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不銹鋼及其熱處理知識

日期：2016-07-08 11:53:22

美國鋼鐵學(xué)會是用三位數(shù)字來標(biāo)示各種標(biāo)準(zhǔn)級的可鍛不銹鋼的。其中：

①奧氏體型不銹鋼用200和300系列的數(shù)字標(biāo)示，
②鐵素體和馬氏體型不銹鋼用400系列的數(shù)字表示。例如，某些較普通的奧氏體不銹鋼是以201、 304、 316以及310為標(biāo)記，
③鐵素體不銹鋼是以430和446為標(biāo)記，馬氏體不銹鋼是以410、420以及440C為標(biāo)記，雙相（奧氏體－鐵素體），
④不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼以及含鐵量低于50%的高合

大家知道固態(tài)金屬及合金都是晶體，即在其內(nèi)部原子是按一定規(guī)律排列的，排列的方式一般有三種即：體心立方晶格結(jié)構(gòu)、面心立方晶格結(jié)構(gòu)和密排六方晶格結(jié)構(gòu)。金屬是由多晶體組成的，它的多晶體結(jié)構(gòu)是在金屬結(jié)晶過程中形成的。組成鐵碳合金的鐵具有兩種晶格結(jié)構(gòu)：910℃以下為具有體心立方晶格結(jié)構(gòu)的α——鐵，910℃以上為具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)的Υ——鐵。如果碳原子擠到鐵的晶格中去，而又不破壞鐵所具有的晶格結(jié)構(gòu)，這樣的物質(zhì)稱為固溶體。碳溶解到α——鐵中形成的固溶體稱鐵素體，它的溶碳能力極低，最大溶解度不超過0.02%。而碳溶解到Υ——鐵中形成的固溶體則稱奧氏體，它的溶碳能力較高，最高可達(dá)2%。奧氏體是鐵碳合金的高溫相。

鋼在高溫時所形成的奧氏體，過冷到727℃以下時變成不穩(wěn)定的過冷奧氏體。如以極大的冷卻速度過冷到230℃以下，這時奧氏體中的碳原子已無擴(kuò)散的可能，奧氏體將直接轉(zhuǎn)變成一種含碳過飽和的α固溶體，稱為馬氏體。由于含碳量過飽和，引起馬氏體強(qiáng)度和硬度提高、塑性降低，脆性增大。

不銹鋼的耐蝕性主要來源于鉻。實驗證明，只有含鉻量超過12%時鋼的耐蝕性能才會大大提高，因此，不銹鋼中的含鉻量一般均不低于12%。由于含鉻量的提高，對鋼的組織也有很大影響，當(dāng)鉻含量高而碳含量很少時，鉻會使鐵碳平衡，圖上的Υ相區(qū)縮小，甚至消失，這種不銹鋼為鐵素體組織結(jié)構(gòu)，加熱時不發(fā)生相變，稱為鐵素體型不銹鋼。

當(dāng)含鉻量較低(但高于12%)，碳含量較高，合金在從高溫冷卻時，極易形成馬氏體，故稱這類鋼為馬氏體型不銹鋼。

鎳可以擴(kuò)展Υ相區(qū)，使鋼材具有奧氏體組織。如果鎳含量足夠多，使鋼在室溫下也具有奧氏體組織結(jié)構(gòu)，則稱這種鋼為奧氏體型不銹鋼。

不銹鋼有兩種分類法：一種是按合金元素的特點，劃分為鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼；另一種是按在正火狀態(tài)下鋼的組織狀態(tài) ，劃分為M不銹鋼、F不銹鋼、A不銹鋼和A一F雙相不銹鋼。

一、馬氏體不銹鋼典型的馬氏體不銹鋼鋼號有1Cr13～4Cr13和9Cr18等 1Cr13鋼加工工藝性能良好。可不經(jīng)預(yù)熱進(jìn)行深沖、彎曲、卷邊及焊接。2Crl3冷變形前不要求預(yù)熱，但焊接前需預(yù)熱，ICrl3、2Cr13主要用來制作耐蝕結(jié)構(gòu)件如汽輪機(jī)葉片等，而3Cr13、4Cr13主要用來制作醫(yī)療器械外科手術(shù)刀及耐磨零件；9Cll8可做耐蝕軸承及刀具。

