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不銹鋼及其熱處理

時間:2020-02-25    作者:無錫不銹鋼板    瀏覽:47

不銹鋼的分類及主要特性

無錫不銹鋼板廠家無錫漢能不銹鋼板2020年2月25日訊 不銹鋼有多種分類方法,如化學(xué)成分、功能特征、金相組織和熱處理特性等。從熱處理方面考慮,按金相組織和熱處理特性分更具有實際意義。


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鐵素體不銹鋼

主要合金元素是Cr,或加入少量穩(wěn)定鐵素體元素,如AlMo等,組織為鐵素體。強度不高,不能用熱處理方法調(diào)整性能,有一定塑性,脆性較大。在氧化類介質(zhì)(如硝酸)中有良好的耐蝕性,在還原介質(zhì)中耐蝕性較差。


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奧氏體不銹鋼

含有較高的Cr,一般大于18%,并含有8%左右的Ni,有的以MnNi,為進一步提高耐蝕性,還有得加入Mo、CuSi、TiNb等元素。加熱冷卻時不發(fā)生相變,不能用熱處理方法強化,具有較低的強度,高塑性和高韌性。對氧化性介質(zhì)有強的抗蝕能力,加入Ti、Nb后具有較好的抗晶間腐蝕的能力。


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馬氏體不銹鋼

馬氏體不銹鋼主要含12~18%的Cr,并依照需要調(diào)整C量,一般在0.1~0.4%,對于制作工具時, C可達0.8~1.0%,有的為提高抗回火穩(wěn)定性,加入Mo、V、Nb等。 高溫加熱并以一定速度冷卻后,組織基本是馬氏體,依據(jù)C及合金元素的差異,有的可能會含有少量鐵素體、殘余奧氏體或合金碳化物。加熱和冷卻時會發(fā)生相變,因此,可以在很大范圍內(nèi)調(diào)整組織結(jié)構(gòu)和形態(tài),從而改變性能。耐蝕性不如奧氏體、鐵素體及雙相不銹鋼,在有機酸中有較好的耐蝕性,在硫酸、鹽酸等介質(zhì)中耐蝕性較差。

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鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼

一般含Cr17~30%,Ni含量3~13%,另外加入Mo、Cu、Nb、NW等合金元素,含C量控制很低,依據(jù)合金元素比例不同,有的以鐵素體為主,有的以奧氏體為主,構(gòu)成兩相同時存在的雙相不銹鋼。因其含有鐵素體及強化元素,熱處理后,強度比奧氏體不銹鋼略高,塑、韌性好,基本上不能用熱處理手段調(diào)整性能。有較高的耐蝕性,特別是在含Cl-介質(zhì)中、海水中,有較好的耐點蝕和縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕的特點。

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沉淀硬化不銹鋼

成分特點是除含有C、Cr、Ni等元素外,還含有Cu、AlTi等可以時效沉淀析出物的元素??梢酝ㄟ^熱處理手段來調(diào)節(jié)力學(xué)性能,但其強化機理不同于馬氏體不銹鋼。由于其依靠析出沉淀相強化,所以C可以控制很低,因而其耐蝕性優(yōu)于馬氏體不銹鋼,與Cr-Ni奧氏體不銹鋼相當。


不銹鋼的熱處理

不銹鋼以Cr為主的大量合金元素構(gòu)成的成分特點,是其具有不銹、耐蝕的基本條件。要想充分發(fā)揮合金元素的作用,獲得理想的力學(xué)和耐蝕性能,還必須通過熱處理方法實現(xiàn)。


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 鐵素體不銹鋼的熱處理


鐵素體不銹鋼一般情況下是穩(wěn)定的單一鐵素體組織加熱、冷卻不發(fā)生相變,故不能用熱處理方法調(diào)整力學(xué)性能,其主要目的是減小脆性和提高抗晶間腐蝕能力。


σ相脆性

鐵素體不銹鋼極易生成σ相,這是一種富Cr的金屬化合物,硬而脆,特別容易在晶間形成,使鋼變脆,并增加晶間腐蝕敏感性。σ相形成與成分有關(guān),除Cr外,Si、Mn、Mo等都促進σ相形成;還與加工過程有 關(guān),尤其在540~815℃區(qū)間加熱、停留,更促進σ相形成。但σ相形成是可逆的,重新加熱到高于σ相形成溫度會重新溶解于固溶體中。


