不銹鋼的熱處理

不銹鋼的熱處理

1鉻打算不銹鋼耐蝕性的主要元素是鉻。

這是由于鋼中含有足夠量的鉻時,鋼在氧化性介質(zhì)中就可形成以23為基體的穩(wěn)定的表面防護(hù)膜;同時,鉻能夠有效地提高固溶體鐵素體、馬氏體或奧氏體的電極電位,從而使鋼不受腐蝕。

鉻對提高鋼的電極電位是遵循8規(guī)律的。

即當(dāng)鉻良達(dá)到8原子18、28、38…%、25%、%…時,電極電位有一個躍增,見下圖鉻的原子濃度占18%,若以質(zhì)量計,%,所以鉻不銹鋼的含鉻量都在12%以上。

2碳碳的影響主要表現(xiàn)在兩方面,一方面它是穩(wěn)定奧氏體的元素,并且作用很大,相當(dāng)于鎳的30倍;另一方面,由于碳和鉻的親和力很強(qiáng),它與鉻可形成一系列的簡單碳化物,其成分隨鋼中含鉻量的不同而異,含鉻量少于10%時,主要是滲碳體型碳化物,3;在高鉻鋼中則形成簡單的碳化物,或,。

因此,鋼中含碳兩越高,其抗腐蝕性73236就越低。

對于不銹鋼來說,要求耐蝕性是主要目底,故不銹鋼的含碳量一般都較低,~%,%。

只有在少數(shù)狀況下,例如用作滾動軸承、彈簧和刃具時,由于要求高的硬度和耐磨性,%~%如918鋼。

但為了保持肯定的耐蝕性,這;類鋼的含鉻量也相應(yīng)地要高些。

3鎳鎳是形成奧氏體的合金元素,但鎳的作用只有與鉻協(xié)作時才會充分發(fā)揮出來,若單獨(dú)使用鎳而不使用鉻,低碳鎳鋼要獲得純奧氏體的單相組織,含鎳量需高達(dá)24%,事實上含鎳量達(dá)到27%時才能提高鋼的耐蝕性,故在不銹鋼中沒有單獨(dú)以鎳作為合金元素的。

當(dāng)鎳和鉻協(xié)作時,鎳提高鋼的耐蝕作用就顯著地表現(xiàn)出來。

向鐵素體不銹鋼中加入少量的鎳,即可使金相組織由單相鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和奧氏體兩相狀態(tài),這樣就可通過熱處理來改善和提高其機(jī)械性能。

例如,單相鐵素體的17鋼是不能通過熱處理提高機(jī)械強(qiáng)度的,其抗拉強(qiáng)度只有4002左右,但加入2%鎳的172鋼,經(jīng)10000油冷淬火和3000回火后,抗拉強(qiáng)度可達(dá)11002。

這是由于鎳的加入,組織具有γ→α的轉(zhuǎn)變的原因。

在含鉻18%的鉻鋼中加入8%鎳后,可獲得完全奧氏體組織,這就是廣泛應(yīng)用的18-8型鉻鎳奧氏體不銹鋼。

這種鋼除了具有高的耐蝕性外,還具有良好的冷變形及焊接性能,并且沒有磁性。

錳和氮錳是鎳的代用元素之一。

錳和鎳一樣是形成奧氏體的合金元素,高碳鋼中含錳兩大于12%即可獲得奧氏體組織如13,但由于錳對提高固溶體的電極電位的效果不大,形成的氧化膜也沒有防護(hù)作用,鋼中的含錳量在0~%之間變化時,在空氣與酸中的腐蝕率沒有多大變化,因此不銹鋼中不能單獨(dú)使用錳作為合金元素。

錳在形成奧氏體方面的作用為約鎳的二分之一,即用2%的錳代替1%的鎳。

完全以錳代鉻鎳不銹鋼中的鎳是有肯定困難的,主要由于鉻錳鋼要獲得完全奧氏題組織,除了鉻與錳的相宜含量外,碳含量的影響也很大,當(dāng)含碳量低時很難獲得完全奧氏體組織,反之提高含碳量,將對耐蝕性不利;另一方面簡潔的鉻錳不銹鋼在500~8000區(qū)間加熱后,抗晶間腐蝕力量很低,加入鈦或鈮也不能降低它對晶間腐蝕的敏感性。

因此工業(yè)上應(yīng)用的多為在18-8型鉻鎳鋼基礎(chǔ)上,以錳代替部分的鎳或采納同時加錳與氮的方法來代替全部鎳。

氮也是形成奧氏體的元素,可以部分的代替鎳,~1。

但由于氮在鋼重的溶解度比較小,因此有人認(rèn)為鋼中含氮量超過0。

25%會在鑄錠中產(chǎn)生氣孔;也有人認(rèn)為在相應(yīng)地調(diào)整鋼的化學(xué)成分,特殊是鉻與錳的含量比適當(dāng)時,即使含氮量達(dá)0。

