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不锈钢及其热处理分析

不锈钢的分类及主要特性

不锈钢有多种分类方法,如化学成分、功能特征、金相组织和热处理特性等。从热处理方面考虑,按金相组织和热处理特性分更具有实际意义。

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铁素体不锈钢

主要合金元素是Cr,或加入少量稳定铁素体元素,如Al、Mo等,组织为铁素体。强度不高,不能用热处理方法调整性能,有一定塑性,脆性较大。在氧化类介质(如硝酸)中有良好的耐蚀性,在还原介质中耐蚀性较差。

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奥氏体不锈钢

含有较高的Cr,一般大于18%,并含有8%左右的Ni,有的以Mn代Ni,为进一步提高耐蚀性,还有得加入Mo、Cu、Si、Ti、Nb等元素。加热冷却时不发生相变,不能用热处理方法强化,具有较低的强度,高塑性和高韧性。对氧化性介质有强的抗蚀能力,加入Ti、Nb后具有较好的抗晶间腐蚀的能力。

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马氏体不锈钢

马氏体不锈钢主要含12~18%的Cr,并依照需要调整C量,一般在0.1~0.4%,对于制作工具时, C可达0.8~1.0%,有的为提高抗回火稳定性,加入Mo、V、Nb等。 高温加热并以一定速度冷却后,组织基本是马氏体,依据C及合金元素的差异,有的可能会含有少量铁素体、残余奥氏体或合金碳化物。加热和冷却时会发生相变,因此,可以在很大范围内调整组织结构和形态,从而改变性能。耐蚀性不如奥氏体、铁素体及双相不锈钢,在有机酸中有较好的耐蚀性,在硫酸、盐酸等介质中耐蚀性较差。

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铁素体-奥氏体双相不锈钢

一般含Cr为17~30%,Ni含量3~13%,另外加入Mo、Cu、Nb、N、W等合金元素,含C量控制很低,依据合金元素比例不同,有的以铁素体为主,有的以奥氏体为主,构成两相同时存在的双相不锈钢。因其含有铁素体及强化元素,热处理后,强度比奥氏体不锈钢略高,塑、韧性好,基本上不能用热处理手段调整性能。有较高的耐蚀性,特别是在含Cl-介质中、海水中,有较好的耐点蚀和缝隙腐蚀、应力腐蚀的特点。

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沉淀硬化不锈钢

成分特点是除含有C、Cr、Ni等元素外,还含有Cu、Al、Ti等可以时效沉淀析出物的元素。可以通过热处理手段来调节力学性能,但其强化机理不同于马氏体不锈钢。由于其依靠析出沉淀相强化,所以C可以控制很低,因而其耐蚀性优于马氏体不锈钢,与Cr-Ni奥氏体不锈钢相当。

不锈钢的热处理

不锈钢以Cr为主的大量合金元素构成的成分特点,是其具有不锈、耐蚀的基本条件。要想充分发挥合金元素的作用,获得理想的力学和耐蚀性能,还必须通过热处理方法实现。

1,铁素体不锈钢的热处理

铁素体不锈钢一般情况下是稳定的单一铁素体组织加热、冷却不发生相变,故不能用热处理方法调整力学性能,其主要目的是减小脆性和提高抗晶间腐蚀能力。

①σ相脆性

铁素体不锈钢极易生成σ相,这是一种富Cr的金属化合物,硬而脆,特别容易在晶间形成,使钢变脆,并增加晶间腐蚀敏感性。σ相形成与成分有关,除Cr外,Si、Mn、Mo等都促进σ相形成;还与加工过程有 关,尤其在540~815℃区间加热、停留,更促进σ相形成。但σ相形成是可逆的,重新加热到高于σ相形成温度会重新溶解于固溶体中。

②475℃脆性

铁素体不锈钢在400~500℃区间长时间加热,会表现出强度升高、韧性下降即脆性增加的特征,尤其在475℃时最明显,称475℃脆性。这是因为,在这个温度下,铁素体内的Cr原子将重新排列,形成富Cr小区域,与母相共格,引起点阵畸变,产生内应力,使钢硬度升高、脆性增大。富Cr区形成的同时,必有贫Cr区出现,这对耐蚀性有不利影响。当将钢重新加热高于700℃温度时,畸变、内应力会消除,475℃脆性消失。