475℃脆性

鐵素體不銹鋼在400~500℃區(qū)間長時間加熱,會表現(xiàn)出強度升高、韌性下降即脆性增加的特征,尤其在475℃時最明顯,稱475℃脆性。這是因為,在這個溫度下,鐵素體內(nèi)的Cr原子將重新排列,形成富Cr小區(qū)域,與母相共格,引起點陣畸變,產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,使鋼硬度升高、脆性增大。富Cr區(qū)形成的同時,必有貧Cr區(qū)出現(xiàn),這對耐蝕性有不利影響。當將鋼重新加熱高于700℃溫度時,畸變、內(nèi)應(yīng)力會消除,475℃脆性消失。


高溫脆性

加熱到925℃以上,并以快速冷卻下來時,CrC、N等形成化合物在晶內(nèi)、晶界析出,引起脆性增加和晶間腐蝕的發(fā)生。這種化合物可在750~850℃溫度加熱后快冷予以消除。


熱處理工藝:

退火

為了消除σ相、475℃脆性及高溫脆性,可采用退火處理,在780~830℃加熱、保溫、然后空冷或爐冷。

?  對于超純鐵素體不銹鋼(含C≤0.01%,嚴格控制Si、MnS、P),退火加熱溫度可提高一些。

去應(yīng)力處理

在焊接和冷加工后,零部件可能產(chǎn)生應(yīng)力,如果具體情況不宜采用退火處理,可以在230~370℃范圍內(nèi)加熱、保溫、空冷,可消除部分內(nèi)應(yīng)力,改善塑性。


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奧氏體不銹鋼熱處理

奧氏體不銹鋼中Cr、Ni等合金元素作用結(jié)果使Ms點降至室溫以下(-30-70℃)。保證奧氏體組織穩(wěn)定,所以,加熱、冷卻時,在室溫以上不發(fā)生相變。因此,奧氏體不銹鋼熱處理主要目的不是改變機械性能,而是提高耐蝕性。


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奧氏體不銹鋼的固溶化處理

作用:

鋼中合金碳化物的析出與溶解

鋼中C是所含合金元素之一,其除能起到一點強化作用之外,對耐蝕性是不利的,特別是CCr形成碳化物時,作用更壞,應(yīng)力求減少它的存在。為此,依據(jù)C在奧氏體中隨溫度不同而變化的特性,即在高溫時溶解度大,低溫時溶解度小。有資料報導(dǎo),C在奧氏體中的溶解度在1200℃時為0.34%;1000℃時為0.18%,而600℃時為0.02%,室溫時則更少。所以將鋼加熱到高溫,使C-Cr化合物充分溶解,再快速冷卻,讓其來不及析出,保證鋼的耐蝕性,特別是耐晶間腐蝕性。

σ

奧氏體鋼如果在500-900℃區(qū)間長時間加熱,或鋼中加入Ti、NbMo等元素時,都會促進σ相析出,使鋼增加脆性和降低耐蝕性,消除σ相的手段也是在高于其可能析出溫度使其溶解,再快速冷卻,防止再析出。


工藝:

GB1200標準中,推薦加熱溫度范圍較寬:1000~1150℃,通常采用1020-1080℃??紤]具體牌號成分,是鑄件還是鍛件等情況,在允許范圍內(nèi),適當調(diào)節(jié)加熱溫度。加熱溫度低,C-Cr碳化物不能充分溶解,溫度太高,也存在晶粒長大,降低耐蝕性問題。


冷卻方式:應(yīng)以較快速度冷卻,防止碳化物再析出。在我國及其它一些國家標準中,標明固溶化后快冷,綜合不同文獻資料和實踐經(jīng)驗,的尺度可按如下情況掌握:

? C≥0.08%;Cr>22%、Ni量較高的;含C量雖<0.08%,但有效尺寸>3mm的,應(yīng)水冷;

? C<0.08%、尺寸<3mm,可風冷;

? 有效尺寸≤0.5mm的可空冷。

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奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定化熱處理

