随着社会的发展，人们对环境的需求日益高，传统的工业领域承受了越来越严重的环境压力，特别是以化学和化工领域对环境的影响最为突出。作为国民经济的前提，化学和化工行业必须加大对能源的利用率，降低污染物排放，所以要改善传统工艺的提高效率。目前，我国的铁镍基和镍基合金得到了广泛的应用。N合金在耐酸腐蚀、耐应力腐蚀等方面得到了广泛的应用。
N(我国标准牌号NS)合金；又称20号合金，是一种高Cr，Ni，Mo，Nb单相奥氏体合金，由于合金的成分越来越多，一般的奥氏体组织会发生碳化物、氮化物、析出相等一系列危害，这种缺陷对材料的机械特性和耐蚀性有很大的影响即N的稳定性急需进一步提高。本论文主要是从热处理工艺中对N钢管的性能影响入手，并给出了具体的热处理工艺。
1试验材料与方法
1.1试验材料
经VIM(真空熔化ESR(电渣重熔)进行冶炼，再将其锻构成毫升的管坯，再将其挤压成毫升的无缝钢管。实验材料的主要化学组成如表1所示。
1.2试验方法
通过工业生产来实现实验。首先，利用热挤出工艺生产毛管，然后对挤出毛管进行高温固溶、冷轧、成品热和稳定性处理。
利用DMIM金相显微镜观察了挤压态、高温固溶态、冷轧+固溶态、固溶+稳定性不同的状态的金相组织形态和晶粒度；用Inspekt电子拉伸测试机和ZHU硬度仪在不同的状态下进行拉伸测试和硬度测试；利用NovaNanoSEM扫描电子显微镜(SEM)对分析相貌和组成进行了分析，从而判断了结构和类型。
2试验结果及讨论
2.1热挤压后组织性能
毛管热挤压完成后，立即入水冷却。沿径向取样，对管材进行组织形貌分析，样品尺寸为Φ10mm×10mm。Φmm×15mm挤压管材金相组织如图1所示。由图1可见，外表面金相中的第二相含量较多，呈条带状横跨多个晶粒，如图1（a）～（b）所示。内表面的第二相含量较少，金相组织比较纯净，呈现典型的奥氏体组织，且存在较多的孪晶。孪晶主要是在回复及再结晶过程中产生，且随着晶粒长大而长大。
对第二相组织进行了SEM能谱分析，呈现高Cr、高Mo、低Fe的元素分布，结合铁镍基合金及镍基合金的成分特性，可以判定第二相应该是σ相组织。析出相的高倍形貌及能谱如图2所示。
对于所述的Φmm×15mm挤压管材，第二相出现的位置为距外表面3mm以内。根据内、外表面析出相含量差异较大可以判断，挤压工艺是比较合理的。挤压完毕有一个热锯切压余的过程，该过程的时间约为1min，在该过程中管材暴露在空气中自然冷却，外表面与空气有较大的温度梯度，散热较快，温度会大幅度下降，而管材的内表面无法快速散热，热量会向管材的外表面补充，导致外壁无法立即冷却至室温，外表面的温度会在析出区间停留，从而析出大量第二相；而内表面无法快速散热，温降较小，未在析出范围，因而内壁不存在析出相。
2.2固溶处理后显微组织
对N挤压管材进行固溶处理，在℃下保温30min，N合金管材高温固溶显微组织形貌如图3所示。固溶处理后，N挤压管组织中的析出相全部回溶，组织为单一的奥氏体组织；晶粒尺寸均匀性较差，存在部分晶粒的异常长大。对于N材质而言，合金含有0.5%的Nb元素，Nb作为细化晶粒的元素，具有强烈的Nb（C，N）析出倾向，阻碍晶粒的长大。普通的含Nb元素不锈钢材料，℃的固溶温度是无法使晶粒异常长大；对于含Nb不锈钢而言，晶粒尺寸过于粗大，这必然与该钢种的基体组织及元素有关。孟繁茂等人的研究证明了这一点：Nb的固溶度与Ni元素的含量有关，随着Ni元素含量的增加，Nb的固溶度显著提升。
2.3固溶处理对晶粒度的影响
