到临界固溶最低温度tscmin阶段、最后升温到临界固溶最高温度tscmax阶段结束的4阶段临界固溶加热温度区间。
[0057]
在本发明的实施例中，所述第一部分固溶加热温度区间阶段数应适中：如1阶段的固溶能力过差(为现有固溶技术)、2阶段的固溶能力较好、≥6阶段的固溶能力又过剩，因此，本实施例特设置固溶前预热化温度tscp、固溶前稳定化温度tscs、固溶最低温度tscmin、固溶最高温度tscmax不同的4阶段临界固溶加热温度区间：所述临界固溶第一阶段的固溶前预热化温度tscp区间，既是有效克服奥氏体不锈钢在700℃～800℃以下导热率低与高温膨胀严重、减少热应力与变形的最有利加热温度区间，也是在升温阶段快速避开450℃～500℃(贫铬析出临界温度区和大粒度针棒状碳化物析出临界温度区)、475℃(冷脆性临界温度区和大粒度针棒状碳化物析出临界温度区)、550℃～670℃(石墨化、晶间腐蚀或沿晶脆裂临界温度区)等的最有利加热温度区间；所述临界固溶第二阶段的固溶前稳定化温度tscs区间，既是减小工件变形与残余应力、便于cr固溶、不形成但会溶解cr
23
c6等强化相(不在晶间析出而晶界不贫铬)、含钛或铌奥氏体不锈钢形成稳定的tic或nbc的最有利加热与保温温度区间，也是在升温阶段快速避开700℃～815℃(敏化晶间腐蚀临界温度区)、940℃(fes
‑
feo共晶体熔点与溶解遗传临界温度区)、985℃(fe
‑
fes共晶体熔点与溶解遗传临界温度区)以及接近有效固溶最低温度tscmin等的最有利加热温度区间；所述临界固溶第三阶段的固溶最低温度tscmin区间，既是有效固溶最低温度区间，也是在升温阶段快速避开940℃(fes
‑
feo共晶体熔点与溶解遗传临界温度区)、985℃(fe
‑
fes共晶体熔点与溶解遗传临界温度区)、1083℃(弱化相铜合金溶解与遗传临界温度区)、1164℃(fes
‑
mns共晶体
熔点与溶解遗传临界温度区)等的最有利加热温度区间；所述临界固溶第四阶段的固溶最高温度tscmax区间，既是有效固溶最高温度区间，也是在升温阶段快速避开1083℃(弱化相铜合金溶解与遗传临界温度区)、1164℃(fes
‑
mns共晶体熔点与溶解遗传临界温度区)、1193℃(fes化合物熔点与溶解遗传临界温度区)等的最有利加热温度区间。最终结果表明：将临界固溶设置为上述4阶段不同的温度区间，既可充分挖掘固溶潜在的特殊功能，又大幅度提高了固溶能力、质量和效率等，尤其是可大幅度增加固溶强化相、减少或抑制固溶弱化相、减小加热应力、减小高温加热时间、提高抗变色锈蚀能力、提高效率和提高加热设备高温元器件使用寿命等。
[0058]
在本发明的实施例中，临界固溶前预热化温度tscp与临界固溶理论最低加热温度tscmin的数学关系式为：tscp＝tsctmin
–
(330～350)℃；
[0059]
式中tscp为临界固溶前预热化温度，℃，也为临界固溶第一阶段的加热温度；tsctmin为临界固溶理论最低加热温度，℃。
[0060]
在本发明的实施例中，临界固溶前稳定化加热温度tscs与临界固溶理论最低加热温度tscmin的数学关系式为：tscs＝tsctmin
–
(120～150)℃；
[0061]
式中tscs为临界固溶前稳定化加热温度，℃，也为临界固溶第二阶段的加热温度；tsctmin为临界固溶理论最低加热温度，℃。
[0062]
在本发明的实施例中，临界固溶的临界固溶最低加热温度tscmin与临界固溶理论最低加热温度tsctmin和铜合金溶解临界温度的数学关系式为：
[0063]
tsctmin+(5～10)℃≤tscmin≤1083℃
–
(13～15)℃
[0064]
式中tscmin为临界固溶最低加热温度，℃，也为临界固溶第三阶段的加热温度；tsctmin为临界固溶理论最低加热温度，℃；1083℃为铜合金溶解临界温度，℃。