穩(wěn)定化熱處理只限于含穩(wěn)定化元素TiNb的奧氏體不銹鋼,如1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni11Nb等。


作用:

如前所述,CrC結(jié)合成Cr23C6型化合物,并在晶界析出,是引起奧氏體不銹鋼耐蝕性下降的原因。Cr是強碳化物形成元素,只要有機會,就與C結(jié)合并析出 ,所以鋼中填加比CrC親合力更強的元素Ti、Nb,并創(chuàng)造條件,使C優(yōu)先與Ti、Nb結(jié)合,減少CCr結(jié)合的機會,使Cr穩(wěn)定的保留在奧氏體中,因此保證了鋼的耐蝕性。穩(wěn)定化熱處理,起到的就是使Ti、NbC結(jié)合,使Cr穩(wěn)定于奧氏體中的作用。


工藝:

加熱溫度:這個溫度應(yīng)高于Cr23C6的溶解溫度(400-825℃),低于或略高于TiCNbC的開始溶解溫度(如TiC的溶解溫度區(qū)間為750-1120℃),穩(wěn)定化加熱溫度一般選在850-930℃,這會使Cr23C6充分溶解,使TiNb再與其中C結(jié)合,而Cr則繼續(xù)保留在奧氏體中。

冷卻方式:一般采用空冷,也可采用水冷或爐冷,這應(yīng)根據(jù)零件具體情況確定。冷卻速度對穩(wěn)定化效果無大影響。從我們試驗研究結(jié)果看,從穩(wěn)定化溫度900℃冷卻到200℃時,冷卻速度為0.9℃/min15.6℃/min,相比,金相組織、硬度、耐晶間腐蝕能力基本相當。

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奧氏體不銹鋼消除應(yīng)力處理

目的:

用奧氏體不銹鋼制造的零件,不可避免的存在應(yīng)力,如冷加工時的加工應(yīng)力、焊接應(yīng)力等。這些應(yīng)力的存在會帶來不利影響,如:對尺寸穩(wěn)定性的影響;存在應(yīng)力的零部件在含Cl-介質(zhì)、在H2S、NaOH等介質(zhì)使用時,會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂,這是一種發(fā)生在局部、未有前兆的突發(fā)性破壞,是十分有害的。因此,在某些工況條件下使用的奧氏體不銹鋼制件要最大限度的降低應(yīng)力,這可通過去應(yīng)力方法完成。


工藝:

在條件允許的情況下,采用固溶化處理、穩(wěn)定化處理都可以較好的消除應(yīng)力(固溶水冷還會產(chǎn)生一定應(yīng)力),但,有時不允許采用這種方法,如回路中的管件、沒有余量的完工件、形狀特別復(fù)雜的易變形零件等,這時可采用450℃以下溫度加熱的去應(yīng)力方法,也可消除部分應(yīng)力。如果工件是在強應(yīng)力腐蝕環(huán)境中使用,必須徹底消除應(yīng)力,則在選用材料時,就應(yīng)予以考慮,如采用含穩(wěn)定元素的鋼,或采用超低碳奧氏體不銹鋼。


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馬氏體不銹鋼的熱處理


馬氏體不銹鋼相對于鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼最突出的特點就是可以通過熱處理方法,在很大范圍內(nèi)調(diào)整機械性能,以滿足不同使用條件需要。不同的熱處理方式對耐蝕性也有不同影響。


馬氏體不銹鋼淬火后的組織狀態(tài)

依據(jù)化學(xué)成分不同

? 0Cr131Cr13、1Cr17Ni2為馬氏體+少量鐵素體;

? 2Cr133Cr13、2Cr17Ni2基本上是馬氏體組織;

? 4Cr139Cr18為馬氏體基體上有合金碳化物;

0Cr13Ni4Mo、0Cr13Ni6Mo為馬氏體基體上有殘余奧氏體。


馬氏體不銹鋼的耐蝕性與熱處理

馬氏體不銹鋼熱處理不僅可改變機械性能,對耐蝕性也有不同作用。以淬火后回火為例:淬火成馬氏體后,采用低溫回火,具有較高耐蝕性;采用400-550℃中溫回火,耐蝕性較低;采用600-750℃高溫回火,耐蝕性又有提高。