毛管经过固溶处理，管材内外表面均无析出相，经过Φmm×15mm→Φ88.9mm×11.13mm冷轧后，材料内部累积了巨大的形变能量，经过重新固溶，可以完成回复再结晶。因此，研究热处理温度对再结晶的影响至关重要。
经过不同温度热处理20min后的晶粒形貌如图4所示。该合金在℃即完成了回复再结晶，无残余的变形带存在，晶界比较干净，无明显可见的第二相存在，平均晶粒尺寸约为22μm。随着固溶温度升高至℃，晶粒尺寸有长大的倾向，平均尺寸变为约30μm，组织形貌与℃时相比无明显变化。当固溶温度升高至℃，晶粒尺寸快速长大，平均晶粒尺寸约为57μm。当固溶温度升高至℃，平均晶粒尺寸约为73μm，这与荒管固溶效果较为匹配。荒管经过℃的固溶后，平均晶粒尺寸约为μm。
图4所示也为回复再结晶及晶粒长大的过程。晶粒长大的驱动力是界面能的降低。在界面能的驱动下，晶界发生迁移，晶粒长大。晶粒尺寸较小时，晶界多，界面自由能较高，所以在一定热力学条件下，必然自发地向减小晶界面积、降低界面能的方向发展。因此随着固溶热处理温度的升高，必然会发生小晶粒合并、弯曲界面变平直的现象。
晶界迁移的本质是原子穿过界面的扩散，这种扩散是原子微观随机跳跃的宏观统计表现，具有一般热激活过程的共同特点。温度对晶界迁移速度有明显的影响，晶粒长大过程可用阿雷尼乌斯公式描述：
D^2-D0^2=Aexp(-Q/RT)(1)
式中D———某固溶温度下的平均晶粒尺寸，μm；
D0———奥氏体刚形核后的原始晶粒尺寸，μm；
A———因子；
Q———晶粒长大表观激活能，kJ/mol；
R———气体常数；
T——固溶温度，K。
考虑到D20D2，公式（1）可近似为：
D^2=Aexp(-Q/RT)(2)
将公式（2）进行对数转换,得公式（3）：
InD=1/2InA-Q/2R1/T(3)
将图4中的固溶温度转换为K-1形式，将晶粒尺寸做对数处理，晶粒尺寸与温度的数据见表2。
绘制lnD与1/T关系曲线，N合金平均晶粒尺寸与固溶温度的关系如图5所示，数据具有线性特征，其斜率为常数，因此可以通过斜率估算晶粒长大激活能。选用首尾两点进行斜率计算，结果为1.46×，代入公式（3），可得晶粒长大的扩散激活能为kJ/mol。
晶体的结构类型对扩散系数影响很大。Fe有两种点阵结构，体心立方点阵的α-Fe和面心立方点阵的γ-Fe，合金元素在不同点阵中的扩散激活能是有差异的。Ni元素在γ-Fe中的扩散激活能为.8kJ/mol，Cr元素在γ-Fe中的扩散激活能为.8kJ/mol，Mo元素在γ-Fe的扩散激活能为.8kJ/mol，Ni、Cr、Mo元素的扩散激活能与晶粒长大的扩散激活能数值相差不大。对于N合金而言，晶体中Cr-Ni-Mo-Fe元素的原子半径相差不大，均应占据的是晶体的结点位置，所以金属元素只能是置换固溶体。因此，晶粒回复再结晶的过程均是通过空位机制扩散完成的。
2.4稳定化的影响
稳定化处理与固溶处理机理不同。固溶处理是避免Cr23C6的析出，通常是高温热处理后急速冷却形成过饱和固溶体的工艺。稳定化的过程是过饱和固溶体失稳而形成稳定性相的过程，相变过程是自发进行的，在恒温恒压下的稳定化过程，会使吉布斯自由能降低，通常会将此自由能转变为相变驱动力。也就是说，固溶处理形成的过饱和固溶体是一种不稳定的状态，在一定的热力学条件下，会促进碳化物的析出，导致材料的耐蚀性能变坏。稳定化则主要针对的是含Nb、Ti元素的不锈钢材料，通常在Nb（C，N）的析出区间长时间保温，一般在3h以上，促进Nb（C，N）的大量析出，从而阻碍Cr23C6的形成。关于含Nb的奥氏体不锈钢，GB—《高压锅炉用无缝钢管》对其固溶后的稳定化提出了要求。