[0065]
在本发明的实施例中，临界固溶最高加热温度tscmax与固溶最高理论加热温度tsctmax和fes
‑
mns共晶体溶解临界温度的数学关系式为：
[0066]
tscmax≤tsctmax≤1164℃
–
(12～14)℃
[0067]
式中tscmax为临界固溶最高加热温度，℃，也为临界固溶第四阶段的加热温度；tsctmax为临界固溶最高理论加热温度，℃；1164℃为fes
‑
mns共晶体溶解临界温度，℃。
[0068]
在本发明的实施例中，临界固溶分为4阶段加热时间：与临界4阶段固溶温度相对应的临界固溶前预热化、临界固溶前稳定化、临界固溶最低温度和临界固溶最高温度的4阶段加热时间。
[0069]
在本发明的实施例中，临界固溶时间不宜过长也不宜过短：过长时，尽管固溶充分但会超过强化相溶解极限程度和增加弱化相，同时也增加设备高温元器件高温负荷时间；过短时，固溶强化相不能充分溶解，因此，将4阶段临界固溶加热时间按递减时间法进行，即固溶前预热化、固溶前稳定化、临界固溶最低温度、固溶最高温度加热时间按τ
s1
＞τ
s2
＞τ
s3
＞τ
s4
进行，即可有效快速溶解与增加固溶强化相、减小或抑制固溶弱化相以及有效减小加热应力、减小最高温条件下的加热时间、提高抗变色锈蚀能力、提高热处理效率和提高加热设备高温元器件使用寿命。
[0070]
在本发明的实施例中，所述临界固溶时间按递减时间法进行，递减时间法的每一阶段加热时间τ
scn
与固溶前预热化加热时间τ
sc1
和递减时间级差τ
sc0
的数学关系式为：τ
scn
＝[τ
sc1
–
(n
–
1)τ
sc0
]；
[0071]
式中τ
scn
为临界固溶递减时间法的每一阶段加热时间，min或h，τ
scn
分为τ
sc1
、τ
sc2
、τ
sc3
、τ
sc4
，τ
sc1
＞τ
sc2
＞τ
sc3
＞τ
sc4
；τ
sc1
为临界固溶第一阶段的固溶前预热化加热时间，min或h；τ
sc2
为临界固溶第二阶段的固溶前稳定化加热时间，min或h；τ
sc3
为临界固溶第三阶段的临界固溶最低温度加热时间，min或h；τ
sc4
为临界固溶第四阶段的固溶最高温度加热时间，min或h，τ
sc4
≤5min；n为临界固溶加热的第n阶段数，n＝1，2，3，4；τ
sc0
为临界固溶加热的递减时间级差，min或h，为相同不变的具体数值。
[0072]
在本发明的实施例中，所述第一部分临界固溶热处理最终冷却方式为：在室温水中冷却。
[0073]
在本发明的实施例中，所述第一部分临界固溶热处理工艺过程为：
[0074]
第一阶段：将奥氏体不锈钢在加热炉中在工艺规定的时间τ
sc1
内由室温中速升温到临界预热化温度tscp进行固溶前临界预热化加热与保温；
[0075]
第二阶段：再继续将奥氏体不锈钢在加热炉中在工艺规定的时间τ
sc2
内由临界预热化温度tscp快速升温到临界稳定化温度tscs进行固溶前临界稳定化加热与保温；
[0076]
第三阶段：再继续将奥氏体不锈钢在加热炉中在工艺规定的时间τ
sc3
内由临界稳定化温度tscs快速升温到临界固溶最低温度tscmin进行临界固溶最低温度加热与保温；
[0077]
第四阶段：再继续将奥氏体不锈钢在加热炉中在工艺规定的时间τ
sc4
内由临界固溶最低温度tscmin快速升温到临界固溶最高温度tscmax进行临界固溶最高温度加热与保温；
[0078]
最后再继续将奥氏体不锈钢由临界固溶最高温度tscmax快速出炉在冷却介质室温水中进行快速冷却(并将冷却以后的奥氏体不锈钢置于室温工作现场)。
[0079]
在本发明的实施例中，所述第二部分临界升温时效热处理方法：即是在第一部分临界固溶热处理结束以后再继续在第二部分多阶段加热温度区间、多阶段加热顺序、多阶段加热时间、多阶段加热次数、特定冷却方式等条件下所进行的多阶段临界升温时效热处理方法；所述第二部分临界升温时效热处理是依靠临界升温时效和临界低温退火复合热处理工艺过程来实现的。