馬氏體不銹鋼熱處理工藝方法及作用


退火

根據(jù)要達到的目的、作用不同,可采用不同退火方式:

? 只要求降低硬度、便于加工、消除應(yīng)力,可采用低溫退火(有的也叫不完全退火)加熱溫度可選740~780℃,空氣冷卻或爐冷硬度可保證180~230HB;

? 要求改善鍛造或鑄造組織,更低的硬度及保證不高的性能直接應(yīng)用,可采用完全退火一般加熱870~900℃,保溫后爐冷,或以≤40℃/h速度冷卻至600℃以下出爐。硬度可達150~180HB

? 等溫退火,其可以代替完全退火,達到完全退火的目的作用。加熱溫度870~900℃,加熱保溫后爐冷至700~740℃(可參照轉(zhuǎn)變曲線),較長時間保溫(參照轉(zhuǎn)變曲線),再爐冷至550℃以下出爐。硬度可達150-180HB。這種等溫退火,還是改善鍛后不良組織,提高淬火、回火后力學(xué)性能,特別是沖擊韌性的有效方式。


淬火

馬氏體不銹鋼淬火的主要目的是強化。將鋼加熱至臨界點溫度以上,保溫,使碳化物充分溶解到奧氏體中,再以適當?shù)睦鋮s速度冷卻,獲得淬火馬氏體組織。

? 加熱溫度選擇:基本原則是保證奧氏體形成,并使合金碳化物充分溶解到奧氏體中,均勻化;還不能使奧氏體晶粒粗大或淬火后組織中存在鐵素體或殘留奧氏體。這就要求淬火加熱溫度不能過低,也不能過高。馬氏體不銹鋼淬火加熱溫度,不同資料介紹、推薦的范圍略有差異,并且,溫度范圍較寬。根據(jù)我們經(jīng)驗,一般選在980~1020℃范圍加熱即可。當然,對于特殊鋼號、特殊成分控制或有特殊要求時,應(yīng)適當降低或提高加熱溫度,但不能違背加熱原則。

? 冷卻方式:因馬氏體不銹鋼的成分特征,使奧氏體較穩(wěn)定,C曲線右移,臨界冷卻速度較小,所以用油冷、空冷即可獲得淬火馬氏體的效果。但對于要求淬透深度大、力學(xué)性能特別是沖擊韌性高的零件,應(yīng)采用油冷。


回火

馬氏體不銹鋼淬火后,得到馬氏體組織,其硬度高、脆性大、內(nèi)應(yīng)力大,必須經(jīng)回火處理。馬氏體不銹鋼基本上在二種回火溫度下使用:

? 180~320℃之間回火。獲得回火馬氏體組織,保持高的硬度、強度,但塑、韌性低,且有較好的耐蝕性。如刀具、軸承、耐磨件等可采用低溫回火。

? 600~750℃之間回火,獲得回火索氏體組織。具有一定的強度、硬度、塑性、韌性等良好的綜合機械性能,可依據(jù)對強度、塑、韌性的要求程度不同,采用下限或上限溫度回火。這種組織也具有良好的耐蝕性。

? 400~600℃之間溫度的回火,一般情況下不采用,因為,在這個溫度區(qū)間回火,從馬氏體中析出彌散度很高的碳化物,產(chǎn)生回火脆性,降低耐蝕性.但,彈簧,如3Cr13、4Cr13鋼制彈簧,可在這個溫度回火,HRC可達40~45,具有較好的彈性。


回火后的冷卻方式,一般可采用空冷,但對有回火脆性傾向的鋼號,如1Cr17Ni2、2Cr13、0Cr13Ni4Mo等,最好采用回火后油冷。另外,需要注意的問題是,淬火后需及時回火,夏季不要超過24小時,冬季不要超過8小時,如不能及時按工藝溫度回火,也應(yīng)采取措施防止靜置裂紋的產(chǎn)生。


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鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼的熱處理