65%,仍可以獲得質(zhì)量良好的鑄錠。

單對形成奧氏體的作用是很顯著的。

例如,18-8型鉻鎳鋼,當(dāng)含0。

15%時,需5%的鎳可得到奧氏體組織;含氮0。

25%時,只需4。

5%鎳。

為了節(jié)鎳,用錳和氮代替鎳的鉻錳氮不銹鋼已獲得肯定的應(yīng)用。

鈦和鈮鈦和鈮的主要作用是防止晶間腐蝕。

加入鈮或鈦后,由于它們與碳的親和力比鉻大,優(yōu)先與碳形成碳化鈮或碳化鈦,避開了貧鉻區(qū)的形成,防止了晶間腐蝕。

不銹鋼的分類方法許多,通常都是按高溫900~11000加熱并在空氣中冷卻后鋼的組織狀態(tài)分類的,這是由碳及合金元素對不銹鋼組織影響的特點來打算的。

合金元素對不銹鋼組織的影響,基本上可分為兩類:一類是形成奧氏體的,如碳、鎳、錳、銅、氮等;另一類是形成鐵素體的,如鉻、硅、鉬、鈦、鈮等。

這兩類元素對組織的影響是相互沖突的,當(dāng)形成奧氏體的元素成為沖突的主要方面時,組織以奧氏題為主,沒有或很少有鐵素體;反之則鐵素體居多。

綜合各種元素對形成奧氏體的作用程度,繪成了不銹鋼的組織圖,見下圖。

這個圖所取的當(dāng)量值如下:此圖僅適用于從很高溫度快冷相當(dāng)于焊接過程以后的鋼,利用此圖可以關(guān)心我們了解一些具有簡單化學(xué)成分的不銹鋼的組織。

例如,%、%、%、%、%、%、%的不銹鋼,依據(jù)計算:由圖虛線可知,這個成分的鋼其組織為奧飾體和少量鐵素體0~5%之間。

對此鋼作磁性分析,鐵素體為2%。

說明計算與實測結(jié)果基本接近。

依據(jù)目前應(yīng)用的不銹耐酸鋼的基本組織,可分為鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、奧氏體鐵素體不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼。

后者又屬超高強(qiáng)度鋼。

這類鋼的含碳量一般均小于0。

15%,含鉻量為13~30%。

從牌號來看,主要有013、17、25型。

13型由于含鉻量相對較低,只有在很低的含碳兩時才能保持鐵素體。

013的含碳量0。

01%,基體是鐵素體。

這類鋼由于含碳量低,鉻量也低剛超過11。

7%,因此機(jī)械性能和耐蝕性也較差,只能在弱腐蝕介質(zhì)中使用。

例如在不含醋酸的維尼綸介質(zhì)中做防污染設(shè)備。

17和25型由于含鉻量較高,具有良好的高溫抗氧化性和耐蝕性,被廣泛用于***和氮肥等化工設(shè)備。

含鉻25~28%的鋼還可用于爐用構(gòu)件如馬弗罐、熱電偶套管等。

這類鋼的主要缺點是脆性大,引起脆性的緣由有:1在熱變形時,加熱超過再結(jié)晶溫度后,晶粒消失長大趨勢。

加熱至9000以上時,晶粒顯著粗化。

這是由于它是單相組織,無相變之故。

所以通常25型鋼的熱變形溫度不超過7500。

2“4750脆性”。

在含鉻超過15%時,在400~5000范圍內(nèi)停留較長時間后,室溫沖擊韌性和塑性接近于零值。

最高脆化溫度接近4750,故稱為“4750脆性”。

引起引起“4750脆性“的緣由可能是回火時從鐵素體中析出富鉻的相,它的點陣常數(shù)大于鐵素體的,析出時產(chǎn)生共格應(yīng)力,使鋼的強(qiáng)度上升,韌性下降,并伴隨硬度的上升。