[0080]
在本发明的实施例中，所述第二部分临界升温时效热处理的总计时效次数为1次。
[0081]
在本发明的实施例中，临界升温时效温度区间为：从临界升温时效最低加热温度区间tacmin开始、再依次经过n
–
2个临界升温时效中间加热温度区间tacm、最终到临界升温时效最高加热温度区间tacmax结束的n个分阶段(3≤n≤7，即n＝3，4，5，6或7)组成的临界升温时效加热温度区间。
[0082]
在本发明的实施例中，因奥氏体不锈钢时效温度范围较窄(在170℃～230℃之间)，临界升温时效温度区间既不宜过少也不宜过多：为1阶段时效温度区间时属于现有技术(无温度级差)，时效能力过差；为2阶段时效温度区间时(温度级差较大)，时效能力有所增加但还是不足；为≥8阶段时效温度区间时(温度级差过小)，时效能力过剩(事实上，在温度级差过小的每一升温或降温过渡阶段也仍然具有一定的时效能力)。因此，将临界升温时效温度区间设置为3≤n≤7，即n＝3，4，5，6或7个分阶段可更有利于提高时效能力、范围、质量与效率等。
[0083]
在本发明的实施例中，临界升温时效温度区间的最主要作用是：所述临界升温时效最低加热分阶段温度tacmin区间，是有效时效的最低温度区间，也是在升温阶段快速避
开450℃～500℃(贫铬析出临界温度区和大粒度针棒状碳化物析出临界温度区)、475℃(冷脆性临界温度区和大粒度针棒状碳化物析出临界温度区)、550℃～670℃(石墨化、晶间腐蚀或沿晶脆裂临界温度区)等的最有利加热与保温温度区间；所述临界升温中间时效n
–
2个分阶段温度tacm区间，是介于临界升温时效最低加热温度tacmin区间与临界升温时效最高加热温度tacmax区间之间的最佳加热与保温温度区间；所述临界升温时效最高加热温度tacmax区间，是有效时效的最高温度区间，也是在升温与降温阶段快速避开850℃～900℃(形成σ相临界温度区、少量析出(fe，cr，ni，mn，w，mo)c复合合金碳化物或析出层状碳化物临界温度区)。因此，将临界升温时效温度区间设置为n个分阶段区间可更加有效增加时效强化相、减少或抑制时效弱化相、获得质量稳定好和可靠性高、热处理硬度一致性好的优化硬度区间范围、提高抗变色锈蚀能力以及提高热处理效率等。
[0084]
在本发明的实施例中，临界升温时效最低加热温度tacmin与理论最低时效温度tactmin的数学关系式为：tacmin＝tactmin+(20～30)℃；
[0085]
式中tacmin为临界升温时效最低加热温度，℃；tactmin为时效理论最低加热温度，℃。
[0086]
在本发明的实施例中，临界升温时效最高加热温度tacmax与时效最高理论加热温度tactmax的数学关系式为：tacmax＝tactmax
–
(20～30)℃；
[0087]
式中tacmax为临界升温时效最高加热温度，℃；tactmax为时效最高理论加热温度，℃。
[0088]
在本发明的实施例中，临界升温时效每一阶段的中间加热温度tacm与时效最低加热温度tacmin和时效最高加热温度tacmax的数学关系式为：
[0089]
tacm＝tacmin+n
i
(tacmax
–
tacmin)/(n
–
1)
[0090]
式中tacm为临界升温时效每一阶段的中间加热温度，℃，也是临界升温时效第2分阶段到倒数第2分阶段的具体阶段温度；tacmin为临界升温时效最低加热温度，℃，也是临界升温时效第1分阶段的加热温度；n
i
为从第2分阶段到倒数第2分阶段由低到高加热温度区间的具体第n
i
分阶段数，1≤n
i
≤5，即n
i
＝1，2，3，4或5；tacmax为时效最高加热温度，℃，也是临界升温时效最后分阶段的加热温度；(tacmax
