不銹鋼及其熱處理

無(wú)錫不銹鋼板廠(chǎng)家無(wú)錫漢能不銹鋼板2020年2月25日訊 不銹鋼有多種分類(lèi)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(shí)際意義。

主要合金元素是Cr，或加入少量穩(wěn)定鐵素體元素，如Al、Mo等，組織為鐵素體。強(qiáng)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(lèi)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。

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

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(duì)于制作工具時(shí)， C可達(dá)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(huì)含有少量鐵素體、殘余奧氏體或合金碳化物。加熱和冷卻時(shí)會(huì)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(jī)酸中有較好的耐蝕性，在硫酸、鹽酸等介質(zhì)中耐蝕性較差。

一般含Cr為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，依據(jù)合金元素比例不同，有的以鐵素體為主，有的以?shī)W氏體為主，構(gòu)成兩相同時(shí)存在的雙相不銹鋼。因其含有鐵素體及強(qiáng)化元素，熱處理后，強(qiáng)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(diǎn)蝕和縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕的特點(diǎn)。

成分特點(diǎn)是除含有C、Cr、Ni等元素外，還含有Cu、Al、Ti等可以時(shí)效沉淀析出物的元素。可以通過(guò)熱處理手段來(lái)調(diào)節(jié)力學(xué)性能，但其強(qiáng)化機(jī)理不同于馬氏體不銹鋼。由于其依靠析出沉淀相強(qiáng)化，所以C可以控制很低，因而其耐蝕性?xún)?yōu)于馬氏體不銹鋼，與Cr-Ni奧氏體不銹鋼相當(dāng)。

不銹鋼以Cr為主的大量合金元素構(gòu)成的成分特點(diǎn)，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(guò)熱處理方法實(shí)現(xiàn)。

 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。

①σ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(jìn)σ相形成;還與加工過(guò)程有 關(guān)，尤其在540~815℃區(qū)間加熱、停留，更促進(jìn)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(huì)重新溶解于固溶體中。

②475℃脆性

鐵素體不銹鋼在400~500℃區(qū)間長(zhǎng)時(shí)間加熱，會(huì)表現(xiàn)出強(qiáng)度升高、韌性下降即脆性增加的特征，尤其在475℃時(shí)最明顯，稱(chēng)475℃脆性。這是因?yàn)椋谶@個(gè)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(diǎn)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(shí)，必有貧Cr區(qū)出現(xiàn)，這對(duì)耐蝕性有不利影響。當(dāng)將鋼重新加熱高于700℃溫度時(shí)，畸變、內(nèi)應(yīng)力會(huì)消除，475℃脆性消失。

③高溫脆性

加熱到925℃以上，并以快速冷卻下來(lái)時(shí)，Cr、C、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：

①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(duì)于超純鐵素體不銹鋼（含C≤0.01％，嚴(yán)格控制Si、Mn、S、P），退火加熱溫度可提高一些。

②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。

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(diǎn)降至室溫以下（-30到-70℃）。保證奧氏體組織穩(wěn)定，所以，加熱、冷卻時(shí)，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(jī)械性能，而是提高耐蝕性。

作用：

①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(diǎn)強(qiáng)化作用之外，對(duì)耐蝕性是不利的，特別是C與Cr形成碳化物時(shí)，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(shí)溶解度大，低溫時(shí)溶解度小。有資料報(bào)導(dǎo)，C在奧氏體中的溶解度在1200℃時(shí)為0.34％；1000℃時(shí)為0.18％，而600℃時(shí)為0.02％，室溫時(shí)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(lái)不及析出，保證鋼的耐蝕性，特別是耐晶間腐蝕性。

②σ相

奧氏體鋼如果在500-900℃區(qū)間長(zhǎng)時(shí)間加熱，或鋼中加入Ti、Nb、Mo等元素時(shí)，都會(huì)促進(jìn)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：

在GB1200標(biāo)準(zhǔn)中，推薦加熱溫度范圍較寬：1000~1150℃，通常采用1020-1080℃。考慮具體牌號(hào)成分，是鑄件還是鍛件等情況，在允許范圍內(nèi)，適當(dāng)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(zhǎng)大，降低耐蝕性問(wèn)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(guó)及其它一些國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，標(biāo)明固溶化后“快冷” ，綜合不同文獻(xiàn)資料和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，“快”的尺度可按如下情況掌握：

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

? 含C量<0.08％、尺寸<3mm，可風(fēng)冷;

? 有效尺寸≤0.5mm的可空冷。

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

作用：

如前所述，Cr與C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(qiáng)碳化物形成元素，只要有機(jī)會(huì)，就與C結(jié)合并析出 ，所以鋼中填加比Cr與C親合力更強(qiáng)的元素Ti、Nb，并創(chuàng)造條件，使C優(yōu)先與Ti、Nb結(jié)合，減少C與Cr結(jié)合的機(jī)會(huì)，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、Nb與C結(jié)合，使Cr穩(wěn)定于奧氏體中的作用。

