固溶熱處理
正文
將合金加熱到適當溫度,保持足夠長的時間,使一種或幾種相(一般為金屬間化合物)溶入固溶體中,然後快速冷卻到室溫的金屬熱處理操作,簡稱固溶處理。經過固溶熱處理的合金,其組織可以是過飽和固溶體或通常只存在於高溫的一種固溶體相,因此在熱力學上處於亞穩態,在適當的溫度或應力條件下會發生脫溶或其他轉變。有些書刊中,常常把固溶熱處理看作是含義更廣泛的“淬火”的一種形式,這是因為固溶熱處理工藝採取快速冷卻的操作。在一般情況下,固溶熱處理是一種預先熱處理,它的作用是為合金隨後的熱處理準備最佳條件。因此,不同合金的固溶熱處理,儘管在操作上基本相同,但是其目的卻可以有很大的差異。下面用三個典型實例對此加以說明。
①鋁銅二元系中,銅在鋁中的固溶度隨溫度有顯著的變化(圖1),548℃時為5.65%,而在250℃時則僅為0.1~0.2%。含4%銅的鋁銅二元合金在退火狀態下的組織為鋁基α固溶體和比較粗大的θ(CuAl2)相顆粒,此合金經過固溶處理,即加熱到α單相區內,保持足夠長的時間,使θ相溶解,得到基本上是均勻的固溶體,然後快冷,可以在室溫得到過飽和的α固溶體。經過在室溫放置一段時間後,由於過飽和固溶體脫溶分解,合金的硬度和強度明顯提高,這一過程又稱自然時效。許多能夠產生沉澱硬化的工業鋁合金(如 Al-Cu-Mg、Al-Mg-Si、Al-Zn-Mg-Cu等合金系的合金),其最終熱處理都要先進行固溶處理,然後根據合金的特性及使用要求,再進行自然時效、人工時效或更複雜的處理(如分級時效等)。 ②含 1.2%碳、13%錳的Mn13高錳鋼(即Hadfield鋼)經過固溶處理,即加熱到1050~1100℃,保持足夠長的時間,使碳化物M3C溶入奧氏體(圖2),然後淬入水中,可以在室溫得到單相奧氏體組織,其硬度值很低(約為HB200),但是具有很高的加工硬化能力以及優良的耐磨性和韌性。套用這種鋼製造的鐵路道岔,其磨損面經使用過程中的加工硬化,硬度值可增加到HB495~535。 ③含0.07%碳、17%鉻、7%鎳、1.15%鋁的17-7PH沉澱硬化不鏽鋼,經過固溶處理,即加熱到1065℃,保持數分鐘,然後在空氣中冷卻,可以在室溫得到單相奧氏體組織,具有良好的塑性和成形性。隨後進行調整處理及深冷處理,即加熱到955℃,保持10分鐘,在空氣中冷卻到室溫,再冷卻到-73℃,保持8小時,使奧氏體轉變為馬氏體,最後在510℃進行時效處理1小時,使金屬間化合物NiAl析出,產生沉澱硬化。與固溶處理後相比,屈服強度由275兆帕(1兆帕≈10.2千克力/厘米2)提高到1520兆帕,抗拉強度由900兆帕提高到1620兆帕,伸長率由35%降低到6%(見金屬的強化)。