二、鐵素體不銹鋼鐵素作不銹鋼的含Cr量一般為13％～30％合碳量低于0.25%。有時還加入其它合金元素。金相組織主要是臺鐵素體，加熱及冷卻過程中沒有α<=>γ轉(zhuǎn)變，不能用熱處理進(jìn)行強(qiáng)化?？寡趸詮?qiáng)，加入合金元素比可在有機(jī)酸及含Cl-的介質(zhì)中有較強(qiáng)的抗蝕。同時，它還具有良好的熱加工性及一定的冷加工性。鐵體不銹鋼主要用來制作要求有較高的耐蝕性而強(qiáng)度要求較低的構(gòu)件，廣泛用于制造生產(chǎn)硝酸、氮肥等設(shè)備和化工使用的管道等。典型的鐵案體不銹鋼有Crl7型、Cr25型和Cr28型,其成分性能及熱處理工藝如表所示

三、奧氏體不銹鋼奧氏作不銹鋼是克服馬氏作不銹鋼耐蝕性不足和鐵素體不銹鋼脆性過大而發(fā)展起來的?；境煞譃镃rl8％、Ni8％簡稱18－8鋼。其特點是合碳量低于0.1％，利用Cr、Ni配合獲得單相奧氏體組織。奧氏作不銹鋼一般用于制造生產(chǎn)硝酸、硫酸等化工設(shè)備構(gòu)件、冷凍工業(yè)低溫設(shè)備構(gòu)件及經(jīng)形變強(qiáng)化后可用作不銹鋼彈簧和鐘表發(fā)條等。

奧氏體不銹鋼具有良好的抗均勻腐蝕的性能，但在局部抗腐蝕方面，仍存在下列問題：

1、奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕奧氏作不銹鋼在450～850℃保溫或緩慢冷卻時，會出現(xiàn)晶問腐蝕。合碳量越高，晶間蝕傾向性越大。此外，在焊接件的熱影響區(qū)也會出現(xiàn) 晶間腐蝕。這是由于在晶界上析出富Cr的Cr23C6。使其周圍基體產(chǎn)生貧鉻區(qū)，從而形成腐蝕原電池而造成的。這種晶間腐蝕現(xiàn)象在前面提到的鐵素體不銹鋼中也是存在的。

工程上常采用以下幾種方法防止晶間腐蝕：

（1）降低鋼中的碳量，使鋼中合碳量低于平衡狀態(tài)下在奧氏體內(nèi)的飽和溶解度，即從根本上解決了鉻的碳化物（Cr23C6）在晶界上析出的問題。通常鋼中合碳量降至0.03％以下即可滿足抗晶間腐蝕性能的要求。

（2）加入Ti、Nb等能形成穩(wěn)定碳化物（TiC或NbC）的元素，避免在晶界上析出Cr23C6，即可防上奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕。（3）通過調(diào)整鋼中奧氏體形成元素與鐵素體形成元素的比例，使其具有奧氏體+鐵索體雙相組織，其中鐵素體占5％一12％。這種雙相組織不易產(chǎn)生晶間腐蝕。（4）采用適當(dāng)熱處理工藝，可以防止晶間腐蝕，獲得最佳的耐蝕性。

2、奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕應(yīng)力（主要是拉應(yīng)力）與腐蝕的綜合作用所引起的開裂稱為應(yīng)力腐蝕開裂，簡稱SCC（Stress Crack Corrosion）。奧氏體不銹鋼容易在含氯離子的腐蝕介質(zhì)中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。當(dāng)合Ni量達(dá)到8％一10％時，奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕傾向性最大，繼續(xù)增加含Ni量至45％～50％應(yīng)力腐蝕傾向逐漸減小，直至消失。防止奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的最主要途徑是加入Si2％～4％并從冶煉上將N含量控制在0.04％以下。此外還應(yīng)盡量減少P、Sb、Bi、As等雜質(zhì)的含量。另外可選用A-F雙用鋼，它在Cl-和OH-介質(zhì)中對應(yīng)力腐蝕不敏感。當(dāng)初始的微細(xì)裂紋遇到鐵素體相后不再繼續(xù)擴(kuò)展，體素體含量應(yīng)在6%左右。

3、奧氏作不銹鋼的形變強(qiáng)化單相的奧氏體不銹鋼具有良好的冷變形性能，可以冷拔成很細(xì)的鋼絲，冷軋成很薄的鋼帶或鋼管。經(jīng)過大量變形后，鋼的強(qiáng)度大力提高，尤其是在零下溫區(qū)軋制時效果更為顯著?？估瓘?qiáng)度可達(dá) 2 000 MPa以上。這是因為除了冷作硬化效果外，還疊加了形變誘發(fā)M轉(zhuǎn)變。奧氏作不銹鋼經(jīng)形變強(qiáng)化后可用來制造不銹彈簧、鐘表發(fā)條、航空結(jié)構(gòu)中的鋼絲繩等。形變后若需焊接，則只能采用點焊工藝、形變使應(yīng)力腐蝕傾向性增加。并因部分γ->M轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生鐵磁性，在使用時（如儀表零件中）應(yīng)予以考慮。再結(jié)晶溫度隨形變量而改變，當(dāng)形變量為60％時，其再結(jié)晶溫度降為650℃冷變形奧氏體不銹鋼再結(jié)晶退火溫度為850～1050℃，850℃則需保溫3h，1050℃時透燒即可，然后水冷。