③高温脆性

加热到925℃以上,并以快速冷却下来时,Cr、C、N等形成化合物在晶内、晶界析出,引起脆性增加和晶间腐蚀的发生。这种化合物可在750~850℃温度加热后快冷予以消除。

热处理工艺:

①退火

• 为了消除σ相、475℃脆性及高温脆性,可采用退火处理,在780~830℃加热、保温、然后空冷或炉冷。

•  对于超纯铁素体不锈钢(含C≤0.01%,严格控制Si、Mn、S、P),退火加热温度可提高一些。

②去应力处理

在焊接和冷加工后,零部件可能产生应力,如果具体情况不宜采用退火处理,可以在230~370℃范围内加热、保温、空冷,可消除部分内应力,改善塑性。

2,奥氏体不锈钢热处理

奥氏体不锈钢中Cr、Ni等合金元素作用结果使Ms点降至室温以下(-30到-70℃)。保证奥氏体组织稳定,所以,加热、冷却时,在室温以上不发生相变。因此,奥氏体不锈钢热处理主要目的不是改变机械性能,而是提高耐蚀性。

1.奥氏体不锈钢的固溶化处理

作用:

①钢中合金碳化物的析出与溶解

钢中C是所含合金元素之一,其除能起到一点强化作用之外,对耐蚀性是不利的,特别是C与Cr形成碳化物时,作用更坏,应力求减少它的存在。为此,依据C在奥氏体中随温度不同而变化的特性,即在高温时溶解度大,低温时溶解度小。有资料报导,C在奥氏体中的溶解度在1200℃时为0.34%;1000℃时为0.18%,而600℃时为0.02%,室温时则更少。所以将钢加热到高温,使C-Cr化合物充分溶解,再快速冷却,让其来不及析出,保证钢的耐蚀性,特别是耐晶间腐蚀性。

②σ相

奥氏体钢如果在500-900℃区间长时间加热,或钢中加入Ti、Nb、Mo等元素时,都会促进σ相析出,使钢增加脆性和降低耐蚀性,消除σ相的手段也是在高于其可能析出温度使其溶解,再快速冷却,防止再析出。

工艺:

在GB1200标准中,推荐加热温度范围较宽:1000~1150℃,通常采用1020-1080℃。考虑具体牌号成分,是铸件还是锻件等情况,在允许范围内,适当调节加热温度。加热温度低,C-Cr碳化物不能充分溶解,温度太高,也存在晶粒长大,降低耐蚀性问题。

冷却方式:应以较快速度冷却,防止碳化物再析出。在我国及其它一些国家标准中,标明固溶化后“快冷” ,综合不同文献资料和实践经验,“快”的尺度可按如下情况掌握:

• 含C量≥0.08%的;含Cr量>22%、Ni量较高的;含C量虽<0.08%,但有效尺寸>3mm的,应水冷;

• 含C量<0.08%、尺寸<3mm,可风冷;

• 有效尺寸≤0.5mm的可空冷。

2.奥氏体不锈钢的稳定化热处理

稳定化热处理只限于含稳定化元素Ti或Nb的奥氏体不锈钢,如1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni11Nb等。

作用:

如前所述,Cr与C结合成Cr23C6型化合物,并在晶界析出,是引起奥氏体不锈钢耐蚀性下降的原因。Cr是强碳化物形成元素,只要有机会,就与C结合并析出 ,所以钢中填加比Cr与C亲合力更强的元素Ti、Nb,并创造条件,使C优先与Ti、Nb结合,减少C与Cr结合的机会,使Cr稳定的保留在奥氏体中,因此保证了钢的耐蚀性。稳定化热处理,起到的就是使Ti、Nb与C结合,使Cr稳定于奥氏体中的作用。

工艺:

加热温度:这个温度应高于Cr23C6的溶解温度(400-825℃),低于或略高于TiC或NbC的开始溶解温度(如TiC的溶解温度区间为750-1120℃),稳定化加热温度一般选在850-930℃,这会使Cr23C6充分溶解,使Ti或Nb再与其中C结合,而Cr则继续保留在奥氏体中。

冷却方式:一般采用空冷,也可采用水冷或炉冷,这应根据零件具体情况确定。冷却速度对稳定化效果无大影响。从我们试验研究结果看,从稳定化温度900℃冷却到200℃时,冷却速度为0.9℃/min和15.6℃/min,相比,金相组织、硬度、耐晶间腐蚀能力基本相当。

3.奥氏体不锈钢消除应力处理

目的:

用奥氏体不锈钢制造的零件,不可避免的存在应力,如冷加工时的加工应力、焊接应力等。这些应力的存在会带来不利影响,如:对尺寸稳定性的影响;存在应力的零部件在含Cl-介质、在H2S、NaOH等介质使用时,会发生应力腐蚀开裂,这是一种发生在局部、未有前兆的突发性破坏,是十分有害的。因此,在某些工况条件下使用的奥氏体不锈钢制件要最大限度的降低应力,这可通过去应力方法完成。

工艺:

在条件允许的情况下,采用固溶化处理、稳定化处理都可以较好的消除应力(固溶水冷还会产生一定应力),但,有时不允许采用这种方法,如回路中的管件、没有余量的完工件、形状特别复杂的易变形零件等,这时可采用450℃以下温度加热的去应力方法,也可消除部分应力。如果工件是在强应力腐蚀环境中使用,必须彻底消除应力,则在选用材料时,就应予以考虑,如采用含稳定元素的钢,或采用超低碳奥氏体不锈钢。

3,马氏体不锈钢的热处理

马氏体不锈钢相对于铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢最突出的特点就是可以通过热处理方法,在很大范围内调整机械性能,以满足不同使用条件需要。不同的热处理方式对耐蚀性也有不同影响。

①马氏体不锈钢淬火后的组织状态

依据化学成分不同

• 0Cr13、1Cr13、1Cr17Ni2为马氏体+少量铁素体;

• 2Cr13、3Cr13、2Cr17Ni2基本上是马氏体组织;

• 4Cr13、9Cr18为马氏体基体上有合金碳化物;

• 0Cr13Ni4Mo、0Cr13Ni6Mo为马氏体基体上有残余奥氏体。

②马氏体不锈钢的耐蚀性与热处理

马氏体不锈钢热处理不仅可改变机械性能,对耐蚀性也有不同作用。以淬火后回火为例:淬火成马氏体后,采用低温回火,具有较高耐蚀性;采用400-550℃中温回火,耐蚀性较低;采用600-750℃高温回火,耐蚀性又有提高。

③马氏体不锈钢热处理工艺方法及作用

退火

根据要达到的目的、作用不同,可采用不同退火方式:

• 只要求降低硬度、便于加工、消除应力,可采用低温退火(有的也叫不完全退火)加热温度可选740~780℃,空气冷却或炉冷硬度可保证180~230HB;

• 要求改善锻造或铸造组织,更低的硬度及保证不高的性能直接应用,可采用完全退火一般加热870~900℃,保温后炉冷,或以≤40℃/h速度冷却至600℃以下出炉。硬度可达150~180HB;

• 等温退火,其可以代替完全退火,达到完全退火的目的作用。加热温度870~900℃,加热保温后炉冷至700~740℃(可参照转变曲线),较长时间保温(参照转变曲线),再炉冷至550℃以下出炉。硬度可达150-180HB。这种等温退火,还是改善锻后不良组织,提高淬火、回火后力学性能,特别是冲击韧性的有效方式。