结合N钢种的特性，在℃进行长时间热处理，以期达到稳定化的效果。通常稳定化的时间为3h，基体组织中Nb（C，N）还会对金属滑移产生钉扎，并在再结晶的过程中阻碍晶粒长大，起到细化晶粒的作用，同时细晶的强化作用也能体现出来，长时间的稳定化并未使晶粒明显长大，但是高放大倍数下的组织出现了明显的第二相析出，析出相呈圆形的颗粒状，尺寸不足0.1μm，SEM能谱检测发现第二相的主体成分为含Nb元素的化合物。
结合Nb元素的析出原理，通常有Nb（C，N）及称为γ"的Ni3Nb析出相。考虑到Ni3Nb粒子尺寸非常细小，约20nm，无法通过SEM观察到，可以判定，析出的细颗粒状第二相为Nb（C，N）。Nb（C，N）的大量析出可以改善合金的耐晶间腐蚀性能，同时细颗粒的第二相析出会对材料的力学性能产生影响。
第二相总是倾向于在总的表面能和应变能最小时形成，因此析出物的形状是总应变能和总表面能综合影响的结果。无论是共格或非共格的析出物，球状的阻力最小。稳定化热处理后N合金的显微形貌及析出相如图6所示，稳定化后的析出物均以球状的形态出现。
2.5热处理对力学性能的影响
检测了不同状态的N管材的硬度及力学性能。不同状态N管材的硬度检验结果如图7所示。热挤压态钢管的洛氏硬度达到74HRB，一方面挤压过程的变形量较大，晶粒内部存在着残余的组织应力；另一方面，经过了大的热变形后，晶粒重新完成了回复和再结晶，晶粒较细，外表面还存在析出的弥散第二相，使得组织内部存在畸变能，导致硬度较高。随后经过℃高温热处理后，硬度减至68HRB。由于高温热处理使得析出相回溶，同时消除了热挤压过程中管材内部存在的热应力及组织应力，使晶粒内部存在的引起组织畸变的位错和空位等晶体缺陷消除，导致管材的硬度出现了明显的下降。再经过冷轧+℃（20min）固溶后，管材的硬度为73HRB，与荒管固溶后相比，提高了5HRB，但随着稳定化时间的延长，硬度随即产生了较大的提升。说明经过长时间稳定化，Nb（C，N）的弥散批量析出，对硬度产生了较大的影响。
图8所示为不同状态N管材的力学性能检验结果。热挤压状态的屈服强度为MPa，抗拉强度为MPa，伸长率为50%。经过高温热处理后，力学性能指标均出现较大程度的下降，屈服强度直接降至MPa，抗拉强度降至MPa，伸长率增加至60%，可见，高温热处理对塑性的改善是非常明显的；经过冷轧+固溶后，由于采用了℃的固溶温度，平均晶粒尺寸在22μm左右，屈服强度提高至MPa，抗拉强度提升至MPa，伸长率降至55%，细晶强化的效果较为明显；而后经过3h的稳定化以后，强度数值又有一定的提升，而伸长率有所下降。第二相的脱溶过程造成了组织内部的畸变，导致强度的升高，塑性的下降。这与硬度指标及金相形貌较为吻合。
综上所述，不同热处理制度对N合金的性能影响十分明显，晶粒强化和析出强化对组织的影响不能忽略。
3结语
（1）N无缝钢管的挤压过程必然会有σ相析出，管材外表面的析出相含量明显多于内表面，挤压后的冷却过程是造成析出相产生的原因。
（2）N合金经过℃、30min高温固溶后，其组织中的析出相可以完全溶解，平均晶粒尺寸长大至μm左右。
（3）固溶处理温度对N合金晶粒尺寸的影响很大。温度从℃升高至℃，平均晶粒尺寸从22μm长大至73μm。晶粒长大的过程符合阿雷尼乌斯公式，晶粒长大的激活能与合金元素的扩散激活能接近。
（4）不同的热处理制度对N合金的硬度和力学性能有明显的影响。℃、3h的稳定化工艺可以使基体脱溶出弥散的Nb（C，N）第二相，同时会改善材料的硬度、力学性能和耐蚀性，该工艺是N合金的最佳热处理工艺。
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