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不锈钢的热处理
合金元素对不锈钢组织和性能的影响
1铬
决定不锈钢耐蚀性的主要元素是铬。
这是由于钢中含有足够量的铬时,钢在氧化性介质中就可形成以Cr2O3为基体的稳定的表面防护膜;同时,铬能够有效地提高固溶体(铁素体、马氏体或奥氏体)的电极电位,从而使钢不受腐蚀。
铬对提高钢的电极电位是遵循n/8规律的。
即当铬良达到n/8原子(1/8、2/8、3/8…或12.5%、25%、37.5%…)时,电极电位有一个跃增,见下图铬的原子浓度占1/8(即12.5%),若以质量计,为11.7%,所以铬不锈钢的含铬量都在12%以上。
2碳
碳的影响主要表现在两方面,一方面它是稳定奥氏体的元素,并且作用很大,相当于镍的30倍;另一方面,由于碳和铬的亲和力很强,它与铬可形成一系列的复杂碳化物,其成分随钢中含铬量的不同而异,含铬量少于10%时,主要是渗碳体型碳化物(Fe,Cr)3C;在高铬钢中则形成复杂的碳化物(Cr,Fe)7C3或(Cr,Fe)23C6。
因此,钢中含碳两越高,其抗腐蚀性就越低。
对于不锈钢来说,要求耐蚀性是主要目底,故不锈钢的含碳量一般都较低,大多数仅为0.1~0.2%,一般不超过0.4%。
只有在少数情况下,例如用作滚动轴承、弹簧和刃具时,由于要求高的硬度和耐磨性,才将含碳量提高至0.85%~0.95%(如9Cr18钢)。
但为了保持一定的耐蚀性,这;类钢的含铬量也相应地要高些。
3镍
镍是形成奥氏体的合金元素,但镍的作用只有与铬配合时才会充分发挥出来,若单独使用镍而不使用铬,低碳镍钢要获得纯奥氏体的单相组织,含镍量需高达24%,事实上含镍量达到27%时才能提高钢的耐蚀性,故在不锈钢中没有单独以镍作为合金元素的。
当镍和铬配合时,镍提高钢的耐蚀作用就显著地表现出来。
向铁素体不锈钢中加入少量的镍,即可使金相组织由单相铁素体转变为铁素体和奥氏体两相状态,这样就可通过热处理来改善和提高其机械性能。
例如,单相铁素体的Cr17钢是不能通过热处理提高机械强度的,其抗拉强度只有400MN/m2左右,但加入2%镍的Cr17Ni2钢,经10000C油冷淬火和3000C回火后,抗拉强度可达1100MN/m2。
这是由于镍的加入,组织具有γ→α的转变的缘故。
在含铬18%的铬钢中加入8%镍后,可获得完全奥氏体组织,这就是广泛应用的18-8型铬镍奥氏体不锈钢。
这种钢除了具有高的耐蚀性外,还具有良好的冷变形及焊接性能,并且没有磁性。
锰和氮
锰是镍的代用元素之一。
锰和镍一样是形成奥氏体的合金元素,高碳钢中含锰两大于12%即可获得奥氏体组织(如Mn13),但由于锰对提高固溶体的电极电位的效果不大,形成的氧化膜也没有防护作用,钢中的含锰量在0~10.4%之间变化时,在空气与酸中的腐蚀率没有多大变化,因此不锈钢中不能单独使用锰作为合金元素。
锰在形成奥氏体方面的作用为约镍的二分之一,即用2%的锰代替1%的镍。
完全以锰代铬镍不锈钢中的镍是有一定困难的,主要因为铬锰钢要获得完全奥氏题组织,除了铬与锰的适宜含量外,碳含量的影响也很大,当含碳量低时很难获得完全奥氏体组织,反之提高含碳量,将对耐蚀性不利;另一方面简单的铬锰不锈钢在500~8000C区间加热后,抗晶间腐蚀能力很低,加入钛或铌也不能降低它对晶间腐蚀的敏感性。
因此工业上应用的多为在18-8型铬镍钢基础上,以锰代替部分的镍或采用同时加锰与氮的方法来代替全部镍。
氮也是形成奥氏体的元素,可以部分的代替镍,以氮代镍的比例是0.025~1。
但由于氮在钢重的溶解度比较小,因此有人认为钢中含氮量超过0。
25%会在铸锭中产生气孔;也有人认为在相应地调整钢的化学成分,特别是铬与锰的含量比适当时,即使含氮量达0。
65%,仍可以获得质量良好的铸锭。
单对形成奥氏体的作用是很显著的。
例如,18-8型铬镍钢,当含0。
15%时,需5%的镍可得到奥氏体组织;含氮0。
25%时,只需4。
5%镍。
为了节镍,用锰和氮代替镍的铬锰氮不锈钢已获得一定的应用。
钛和铌
钛和铌的主要作用是防止晶间腐蚀。
加入铌或钛后,由于它们与碳的亲和力比铬大,优先与碳形成碳化铌或碳化钛,避免了贫铬区的形成,防止了晶间腐蚀。
