304不銹鋼工業熱處理工藝研究

丁有治，張強，楊钘超，楊雅超，呂川，周煥軍

（新昌縣長城空調部件股份有限公司，浙江 紹興 312500）

蒸發器是制冷四大件中重要的組件，低溫的冷凝液體通過蒸發器，與外界的空氣進行熱交換，氣化吸熱，達到制冷的效果。當前，制冷行業均采用白銅蒸發管，但是，考慮到重金屬離子銅給人體帶來的危害，國際上，對于與人的飲食密切相關的蒸發器，不少企業開始研究采用不銹鋼代替銅合金。光亮熱處理工藝對不銹鋼蒸發器的性能具有重要影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

304不銹鋼是應用最廣泛的一種奧氏體不銹鋼，因其具有良好的塑性（伸長率≥40%），很適合進行沖壓、彎曲等加工方式。而蒸發器是一種管狀、多處彎曲特征的產品，見圖1，對材料的成型性能有更高的要求，因此，用304不銹鋼作為蒸發器的替代材料。本實驗采用食品級0.5mm壁厚的304不銹鋼作為蒸發器加工用材料。

圖1 蒸發器產品實物

1.2 試驗設備

一般不銹鋼做光亮熱處理，采用真空熱處理或還原保護氣氛熱處理，考慮到批量生產的應用，本實驗所采用的設備為一小型網帶加熱爐。爐子的保護氣氛由氨氣分解的氮氣和氫氣組成，比例可進行人為控制。其中，氫氣是爐子生產的還原氣氛，用以與爐內的氧結合；氮氣作為網帶路的吹掃氣體，在點爐、停爐或是突發事故時，吹掃爐內的空氣或氫氣，在正常生產時，氮氣對網帶路的進出口進行吹掃密封。

冷室采用冷卻水套冷卻馬弗罐，并利用氮氣和氫氣混合氣強迫冷卻，保證不銹鋼熱處理后的冷卻速度。

1.3 光亮熱處理工藝

304不銹鋼的光亮熱處理涉及固溶處理和光亮處理兩部分。

（1）固溶處理工藝研究。為了研究固溶處理工藝對不銹鋼冷凝管組織的影響，選擇了加熱溫度和加熱時間兩個因素，工藝曲線及工藝參數如圖2，表1所示，其中加熱時間依靠調整網帶速度控制，加熱結束后，以55℃/s左右的冷卻速度急速將冷凝管冷卻至350℃以下。

圖2 固溶熱處理工藝曲線圖

表1 固溶熱處理工藝參數

（2）光亮工藝研究。為了研究光亮工藝中保護氣氛對不銹鋼冷凝管表面的影響，選擇了氫氣流量因素對不銹鋼冷凝管表面光亮的影響。氫氣流量按表2控制，為保證壓力不變，對混合氣體的比例進行控制。

表2 氫氣流量工藝參數

2 實驗結果及討論

2.1 加熱溫度與加熱時間對不銹鋼冷凝器組織性能的影響

冷凝器固溶處理的目的，是去除工件在成型過程中的應力，并消除冷加工、焊接等帶來的碳偏析的影響。這就要求加熱過程中，不銹鋼全部轉變成奧氏體，并經過快速冷卻，獲得單相的奧氏體組織，避免在晶界析出Cr23C6為主的碳化物，引起材料敏化，降低工件的耐腐蝕性。

2.1.1 加熱溫度

1000℃的加熱溫度下，組織為奧氏體、少量鐵素體以及少量碳化物，由于固溶溫度較低，碳化物沒有全部溶解，固溶并不充分。加熱溫度為1020℃時，依然有少量的鐵素體和碳化物沒有溶解為奧氏體，但是，明顯可見具有多邊形形貌的晶界，這是由于加熱過程中再結晶生成奧氏體的緣故。加熱溫度為1040℃時，碳化物已全部溶解，能明顯發現晶粒與晶界線，且奧氏體組織均勻整齊，但依然有少量的鐵素體組織。加熱溫度為1060℃時，金相組織較1040℃加熱溫度更加均勻，晶界線更加明顯，只有微量的片狀鐵素體組織。加熱溫度為1080℃和1100℃時，組織的均勻性進一步提高，但是，晶粒較加熱溫度1060℃明顯粗化，且在1100℃時，有少量的鐵素體和碳化物。