雙相不銹鋼是不銹鋼家族中年輕一員,發(fā)展較晚,但其具有的特征得到廣泛認同和重視。雙相不銹鋼的成分特點(高Cr、低Ni、加Mo、N)和組織特點,使其具有比奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼高的強度、塑性;相當于奧氏體不銹鋼的耐蝕性;cl-介質(zhì)、海水中比任何不銹鋼都高的抗點蝕、抗縫隙腐蝕和抗應(yīng)力腐蝕破壞的能力。


作用:

消除二次奧氏體

在較高溫度條件下(如鑄造或鍛造),鐵素體量增多,在1300℃以上時,可成單相鐵素體,這種高溫鐵素體是不穩(wěn)定的,在以后較低溫度下時效,會有奧氏體析出,這種奧氏體叫二次奧氏體。這種奧氏體中的Cr、N量少于正常奧氏體,故其可能成為腐蝕源,所以應(yīng)通過熱處理予以消除。


消除Cr23C6型碳化物

雙相鋼在950℃以下會析出Cr23C6增加脆性、降低耐蝕性,應(yīng)予以消除。


消除氮化物Cr2N、CrN

因鋼中有N元素,可與Cr生成氮化物,影響力學(xué)和耐蝕性能,應(yīng)消除。


消除金屬間相

雙相鋼的成分特征,會促進一些金屬間相的形成,如σ相、γ相,其降低耐蝕性,增加脆性,應(yīng)予以消除。


工藝:

與奧氏體鋼相似,采用固溶化處理,加熱溫度980~1100℃,之后快冷,一般采用水冷。


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沉淀硬化不銹鋼熱處理


沉淀硬化不銹鋼相對發(fā)展較晚,是在人類實踐中經(jīng)過試驗、總結(jié)、創(chuàng)新的不銹鋼種。先期出現(xiàn)的不銹鋼中,鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼有較好的耐蝕性,但不能通過熱處理方法調(diào)整機械性能,限制了它的作用。而馬氏體不銹鋼可以運用熱處理方法,在較大范圍內(nèi)調(diào)整機械性能,但耐蝕性較差。


特點:

其具有較低的C量(一般≤0.09%),較高的Cr量(一般≥14%以上),另加Mo、Cu等元素,這就使其具有較高的耐蝕性,甚至可同奧氏體不銹鋼相當。通過固溶和時效處理,可以獲得在馬氏體基體上析出沉淀硬化相的組織,因而有較高的強度,并可根據(jù)時效溫度的調(diào)整,在一定范圍內(nèi)調(diào)整強度、塑、韌性。另外,先固溶,再依沉淀相析出強化的熱處理方式,可以在固溶處理后,硬度較低的情況下加工基本成型,再經(jīng)時效強化,降低了加工成本,優(yōu)于馬氏體鋼。


分類:

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馬氏體型沉淀硬化不銹鋼及其熱處理

馬氏體型沉淀硬化不銹鋼特征是:奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度Ms在室溫以上。加熱奧氏體化并以較快的速度冷卻后,獲得板條狀馬氏體基體,時效后從板條馬氏體基體上析出Cu的細質(zhì)點而強化。


例:GB1220標準中,典型牌號為:0Cr17Ni4Cu4NbPH17-4

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


固溶處理:

加熱溫度為1020-1060℃,保溫后水冷或油冷,組織為板條狀馬氏體,硬度320HB左右。加熱溫度不宜過高,如果大于1100℃,會使組織中鐵素體量增多、Ms點下降、殘留奧氏體增多、硬度下降,熱處理效果不好。


時效處理:

依據(jù)時效溫度不同,沉淀析出物的彌散度、粒度不同,而有不同的機械性能。

GB1220標準中規(guī)定,不同時效溫度時效后性能


σb(N/mm2)

σs(N/mm2)

δ()

Ψ(%)

HB

1040℃固溶





≤363

480℃×4h

≥1310

≥1180

≥10

≥40

≥375

550℃×4h

≥1060

≥1000

≥12

≥45

≥331

580℃×4h

≥1000

≥865

≥13

≥45

≥302

620℃×4h

≥930

≥725

≥16

≥50

≥277


半奧氏體型不銹鋼熱處理

這種鋼的Ms點一般略低于室溫,所以固溶化處理冷卻到室溫后,得到奧氏體組織,

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