不锈钢的分类方法很多,通常都是按高温(900~11000C)加热并在空气中冷却后钢的组织状态分类的,这是由碳及合金元素对不锈钢组织影响的特点来决定的。
合金元素对不锈钢组织的影响,基本上可分为两类:
一类是形成奥氏体的,如碳、镍、锰、铜、氮等;另一类是形成铁素体的,如铬、硅、钼、钛、铌等。
这两类元素对组织的影响是互相矛盾的,当形成奥氏体的元素成为矛盾的主要方面时,组织以奥氏题为主,没有或很少有铁素体;反之则铁素体居多。
综合各种元素对形成奥氏体的作用程度,绘成了不锈钢的组织图,见下图。
这个图所取的当量值如下:
此图仅适用于从很高温度快冷(相当于焊接过程)以后的钢,利用此图可以帮助我们了解一些具有复杂化学成分的不锈钢的组织。
例如,成分为碳0.07%、锰1.55%、硅0.57%、铬18.02%、镍11.87%、钼2.16%、铌0.80%的不锈钢,根据计算:
由图虚线可知,这个成分的钢其组织为奥饰体和少量铁素体(0~5%之间)。
对此钢作磁性分析,铁素体为2%。
说明计算与实测结果基本接近。
根据目前应用的不锈耐酸钢的基本组织,可分为铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体铁素体不锈钢和沉淀硬化不锈钢。
后者又属超高强度钢。
这类钢的含碳量一般均小于0。
15%,含铬量为13~30%。
从牌号来看,主要有0Cr13、Cr17、Cr25型。
Cr13型由于含铬量相对较低,只有在很低的含碳两时才能保持铁素体。
0Cr13的含碳量0。
01%,基体是铁素体。
这类钢由于含碳量低,铬量也低(刚超过11。
7%),因此机械性能和耐蚀性也较差,只能在弱腐蚀介质中使用。
例如在不含醋酸的维尼纶介质中做防污染设备。
Cr17和Cr25型由于含铬量较高,具有良好的高温抗氧化性和耐蚀性,被广泛用于硝酸和氮肥等化工设备。
含铬25~28%的钢还可用于炉用构件(如马弗罐、热电偶套管等。
这类钢的主要缺点是脆性大,引起脆性的原因有:
1在热变形时,加热超过再结晶温度后,晶粒出现长大趋势。
加热至9000C以上时,晶粒显著粗化。
这是因为它是单相组织,无相变之故。
所以通常Cr25型钢的热变形温度不超过7500C。
2“4750C脆性”。
在含铬超过15%时,在400~5000C围停留较长时间后,室温冲击韧性和塑性接近于零值。
最高脆化温度接近4750C,故称为“4750C脆性”。
引起引起“4750C脆性“的原因可能是回火时从铁素体中析出富铬的相,它的点阵常数大于铁素体的,析出时产生共格应力,使钢的强度升高,韧性下降,并伴随硬度的升高。
“4750C脆性”具有还原性,可以通过加热至600~6500C保温1h后快冷予以消除。
3σ现汇的析出。
铁-铬合金中,成分相当于~45%铬的合金在温度低于8200C时,出现σ相(FeCr)。
随着温度的降低,σ相存在的围逐渐扩大。
在σ相与α相之间还存在较宽的两相区。
σ相具有高的硬度(7HRC68)和脆性,析出时并伴有大的体积变化,故引起很大脆性。
钢中析出σ相还可能引起晶间腐蚀。
σ相是在800~6000C围长时间加热形成的,如果合金从高温以较快的速度冷却,可抑制σ相的生成。
2马氏体不锈钢
马主要有Cr13、Cr17型两种。
铬量达到13%时,铬钢在加热过程中就不会发生相变,得到单一的铁素体组织。
但当钢中含碳量增加后,γ区将随之扩大,故当Cr13型不锈钢中的含碳量≥0。
1%后,在加热过程中将发生α→γ的相变,冷却后得到马氏体组织,见图12-6。
若进行816OC退火,则得到铁素体+细粒状碳化铬,见图12-7。
当含碳量超过0。
35%后,得到过共析组织:
粒状碳化物+马氏体,见图12-8。
Cr13型马氏体不锈钢的耐蚀性较差,但它的机械性能却可通过热处理进行强化。
另外价格低廉,故在腐蚀性较弱的介质中(如水蒸气),且又要求高的机械性能的条件下得到广泛应用。
例如1Cr13、2Cr13钢广泛用作汽轮机叶片、水压机阀、热裂设备配件和较高温度下工作的螺钉、螺帽等。
3Cr13、4Cr13钢主要用于要求高强度,同时又要求耐蚀的条件下工作的零件,如医疗器械的工具用钢、辊珠轴承、柱塞等,或在400~4500C工作的弹簧。
Cr13型马氏体不锈钢通常是在淬火和回火后使用的。