2.1.2 加熱時間

加熱時間為3min時，能分辨出晶界線，組織未溶解為單相，有鐵素體和少量碳化物。加熱時間為6.5min時，晶界線更加明顯，只有微量的片狀鐵素體組織。但是，當加熱時間為10min時，鐵素體和碳化物又開始增多。

綜上，工件經過1060℃的加熱溫度和6.5min的加熱時間處理后，鐵素體與碳化物幾乎全部溶解到奧氏體中，與其他加熱溫度相比，具有更理想的晶粒尺寸，且組織一致性較好。

2.2 氫氣流量對不銹鋼冷凝器表面的影響

氫氣的壓力保持0.2MPa不變，通入的流量分別為3 m3/h、4.5 m3/h、6 m3/h時，其表面如圖3。

圖3 不同氫氣流量下304不銹鋼的表面情況

在氫氣的流量分別為3.0m3/h時，不銹鋼表面呈墨綠色，說明不銹鋼表面已經被氧化。在氫氣的流量增加到4.5m3/h時，不銹鋼表面光亮，沒有被氧化，說明此時爐內氧已被氫氣充分還原。在氫氣的流量增加到5.0m3/h時，不銹鋼表面也是呈現光亮。綜上，在壓力保持不變的情況下，在氫氣的流量增加到4.5m3/h時，不銹鋼表面光亮，考慮到經濟因素，氫氣流量控制在4.5～5.0m3/h較為合理。

2.3 討論

2.3.1 加熱溫度

鉻的碳化物的分解固溶，與加熱溫度有相當重要的關系，在1000～1080℃范圍內，隨著加熱溫度的升高，碳化物從部分固溶到基本全部固溶。但是，在1060～1100℃時，隨著加熱溫度的升高，奧氏體晶粒開始粗化，且又發現了少量的碳化物。眾所周知，加熱溫度的升高，可以提高碳在奧氏體中的固溶度，有資料顯示，304不銹鋼在600℃時，碳的固溶度為0.02%，1000℃時為0.18%，1200℃時為0.34%，但是為什么在1100℃時，金相顯示又有碳化物出現呢？筆者認為，在奧氏體晶粒粗大時，晶界的表明積會減少，因而在晶界上，碳化物的析出密度就會增高，相比1060℃時，碳化物析出的時間要更短、更早。

2.3.2 加熱時間

雖然在1000℃以上時，碳的固溶度達到0.18%，但是，仍然需要一定的時間保證碳全部溶解。當然，隨著時間的增加，奧氏體也會出現粗化現象，所以在1060℃×10min工藝情況下，顯微組織也發現了析出的碳化物。

2.3.3 保護性氣氛

氫氣作為保護氣氛，可以保護不銹鋼冷凝器避免氧化、脫碳，且氫氣是一種還原性氣氛，能把冷凝器表面的氧化膜還原，從而使冷凝器表面更加光亮。氫氣的通入量，將直接影響爐內的氣氛，若爐內未充滿氫氣，則冷凝器表面在高溫下極易氧化，呈現綠色。

3 結語

（1）304不銹鋼冷凝器最佳熱處理工藝參數為：加熱溫度1060±10℃；加熱時間6.5min；網帶速度為180mm/min；

（2）304奧氏體不銹鋼應避免長時間或1080℃以上加熱，防止出現碳化物析出；

（3）氫氣流量在4.5～5.0m3/h范圍內、壓力為0.2MPa時，不銹鋼冷凝器表面無氧化，表面光亮。