淬火

马氏体不锈钢淬火的主要目的是强化。将钢加热至临界点温度以上,保温,使碳化物充分溶解到奥氏体中,再以适当的冷却速度冷却,获得淬火马氏体组织。

• 加热温度选择:基本原则是保证奥氏体形成,并使合金碳化物充分溶解到奥氏体中,均匀化;还不能使奥氏体晶粒粗大或淬火后组织中存在铁素体或残留奥氏体。这就要求淬火加热温度不能过低,也不能过高。马氏体不锈钢淬火加热温度,不同资料介绍、推荐的范围略有差异,并且,温度范围较宽。根据我们经验,一般选在980~1020℃范围加热即可。当然,对于特殊钢号、特殊成分控制或有特殊要求时,应适当降低或提高加热温度,但不能违背加热原则。

• 冷却方式:因马氏体不锈钢的成分特征,使奥氏体较稳定,C曲线右移,临界冷却速度较小,所以用油冷、空冷即可获得淬火马氏体的效果。但对于要求淬透深度大、力学性能特别是冲击韧性高的零件,应采用油冷。

回火

马氏体不锈钢淬火后,得到马氏体组织,其硬度高、脆性大、内应力大,必须经回火处理。马氏体不锈钢基本上在二种回火温度下使用:

• 180~320℃之间回火。获得回火马氏体组织,保持高的硬度、强度,但塑、韧性低,且有较好的耐蚀性。如刀具、轴承、耐磨件等可采用低温回火。

• 600~750℃之间回火,获得回火索氏体组织。具有一定的强度、硬度、塑性、韧性等良好的综合机械性能,可依据对强度、塑、韧性的要求程度不同,采用下限或上限温度回火。这种组织也具有良好的耐蚀性。

• 400~600℃之间温度的回火,一般情况下不采用,因为,在这个温度区间回火,从马氏体中析出弥散度很高的碳化物,产生回火脆性,降低耐蚀性.但,弹簧,如3Cr13、4Cr13钢制弹簧,可在这个温度回火,HRC可达40~45,具有较好的弹性。

回火后的冷却方式,一般可采用空冷,但对有回火脆性倾向的钢号,如1Cr17Ni2、2Cr13、0Cr13Ni4Mo等,最好采用回火后油冷。另外,需要注意的问题是,淬火后需及时回火,夏季不要超过24小时,冬季不要超过8小时,如不能及时按工艺温度回火,也应采取措施防止静置裂纹的产生。

4,铁素体-奥氏体双相不锈钢的热处理

双相不锈钢是不锈钢家族中年轻一员,发展较晚,但其具有的特征得到广泛认同和重视。双相不锈钢的成分特点(高Cr、低Ni、加Mo、N)和组织特点,使其具有比奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢高的强度、塑性;相当于奥氏体不锈钢的耐蚀性;在cl-介质、海水中比任何不锈钢都高的抗点蚀、抗缝隙腐蚀和抗应力腐蚀破坏的能力。

作用:

①消除二次奥氏体

在较高温度条件下(如铸造或锻造),铁素体量增多,在1300℃以上时,可成单相铁素体,这种高温铁素体是不稳定的,在以后较低温度下时效,会有奥氏体析出,这种奥氏体叫二次奥氏体。这种奥氏体中的Cr、N量少于正常奥氏体,故其可能成为腐蚀源,所以应通过热处理予以消除。

②消除Cr23C6型碳化物

双相钢在950℃以下会析出Cr23C6增加脆性、降低耐蚀性,应予以消除。

③消除氮化物Cr2N、CrN

因钢中有N元素,可与Cr生成氮化物,影响力学和耐蚀性能,应消除。

④消除金属间相

双相钢的成分特征,会促进一些金属间相的形成,如σ相、γ相,其降低耐蚀性,增加脆性,应予以消除。

工艺:

与奥氏体钢相似,采用固溶化处理,加热温度980~1100℃,之后快冷,一般采用水冷。

5,沉淀硬化不锈钢热处理

沉淀硬化不锈钢相对发展较晚,是在人类实践中经过试验、总结、创新的不锈钢种。先期出现的不锈钢中,铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢有较好的耐蚀性,但不能通过热处理方法调整机械性能,限制了它的作用。而马氏体不锈钢可以运用热处理方法,在较大范围内调整机械性能,但耐蚀性较差。

特点:

其具有较低的C量(一般≤0.09%),较高的Cr量(一般≥14%以上),另加Mo、Cu等元素,这就使其具有较高的耐蚀性,甚至可同奥氏体不锈钢相当。通过固溶和时效处理,可以获得在马氏体基体上析出沉淀硬化相的组织,因而有较高的强度,并可根据时效温度的调整,在一定范围内调整强度、塑、韧性。另外,先固溶,再依沉淀相析出强化的热处理方式,可以在固溶处理后,硬度较低的情况下加工基本成型,再经时效强化,降低了加工成本,优于马氏体钢。

分类:

①马氏体型沉淀硬化不锈钢及其热处理

马氏体型沉淀硬化不锈钢特征是:奥氏体向马氏体转变的开始温度Ms在室温以上。加热奥氏体化并以较快的速度冷却后,获得板条状马氏体基体,时效后从板条马氏体基体上析出Cu的细质点而强化。

例:在GB1220标准中,典型牌号为:0Cr17Ni4Cu4Nb(PH17-4)

成分(%)如下:C≤0.07、Ni:3~5、Cr:15.5~17.5、Cu:3~5、Nb:0.15~0.45;Ms点约120℃;Mz点约30℃。

固溶处理:

加热温度为1020-1060℃,保温后水冷或油冷,组织为板条状马氏体,硬度320HB左右。加热温度不宜过高,如果大于1100℃,会使组织中铁素体量增多、Ms点下降、残留奥氏体增多、硬度下降,热处理效果不好。

时效处理:

依据时效温度不同,沉淀析出物的弥散度、粒度不同,而有不同的机械性能。

②半奥氏体型不锈钢热处理

这种钢的Ms点一般略低于室温,所以固溶化处理冷却到室温后,得到奥氏体组织,强度很低,为提高基体强度、硬度,需要再次加热到750-950℃,保温,这个阶段,奥氏体中会析出碳化物,奥氏体稳定性降低,Ms点提高至室温以上,再冷却时,得到马氏体组织。有的还可以增加冷处理(零下处理),之后,再时效使钢最终获得马氏体基体上有沉淀析出物的强化钢。

例:在GB1220标准中,推荐的这种沉淀不锈钢牌号是0Cr17Ni7Al(PH17-7)

成分(%):C≤0.09、Cu≤0.5、Ni:6.5~7.5、Cr:16~18、Al:0.75~1.5;

固溶+调整+时效处理

• 固溶化加热温度1040℃,加热保温后水冷或油冷得到奥氏体,硬度为150HB左右;

• 调整处理温度为760℃,保温后空冷,使奥氏体中合金碳化物析出,降低奥氏体稳定性,提高Ms点到50-90℃左右,冷却后获得板条马氏体,此时硬度可达290HB左右;

• 再经560℃时效,Al及化合物沉淀析出,钢材强化,硬度可达340HB左右。

固溶+调整+冷处理+时效

• 固溶处理加热1040℃,水冷,获得奥氏体组织;

• 调整处理温度955℃,提高Ms点,冷却后获得板条马氏体;

• 冷处理-73℃×8h,减少组织中残留奥氏体,获取最大限度的马氏体;

• 时效处理温度为510-560℃,使Al析出,强化处理后,硬度可达336HB

固溶+冷变形+时效

• 固溶处理温度为1040℃,水冷,获得奥氏体组织;

• 冷变形,利用冷加工变形强化原理,使奥氏体在Md点转变成马氏体,这个冷加工变形量要大于30-50%;

• 时效处理:在490℃左右加热时效,使Al析出沉淀硬化。

• 有报导显示,固溶奥氏体经57%冷轧变形,硬度达430HB,σb达1372 N/mm2,再经490℃时效,硬度达485HB,σb达1850 N/mm2。

可见,沉淀硬化马氏体不锈钢经过正确处理后,机械性能完全可以达到马氏体不锈钢性能,而耐蚀性却与奥氏体不锈钢相当。这里需要指出的是,马氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢虽然都是可通过热处理方法强化,但强化机理是不同的。由于沉淀硬化不锈钢的特点,使其得到重视和广泛应用。

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