304不锈钢工业热处理工艺研究

2020-07-29丁有治张强杨钘超杨雅超吕川周焕军

中国设备工程 2020年15期

丁有治，张强，杨钘超，杨雅超，吕川，周焕军

（新昌县长城空调部件股份有限公司，浙江绍兴 312500）

蒸发器是制冷四大件中重要的组件，低温的冷凝液体通过蒸发器，与外界的空气进行热交换，气化吸热，达到制冷的效果。当前，制冷行业均采用白铜蒸发管，但是，考虑到重金属离子铜给人体带来的危害，国际上，对于与人的饮食密切相关的蒸发器，不少企业开始研究采用不锈钢代替铜合金。光亮热处理工艺对不锈钢蒸发器的性能具有重要影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

304不锈钢是应用最广泛的一种奥氏体不锈钢，因其具有良好的塑性（伸长率≥40%），很适合进行冲压、弯曲等加工方式。而蒸发器是一种管状、多处弯曲特征的产品，见图1，对材料的成型性能有更高的要求，因此，用304不锈钢作为蒸发器的替代材料。本实验采用食品级0.5mm壁厚的304不锈钢作为蒸发器加工用材料。

图1 蒸发器产品实物

1.2 试验设备

一般不锈钢做光亮热处理，采用真空热处理或还原保护气氛热处理，考虑到批量生产的应用，本实验所采用的设备为一小型网带加热炉。炉子的保护气氛由氨气分解的氮气和氢气组成，比例可进行人为控制。其中，氢气是炉子生产的还原气氛，用以与炉内的氧结合；氮气作为网带路的吹扫气体，在点炉、停炉或是突发事故时，吹扫炉内的空气或氢气，在正常生产时，氮气对网带路的进出口进行吹扫密封。

冷室采用冷却水套冷却马弗罐，并利用氮气和氢气混合气强迫冷却，保证不锈钢热处理后的冷却速度。

1.3 光亮热处理工艺

304不锈钢的光亮热处理涉及固溶处理和光亮处理两部分。

（1）固溶处理工艺研究。为了研究固溶处理工艺对不锈钢冷凝管组织的影响，选择了加热温度和加热时间两个因素，工艺曲线及工艺参数如图2，表1所示，其中加热时间依靠调整网带速度控制，加热结束后，以55℃/s左右的冷却速度急速将冷凝管冷却至350℃以下。

图2 固溶热处理工艺曲线图

表1 固溶热处理工艺参数

（2）光亮工艺研究。为了研究光亮工艺中保护气氛对不锈钢冷凝管表面的影响，选择了氢气流量因素对不锈钢冷凝管表面光亮的影响。氢气流量按表2控制，为保证压力不变，对混合气体的比例进行控制。

表2 氢气流量工艺参数

2 实验结果及讨论

2.1 加热温度与加热时间对不锈钢冷凝器组织性能的影响

冷凝器固溶处理的目的，是去除工件在成型过程中的应力，并消除冷加工、焊接等带来的碳偏析的影响。这就要求加热过程中，不锈钢全部转变成奥氏体，并经过快速冷却，获得单相的奥氏体组织，避免在晶界析出Cr23C6为主的碳化物，引起材料敏化，降低工件的耐腐蚀性。

2.1.1 加热温度

1000℃的加热温度下，组织为奥氏体、少量铁素体以及少量碳化物，由于固溶温度较低，碳化物没有全部溶解，固溶并不充分。加热温度为1020℃时，依然有少量的铁素体和碳化物没有溶解为奥氏体，但是，明显可见具有多边形形貌的晶界，这是由于加热过程中再结晶生成奥氏体的缘故。加热温度为1040℃时，碳化物已全部溶解，能明显发现晶粒与晶界线，且奥氏体组织均匀整齐，但依然有少量的铁素体组织。加热温度为1060℃时，金相组织较1040℃加热温度更加均匀，晶界线更加明显，只有微量的片状铁素体组织。加热温度为1080℃和1100℃时，组织的均匀性进一步提高，但是，晶粒较加热温度1060℃明显粗化，且在1100℃时，有少量的铁素体和碳化物。

2.1.2 加热时间

加热时间为3min时，能分辨出晶界线，组织未溶解为单相，有铁素体和少量碳化物。加热时间为6.5min时，晶界线更加明显，只有微量的片状铁素体组织。但是，当加热时间为10min时，铁素体和碳化物又开始增多。

综上，工件经过1060℃的加热温度和6.5min的加热时间处理后，铁素体与碳化物几乎全部溶解到奥氏体中，与其他加热温度相比，具有更理想的晶粒尺寸，且组织一致性较好。

2.2 氢气流量对不锈钢冷凝器表面的影响

氢气的压力保持0.2MPa不变，通入的流量分别为3 m3/h、4.5 m3/h、6 m3/h时，其表面如图3。

图3 不同氢气流量下304不锈钢的表面情况

在氢气的流量分别为3.0m3/h时，不锈钢表面呈墨绿色，说明不锈钢表面已经被氧化。在氢气的流量增加到4.5m3/h时，不锈钢表面光亮，没有被氧化，说明此时炉内氧已被氢气充分还原。在氢气的流量增加到5.0m3/h时，不锈钢表面也是呈现光亮。综上，在压力保持不变的情况下，在氢气的流量增加到4.5m3/h时，不锈钢表面光亮，考虑到经济因素，氢气流量控制在4.5～5.0m3/h较为合理。

2.3 讨论

2.3.1 加热温度

铬的碳化物的分解固溶，与加热温度有相当重要的关系，在1000～1080℃范围内，随着加热温度的升高，碳化物从部分固溶到基本全部固溶。但是，在1060～1100℃时，随着加热温度的升高，奥氏体晶粒开始粗化，且又发现了少量的碳化物。众所周知，加热温度的升高，可以提高碳在奥氏体中的固溶度，有资料显示，304不锈钢在600℃时，碳的固溶度为0.02%，1000℃时为0.18%，1200℃时为0.34%，但是为什么在1100℃时，金相显示又有碳化物出现呢？笔者认为，在奥氏体晶粒粗大时，晶界的表明积会减少，因而在晶界上，碳化物的析出密度就会增高，相比1060℃时，碳化物析出的时间要更短、更早。

2.3.2 加热时间

虽然在1000℃以上时，碳的固溶度达到0.18%，但是，仍然需要一定的时间保证碳全部溶解。当然，随着时间的增加，奥氏体也会出现粗化现象，所以在1060℃×10min工艺情况下，显微组织也发现了析出的碳化物。

2.3.3 保护性气氛

氢气作为保护气氛，可以保护不锈钢冷凝器避免氧化、脱碳，且氢气是一种还原性气氛，能把冷凝器表面的氧化膜还原，从而使冷凝器表面更加光亮。氢气的通入量，将直接影响炉内的气氛，若炉内未充满氢气，则冷凝器表面在高温下极易氧化，呈现绿色。