–
tacmin)/n为升温递增温度级差，℃，为不变的具体数值；n为始于时效最低加热温度tacmin终于时效最高加热温度tacmax区间的总分阶段数，3≤n≤7，即n＝3，4，5，6或7。
[0091]
在本发明的实施例中，临界升温时效工作化加热温度tacw与工件使用温度tw、临界升温时效最低加热温度tacmin、临界升温时效最高加热温度tacmax的数学关系式为：tacmin＜tw+(60～100)℃≤tacw≤tacmax；
[0092]
式中tacw为临界升温时效工作化加热温度，℃，tacw至少应在每一次的临界中间时效加热温度tacm区间内出现一次；tw为工件使用温度，℃；tacmin为临界升温时效最低加热温度，℃；tacmax为临界升温时效最高加热温度，℃。
[0093]
在本发明的实施例中，所述临界升温时效总时间既不能过短也不能过长：过短时，合金元素强化相只能达到有限的时效析出能力、范围、质量与效率等；过长时，合金元素强化相时效能力、范围、质量与效率等则会达到饱和或极限状态。临界升温时效总时间τ
acn
与理论时效总时间τ
ant
的数学关系式为：τ
acn
＝(1/2～1/3)τ
ant
；
[0094]
式中τ
acn
为临界升温时效总时间，min或h；τ
ant
为理论时效总时间，min或h。
[0095]
在本发明的实施例中，当临界升温时效时间按均等时间法进行时，均等时间法的临界升温时效加热总时间τ
acn
与升温时效第1分阶段、第2分阶段、第3分阶段、
……
、第n分阶段加热温度区间对应时效的每一阶段加热时间τ
acn
的数学关系式为：τ
acn
＝∑τ
acn
＝∑τ
acn
/n；
[0096]
式中τ
acn
为均等时间法的临界升温时效加热总时间，min或h；τ
acn
为临界升温时效第1分阶段、第2分阶段、第3分阶段、
……
、第n分阶段加热温度区间对应时效的每一阶段加热时间，min/次或h/次，分别为τ
ac1
、τ
ac2
、τ
ac3
、τ
ac4
、τ
ac5
、τ
ac6
或τ
ac7
，τ
ac1
＝τ
ac2
＝τ
ac3
＝τ
ac4
＝τ
ac5
＝τ
ac6
或＝τ
ac7
；n为临界升温时效加热的总阶段数，3≤n≤7(即n＝3，4，5，6或7)；n为临界升温时效加热的第n阶段数，1≤n≤7(即n＝1，2，3，4，5，6或7)。
[0097]
在本发明的实施例中，当临界升温时效时间按递增时间法进行时，递增时间法的临界升温时效加热总时间τ
acn
与升温时效第1分阶段、第2分阶段、第3分阶段、
……
、第n分阶段加热温度区间对应时效的每一阶段加热时间τ
acn
的数学关系式为：τ
acn
＝∑τ
acn
＝∑[τ
ac1
+(n
–
1)τ
ac0
]；
[0098]
式中τ
acn
为递增时间法的临界升温时效加热总时间，min或h；n为临界升温时效加热的总阶段数，3≤n≤7(即n＝3，4，5，6或7)；τ
acn
为临界升温时效每一阶段加热时间，min/次或h/次，分别为τ
ac1
、τ
ac2
、τ
ac3
、τ
ac4
、τ
ac5
、τ
ac6
、τ
ac7
，τ
ac1
＞τ
ac2
＞τ
ac3
＞τ
ac4
＞τ
ac5
＞τ
ac6
＞τ
ac7
；n为临界升温时效加热的第n阶段数，1≤n≤7(即n＝1，2，3，4，5，6或7)；τ
ac1
为临界升温时效第一阶段加热时间，min/次或h/次；τ
ac0
为临界升温时效加热时间递增级差，min/次或h/次，为相同不变的具体数值。
[0099]
在本发明的实施例中，当临界升温时效时间按递减时间法进行时，递减时间法的临界升温时效加热总时间τ
acn
与升温时效第1分阶段、第2分阶段、第3分阶段、
……
、第n分阶段加热温度区间对应时效的每一阶段加热时间τ
acn
的数学关系式为：τ
acn
＝∑τ