4、奧氏體不銹鋼的熱處理奧氏體不銹鋼常用的熱處理工藝有：固溶處理、穩(wěn)定化處理和去應(yīng)力處理等。

（1）固溶處理。將鋼加熱到1050～1150℃后水淬，主要目的是使碳化物溶于奧氏體中，并將此狀態(tài)保留到室溫，這樣鋼的耐蝕性會有很大改善。如上所述，為了防止晶問腐蝕，通常采用固溶化處理，使Cr23C6溶于奧氏體中，然后快速冷卻。對于薄壁件可采用空冷，一般情況采用水冷。

（2）穩(wěn)定化處理。一般是在固溶處理后進(jìn)行，常用于含Ti、Nb的18-8鋼，固處理后，將鋼加熱到850～880℃保溫后空冷，此時Cr的碳化物完全溶解，脫而鈦的碳化物不完全溶解，且在冷卻過程中充分析出，使碳不可能再形成格的碳化物，因而有效地消除了晶間腐蝕。

（3）去應(yīng)力處理。去應(yīng)力處理是消除鋼在冷加工或焊接后的殘余應(yīng)力的熱處理工藝一般加熱到300～350℃回火。對于不含穩(wěn)定化元素Ti、Nb的鋼，加熱溫度不超過450t，以免析出鉻的碳化物而引起晶間腐蝕。對于超低碳和合Ti、Nb不銹鋼的冷加工件和焊接件，需在500～950℃,加熱，然后緩冷，消除應(yīng)力（消除焊接應(yīng)力取上限溫度），可以減輕晶間腐蝕傾向并提高鋼的應(yīng)力腐蝕抗力。四、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼在奧氏作不銹鋼的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加Cr含量并減少Ni含量，并與回溶化處理相配合，可獲得具有奧氏體和鐵素體的雙相組織（含40～60％δ-鐵素體）的不銹鋼，典型鋼號有0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti、OCr21Ni6Mo2Ti等。雙相不銹鋼與里氏體不銹鋼相比有較好的焊接性，焊后不需熱處理，而且其晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕傾向性也較小。但由于含Cr量高，易形成σ相，使用時應(yīng)加以注意。

不銹鋼的合金化原理
提高鋼耐蝕性的方法很多，如表面鎮(zhèn)一層耐蝕金屬、涂敷非金屬層、電化學(xué)保護(hù)和改變腐蝕環(huán)境介質(zhì)等。但是利用合金化方法，提高材料本身的耐蝕性是最有效的防止腐蝕破壞的措施之一，其方法如下；
（1）加入合金元素，提高鋼基體的電極電位，從而提高鋼的抗電化學(xué)腐蝕能力。一般住鋼中加入Cr、Ni、Si多元素均能提高其電極電位。由于Ni較缺，Si的大量加入會使鋼變脆，因此，只有Cr才是顯著提高鋼基體電極電位常用的元素。
Cr 能提高鋼的電極電位，但不是呈線性關(guān)系。實驗證明鋼的電極電位隨合金元素的增加，存在著一個量變到質(zhì)變的關(guān)系，遵循1/8規(guī)律。當(dāng)Cr含量達(dá)到一定值時即1/8原子（l/8、2/8、3/8……）時，電極電位將有一個突變。因此，幾乎所有的不銹鋼中，Cr含量均在12.%5（原子）以上，即11.7%（質(zhì)量）以上。
（2）加入合金元素使鋼的表面形成一層穩(wěn)定的、完整的與鋼的基體結(jié)合牢固的純化膜。從而提高鋼的耐化學(xué)腐蝕能力。如在鋼中加入 Cr,Si.Al等合金元素，使鋼的表層形成致密的Cr2O3,SiO2,Al2O3等氧化膜，就可提高鋼的耐蝕性。
（3）加入合金元素使鋼在常溫時能以單相狀態(tài)存在，減少微電池數(shù)目從而提高鋼的耐蝕性。如加入足夠數(shù)量的Cr或Cr－Ni,使鋼在室溫下獲得單相鐵素體或單相奧氏體。
（4）加入Mo、Cu等元素，提高鋼抗非氧化性酸腐蝕的能力。
（5）加入Ti，Nb等元素，消除Cr的晶間偏析，從而減輕了晶問腐蝕傾向。
（6）加入Mn、N等元素，代替部分Ni獲得單相奧氏體組織，同時能大大提高鉻不銹鋼在有機(jī)酸中的耐蝕性。

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