工藝：

加熱溫度：這個(gè)溫度應(yīng)高于Cr23C6的溶解溫度（400-825℃），低于或略高于TiC或NbC的開(kāi)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(huì)使Cr23C6充分溶解，使Ti或Nb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(duì)穩(wěn)定化效果無(wú)大影響。從我們?cè)囼?yàn)研究結(jié)果看，從穩(wěn)定化溫度900℃冷卻到200℃時(shí)，冷卻速度為0.9℃/min和15.6℃/min，相比，金相組織、硬度、耐晶間腐蝕能力基本相當(dāng)。

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(shí)的加工應(yīng)力、焊接應(yīng)力等。這些應(yīng)力的存在會(huì)帶來(lái)不利影響，如：對(duì)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(shí)，會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)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(guò)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(huì)產(chǎn)生一定應(yīng)力），但，有時(shí)不允許采用這種方法，如回路中的管件、沒(méi)有余量的完工件、形狀特別復(fù)雜的易變形零件等，這時(shí)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(qiáng)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(shí)，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。

馬氏體不銹鋼的熱處理

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

①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

? 0Cr13、1Cr13、1Cr17Ni2為馬氏體+少量鐵素體;

? 2Cr13、3Cr13、2Cr17Ni2基本上是馬氏體組織;

? 4Cr13、9Cr18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。

②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(jī)械性能，對(duì)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。

③馬氏體不銹鋼熱處理工藝方法及作用

退火

根據(jù)要達(dá)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(dá)150~180HB；

? 等溫退火，其可以代替完全退火，達(dá)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(xiàn)），較長(zhǎng)時(shí)間保溫（參照轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)），再爐冷至550℃以下出爐。硬度可達(dá)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(qiáng)化。將鋼加熱至臨界點(diǎn)溫度以上，保溫，使碳化物充分溶解到奧氏體中，再以適當(dāng)?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(guò)低，也不能過(guò)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(yàn)，一般選在980~1020℃范圍加熱即可。當(dāng)然，對(duì)于特殊鋼號(hào)、特殊成分控制或有特殊要求時(shí)，應(yīng)適當(dāng)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(xiàn)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(duì)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(qiáng)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(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等良好的綜合機(jī)械性能，可依據(jù)對(duì)強(qiáng)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?yàn)椋谶@個(gè)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(gè)溫度回火，HRC可達(dá)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(duì)有回火脆性?xún)A向的鋼號(hào)，如1Cr17Ni2、2Cr13、0Cr13Ni4Mo等，最好采用回火后油冷。另外，需要注意的問(wèn)題是，淬火后需及時(shí)回火，夏季不要超過(guò)24小時(shí)，冬季不要超過(guò)8小時(shí)，如不能及時(shí)按工藝溫度回火，也應(yīng)采取措施防止靜置裂紋的產(chǎn)生。

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(rèn)同和重視。雙相不銹鋼的成分特點(diǎn)（高Cr、低Ni、加Mo、N）和組織特點(diǎn)，使其具有比奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼高的強(qiáng)度、塑性;相當(dāng)于奧氏體不銹鋼的耐蝕性;在cl-介質(zhì)、海水中比任何不銹鋼都高的抗點(diǎn)蝕、抗縫隙腐蝕和抗應(yīng)力腐蝕破壞的能力。

作用：

①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(shí)，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(shí)效，會(huì)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(guò)熱處理予以消除。

②消除Cr₂₃C₆型碳化物

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

③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。

④消除金屬間相

雙相鋼的成分特征，會(huì)促進(jìn)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。

沉淀硬化不銹鋼熱處理

沉淀硬化不銹鋼相對(duì)發(fā)展較晚，是在人類(lèi)實(shí)踐中經(jīng)過(guò)試驗(yàn)、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(guò)熱處理方法調(diào)整機(jī)械性能，限制了它的作用。而馬氏體不銹鋼可以運(yùn)用熱處理方法，在較大范圍內(nèi)調(diào)整機(jī)械性能，但耐蝕性較差。

特點(diǎn)：

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(dāng)。通過(guò)固溶和時(shí)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(qiáng)度，并可根據(jù)時(shí)效溫度的調(diào)整，在一定范圍內(nèi)調(diào)整強(qiáng)度、塑、韌性。另外，先固溶，再依沉淀相析出強(qiáng)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(shí)效強(qiáng)化，降低了加工成本，優(yōu)于馬氏體鋼。

分類(lèi)：

①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(kāi)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(shí)效后從板條馬氏體基體上析出Cu的細(xì)質(zhì)點(diǎn)而強(qiáng)化。

例：在GB1220標(biāo)準(zhǔn)中，典型牌號(hào)為：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點(diǎn)約120℃；Mz點(diǎn)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(guò)高，如果大于1100℃，會(huì)使組織中鐵素體量增多、Ms點(diǎn)下降、殘留奧氏體增多、硬度下降，熱處理效果不好。

時(shí)效處理：

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

GB1220標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，不同時(shí)效溫度時(shí)效后性能

②半奧氏體型不銹鋼熱處理

這種鋼的Ms點(diǎn)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,