这不仅使它能获得较高的强度,也使它具有较高的耐蚀性。
低温回火时,大量的铬仍保持在固溶体中,所以耐蚀性能较高;高温回火事,由于固溶体分解,析出碳化铬而造成附近的贫铬区重新获得铬浓度的平衡,从而保证了钢的耐蚀性。
Cr13型不锈钢的相变温度约为8000C,加热超过8000C后空冷即可得到马氏体。
随着淬火温度的升高,碳化铬(Cr23C6)不断溶解,硬度、耐蚀性不断提高。
但加热超过10500C后,回火时碳化物析出过程强烈,使钢的耐蚀性降低。
因此淬火加热温度常控制在10000C左右。
Cr13型不锈钢的回火温度是根据使用条件来决定的。
若要求高的硬度,取200~2500C低温回火;若要求热强度,则取600~7500C高温回火。
在400~6000C围回火,由于析出弥散度很大的碳化物,不仅使耐蚀性降低,且冲击韧性也较低,因此应避免在此温度区间回火。
这类钢中还包括2%的1Cr17Ni2钢。
由于2%镍的加入,钢的基体组织由单相铁素体过渡到α+γ两相组织淬火时γ相转变为马氏体。
6500C回火的组织为回火索氏体和呈带状分布的铁素体。
因此可通过热处理来提高它的性能。
这样它既有Cr17型不锈钢的耐蚀性,又有Cr13型马氏体不锈钢的强度,故被广泛用于化工机械、造船业和航空工业等方面。
奥氏体不锈钢
与铁素体不锈钢比较,奥氏体不锈钢除了具有很高的耐蚀性外,还具有许多其它优点。
它具有高的塑性,易于加工成各种形状的钢材(薄板、型材);加热时不发生α
γ相变,焊接性能良好;韧性及低温韧性好,没有冷脆倾向;不具有磁性。
此外,由于奥氏体的再结晶温度比铁素体的再结晶温度高,故这类钢还可作为5500C以上工作的热强钢。
这类钢的主要缺点是价格昂贵;容易加工硬化,使切削加工较难进行。
即使如此,它仍然是耐热钢和不锈钢中使用最广泛的一类钢。
18-8型不锈钢在400~8000C温度围长时间保温会出现晶间腐蚀,呈黑色网状分布于晶界,其原因是由于此温度下,晶界析出Cr23C6碳化物,致使碳化物周围(基体)的含铬量低于为保证耐蚀性所需要的最低量(11。
7%),从而引起晶间腐蚀。
为防止晶间腐蚀,可采取固溶处理、降低钢的含碳量、加入形成稳定碳化物的钛和铌等办法。
18-8型不锈钢的热处理有三种方式。
1固融处理
固溶处理温度一般为1050~11500C,钢的含碳量越高,固溶处理温度也越高。
在加热不锈钢时,既应阻止表面氧化,也应防止表面增碳。
因为增碳的结果使钢的晶间腐蚀倾向增大。
关于保温时间,推荐表1所列的数据。
加热保温后,薄壁零件可以空冷,其它均可进行水冷。
缓慢冷却将在晶界析出过剩碳化物相,从而降低耐蚀性。
固溶处理后得到单一的奥氏体组织。
固溶处理后,钢具有最低的强度和硬度,故是最大的软化处理,可以被切削加工;固溶处理后,钢具有最大的耐蚀性,是防止晶间腐蚀的重要手段;固溶处理还可以消除因压力加工、焊接等引起的应力,恢复塑性。
2消除应力处理
为消除切削加工后的残余应力,通常采用300~3500C的消除应力退火,保温1~2h后空冷。
3稳定化处理
钢中加入钛或铌可消除晶间腐蚀,但它们的效果必须通过稳定化处理后才能保证。
稳定化处理的工艺;将钢加热至850~9000C,保温2h,空冷。
单纯的固溶处理使铬的碳化物全部溶入奥氏体中,呔和铌的碳化物则部分溶入奥氏体中,如经400~8000C加热,溶入奥氏体中的碳大部分以Cr23C6形式析出,钛、铌固定碳的作用得不到发挥,晶间腐蚀仍然发生。
如果将温度提高到高于Cr23C6的溶解温度,且又是碳化钛强烈析出的温度(850~9000C),保温2h,就能保证形成稳定的碳化钛、碳化铌,防止了晶间腐蚀。
奥氏体-铁素体不锈钢
在18-8钢的基础上,提高形成铁素体元素的含量,便可获得具有奥氏体和铁素体复相组织的不锈耐蚀钢。
复相钢不锈钢具有较好的机械强度和焊接性,焊接后不需热处理,晶间腐蚀和应力腐蚀倾向也较小,故得到广泛应用。
关于复香组织的耐蚀性,有人认为只要两相的电极电位都较高,又都钝化,也就不出现选择性腐蚀了。
复相不锈钢的典型牌号有1Cr18Mn10Ni5Mo3N及0Cr17Mn13Mo2N。
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