acn
＝∑[τ
ac1
–
(n
–
1)τ
ac0
]；
[0100]
式中τ
scn
为递减时间法的临界升温时效加热总时间，min/次或h/次；n为临界升温时效加热的总阶段数，3≤n≤7(即n＝3，4，5，6或7)；τ
acn
为临界升温时效第1分阶段、第2分阶段、第3分阶段、
……
、第n分阶段加热温度区间对应时效的每一阶段加热时间，min/次或h/次，分别为τ
ac1
、τ
ac2
、τ
ac3
、τ
ac4
、τ
ac5
、τ
ac6
、τ
ac7
，τ
ac1
＜τ
ac2
＜τ
ac3
＜τ
ac4
＜τ
ac5
＜τ
ac6
＜τ
ac7
；n为临界升温时效加热的第n阶段数，1≤n≤7(即n＝1，2，3，4，5，6或7)；τ
ac1
为临界升温时效第一阶段加热时间min/次或h/次；τ
ac0
为临界升温时效加热递减时间级差，min/次或h/次，为相同不变的具体数值。
[0101]
在本发明的实施例中，临界升温时效最终冷却起始温度tacch与临界升温时效最高温度tacmax的数学关系式为：tacch＝tacmax
–
(60～90)℃；
[0102]
式中tacch为临界升温时效最终冷却起始温度，℃；tacmax为临界升温时效最高温度，℃。
[0103]
在本发明的实施例中，所述第二部分临界升温时效热处理最终冷却方式为：采用打开炉门或其它冷却方式不出炉由临界升温时效最高温度tacmax快速降温到临界升温时效最终冷却起始温度tacch后不保温出炉再在室温水中冷却。
[0104]
在本发明的实施例中，所述第二部分临界升温时效热处理，包括以下过程：第1步，临界升温时效开始加热过程s1：在第一部分临界固溶热处理结束以后，再将奥氏体不锈钢
在加热炉中由室温中速升温加热到时效最低加热温度范围tacmin，并在工艺规定的时间范围内进行加热与保温；第2步，临界升温时效中间加热过程s2：继续将奥氏体不锈钢在加热炉中依次快速升温到n
–
2个中间时效温度范围tacm(3≤n≤7，即n＝3，4，5，6或7)，并依次在工艺规定的时间范围内进行加热与保温；第n
–
1步，临界升温时效结束加热步骤s(n
–
1)：再继续将奥氏体不锈钢在加热炉中快速升温到最终时效最高温度范围tacmax结束，并在工艺规定的时间范围内进行加热与保温；第n步，临界升温时效最后冷却过程sn：最后再继续采用打开炉门或其它冷却方式将奥氏体不锈钢不出炉由临界升温时效最高温度tacmax快速降温到临界升温时效最终冷却起始温度tacch后不保温出炉再在室温水中冷却。
[0105]
由上述技术方案可知，本发明从根本上解决了现有传统主流奥氏体不锈钢技术方法不能解决的质量稳定性差、合格品率低、硬度偏低(或力学性能低)与一致性差、抗变色锈蚀能力差、加热时间长、效率低、热处理设备加热可靠性差与高温元器件使用寿命低以及成本高等“一长一高四差五低”特有热处理技术理论与实践难题。
[0106]
以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，尽管本发明是以奥氏体不锈钢(所用加热设备为现有传统的箱式电阻加热炉)热处理方法为研究对象的，但也同样适用于其它类型不锈钢和高温合金等热处理方法(加热设备还可以选用：其它类型的电阻加热炉、高中低频加热炉、盐浴加热炉、燃气燃油燃料加热炉、流态粒子加热炉、真空加热炉等)；同理，也适用于在钢厂和制造厂所涉及的奥氏体不锈钢冶炼、轧钢、锻造和热处理等热加工工程技术领域中所涉及的热处理方法；同时，还应该指出的是：对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干个排列、组合、变形和改进(尤其是可根据奥氏体不锈钢牌号、使用性能和加热设备等不同适当地调整或改变固溶和时效加热温度和加热时间以及冷却介质等)等也同样应视为本发明的保护范围。