“4750脆性”具有還原性,可以通過加熱至600~6500保溫1后快冷予以消退。

3σ現(xiàn)匯的析出。

鐵-鉻合金中,成分相當(dāng)于~45%鉻的合金在溫度低于8200時,消失σ相。

隨著溫度的降低,σ相存在的范圍漸漸擴(kuò)大。

在σ相與α相之間還存在較寬的兩相區(qū)。

σ相具有高的硬度768和脆性,析出時并伴有大的體積變化,故引起很大脆性。

鋼中析出σ相還可能引起晶間腐蝕。

σ相是在800~6000范圍內(nèi)長時間加熱形成的,假如合金從高溫以較快的速度冷卻,可抑制σ相的生成。

2馬氏體不銹鋼馬主要有13、17型兩種。

鉻量達(dá)到13%時,鉻鋼在加熱過程中就不會發(fā)生相變,得到單一的鐵素體組織。

但當(dāng)鋼中含碳量增加后,γ區(qū)將隨之?dāng)U大,故當(dāng)13型不銹鋼中的含碳量≥0。

1%后,在加熱過程中將發(fā)生α→γ的相變,冷卻后得到馬氏體組織,見圖12-6。

若進(jìn)行816退火,則得到鐵素體+細(xì)粒狀碳化鉻,見圖12-7。

當(dāng)含碳量超過0。

35%后,得到過共析組織:粒狀碳化物+馬氏體,見圖12-8。

13型馬氏體不銹鋼的耐蝕性較差,但它的機(jī)械性能卻可通過熱處理進(jìn)行強(qiáng)化。

另外價格低廉,故在腐蝕性較弱的介質(zhì)中如水蒸氣,且又要求高的機(jī)械性能的條件下得到廣泛應(yīng)用。

例如113、213鋼廣泛用作汽輪機(jī)葉片、水壓機(jī)閥、熱裂設(shè)備配件和較高溫度下工作的螺釘、螺帽等。

313、413鋼主要用于要求高強(qiáng)度,同時又要求耐蝕的條件下工作的零件,如醫(yī)療器械的工具用鋼、輥珠軸承、柱塞等,或在400~4500工作的彈簧。

13型馬氏體不銹鋼通常是在淬火和回火后使用的。

這不僅使它能獲得較高的強(qiáng)度,也使它具有較高的耐蝕性。

低溫回火時,大量的鉻仍保持在固溶體中,所以耐蝕性能較高;高溫回火事,由于固溶體分解,析出碳化鉻而造成四周的貧鉻區(qū)重新獲得鉻濃度的平衡,從而保證了鋼的耐蝕性。

13型不銹鋼的相變溫度約為8000,加熱超過8000后空冷即可得到馬氏體。

隨著淬火溫度的上升,碳化鉻236不斷溶解,硬度、耐蝕性不斷提高。

但加熱超過10500后,回火時碳化物析出過程劇烈,使鋼的耐蝕性降低。

因此淬火加熱溫度常掌握在10000左右。

13型不銹鋼的回火溫度是依據(jù)使用條件來打算的。

若要求高的硬度,取200~2500低溫回火;若要求熱強(qiáng)度,則取600~7500高溫回火。

在400~6000范圍內(nèi)回火,由于析出彌散度很大的碳化物,不僅使耐蝕性降低,且沖擊韌性也較低,因此應(yīng)避開在此溫度區(qū)間內(nèi)回火。

這類鋼中還包括2%的1172鋼。

由于2%鎳的加入,鋼的基體組織由單相鐵素體過渡到α+γ兩相組織淬火時γ相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。

6500回火的組織為回火索氏體和呈帶狀分布的鐵素體。

因此可通過熱處理來提高它的性能。

這樣它既有17型不銹鋼的耐蝕性,又有13型馬氏體不銹鋼的強(qiáng)度,故被廣泛用于化工機(jī)械、造船業(yè)和航空工業(yè)等方面。

奧氏體不銹鋼與鐵素體不銹鋼比較,奧氏體不銹鋼除了具有很高的耐蝕性外,還具有很多其它優(yōu)點。

它具有高的塑性,易于加工成各種外形的鋼材薄板、型材;加熱時不發(fā)生αγ相變,焊接性能良好;韌性及低溫韌性好,沒有冷脆傾向;不具有磁性。

此外,由于奧氏體的再結(jié)晶溫度比鐵素體的再結(jié)晶溫度高,故這類鋼還可作為5500以上工作的熱強(qiáng)鋼。

這類鋼的主要缺點是價格昂貴;簡單加工硬化,使切削加工較難進(jìn)行。

即使如此,它仍舊是耐熱鋼和不銹鋼中使用最廣泛的一類鋼。

18-8型不銹鋼在400~8000溫度范圍內(nèi)長時間保溫會消失晶間腐蝕,呈黑色網(wǎng)狀分布于晶界,其緣由是由于此溫度下,晶界析出236碳化物,致使碳化物四周基體的含鉻量低于為保證耐蝕性所需要的最低量11。

7%,從而引起晶間腐蝕。

為防止晶間腐蝕,可實行固溶處理、降低鋼的含碳量、加入形成穩(wěn)定碳化物的鈦和鈮等方法。

18-8型不銹鋼的熱處理有三種方式。

1固融處理固溶處理溫度一般為1050~11500,鋼的含碳量越高,固溶處理溫度也越高。

在加熱不銹鋼時,既應(yīng)阻擋表面氧化,也應(yīng)防