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不锈钢及其热处理知识

日期：2016-07-08 11:53:22
       美国钢铁学会是用三位数字来标示各种标准级的可锻不锈钢的。其中：
       ①奥氏体型不锈钢用200和300系列的数字标示， 
       ②铁素体和马氏体型不锈钢用400系列的数字表示。例如，某些较普通的奥氏体不锈钢是以201、 304、 316以及310为标记， 
       ③铁素体不锈钢是以430和446为标记，马氏体不锈钢 是以410、420以及440C为标记，双相（奥氏体－铁素体）， 
       ④不锈钢、沉淀硬化不锈钢以及含铁量低于50%的高合
       大家知道固态金属及合金都是晶体，即在其内部原子是按一定规律排列的，排列的方式一般有三种即：体心立方晶格结构、面心立方晶格结构和密排六方晶格结构。金属是由多晶体组成的，它的多晶体结构是在金属结晶过程中形成的。组成铁碳合金的铁具有两种晶格结构：910℃以下为具有体心立方晶格结构的α——铁，910℃以上为具有面心立方晶格结构的Υ——铁。如果碳原子挤到铁的晶格中去，而又不破坏铁所具有的晶格结构，这样的物质称为固溶体。碳溶解到α——铁中形成的固溶体称铁素体，它的溶碳能力极低，最大溶解度不超过0.02%。而碳溶解到Υ——铁中形成的固溶体则称奥氏体，它的溶碳能力较高，最高可达2%。奥氏体是铁碳合金的高温相。
      钢在高温时所形成的奥氏体，过冷到727℃以下时变成不稳定的过冷奥氏体。如以极大的冷却速度过冷到230℃以下，这时奥氏体中的碳原子已无扩散的可能，奥氏体将直接转变成一种含碳过饱和的α固溶体，称为马氏体。由于含碳量过饱和，引起马氏体强度和硬度提高、塑性降低，脆性增大。
     不锈钢的耐蚀性主要来源于铬。实验证明，只有含铬量超过12%时钢的耐蚀性能才会大大提高，因此，不锈钢中的含铬量一般均不低于12%。由于含铬量的提高，对钢的组织也有很大影响，当铬含量高而碳含量很少时，铬会使铁碳平衡，图上的Υ相区缩小，甚至消失，这种不锈钢为铁素体组织结构，加热时不发生相变，称为铁素体型不锈钢。
      当含铬量较低(但高于12%)，碳含量较高，合金在从高温冷却时，极易形成马氏体，故称这类钢为马氏体型不锈钢。 
      镍可以扩展Υ相区，使钢材具有奥氏体组织。如果镍含量足够多，使钢在室温下也具有奥氏体组织结构，则称这种钢为奥氏体型不锈钢。
不锈钢有两种分类法：一种是按合金元素的特点，划分为铬不锈钢和铬镍不锈钢；另一种是按在正火状态下钢的组织状态 ，划分为M不锈钢、F不锈钢、A不锈钢和A一F双相不锈钢。 
      一、马氏体不锈钢 典型的马氏体不锈钢钢号有1Cr13～4Cr13和9Cr18等 1Cr13钢加工工艺性能良好。可不经预热进行深冲、弯曲、卷边及焊接。2Crl3冷变形前不要求预热，但焊接前需预热 ，ICrl3、2Cr13主要用来制作耐蚀结构件如汽轮机叶片等，而3Cr13、4Cr13主要用来制作医疗器械外科手术刀及耐磨零件；9Cll8可做耐蚀轴承及刀具。 
       二、铁素体不锈钢 铁素作不锈钢的含Cr量一般为13％～30％合碳量低于0.25%。有时还加入其它合金元素。金相组织主要是台铁 素体，加热及冷却过程中没有α<=>γ转变，不能用热处理进行强化。抗氧化性强，加入合金元素比可在有机酸及 含Cl-的介质中有较强的抗蚀。同时，它还具有良好的热加工性及一定的冷加工性。铁体不锈钢主要用来制作要求有较高的耐蚀性而强度要求较低的构件，广泛用于制造生产硝酸、氮肥等设备和化工使用的管道等。 典型的铁案体不锈钢有Crl7型、Cr25型和Cr28型,其成分性能及热处理工艺如表所示 
       三、奥氏体不锈钢 奥氏作不锈钢是克服马氏作不锈钢耐蚀性不足和铁素体不锈钢脆性过大而发展起来的。基本成分为Crl8％、Ni8％简称18－8钢。其特点是合碳量低于0.1％，利用Cr、Ni配合获得单相奥氏体组织。 奥氏作不锈钢一般用于制造生产硝酸、硫酸等化工设备构件、冷冻工业低温设备构件及经形变强化后可用作不锈钢弹簧和钟表发条等。
      奥氏体不锈钢具有良好的抗均匀腐蚀的性能，但在局部抗腐蚀方面，仍存在下列问题：
      1、奥氏体不锈钢的晶间腐蚀 奥氏作不锈钢在450～850℃保温或缓慢冷却时，会出现晶问腐蚀。合碳量越高，晶间蚀倾向性越大。此外，在焊接件的热影响区也会出现 晶间腐蚀。这是由于在晶界上析出富Cr的Cr23C6。使其周围基体产生贫铬区，从而形成腐蚀原电池而造成的。这种晶间腐蚀现象在前面提到的铁 素体不锈钢中也是存在的。
      工程上常采用以下几种方法防止晶间腐蚀：
    （1）降低钢中的碳量，使钢中合碳量低于平衡状态下在奥氏体内的饱和溶解度，即从根本上解决了铬的碳化物（Cr23C6）在晶界上 析出的问题。通常钢中合碳量降至0.03％以下即可满足抗晶间腐蚀性能的要求。
    （2）加入Ti、Nb等能形成稳定碳化物（TiC或NbC）的元素，避免在晶界上析出Cr23C6，即可防上奥氏体不锈钢的晶间腐蚀。 （3）通过调整钢中奥氏体形成元素与铁素体形成元素的比例，使其具有奥氏体+铁索体双相组织，其中铁素体占5％一12％。这种双相组织不易产生晶间腐蚀。 （4）采用适当热处理工艺，可以防止晶间腐蚀，获得最佳的耐蚀性。
       2、奥氏体不锈钢的应力腐蚀 应力（主要是拉应力）与腐蚀的综合作用所引起的开裂称为应力腐蚀开裂，简称SCC（Stress Crack Corrosion）。奥氏体不锈钢容易在含氯离子的腐蚀介质中产生应力腐蚀。当合Ni量达到8％一10％时，奥氏体不锈钢应力腐蚀倾向性最大，继续增加 含Ni量至45％～50％应力腐蚀倾向逐渐减小，直至消失。 防止奥氏体不锈钢应力腐蚀的最主要途径是加入Si2％～4％并从冶炼上将N含量控制在0.04％以下。此外还应尽量减少P、Sb、Bi、As等杂质的含量 。另外可选用A-F双用钢，它在Cl-和OH-介质中对应力腐蚀不敏感。当初始的微细裂纹遇到铁素体相后不再继续扩展，体素体含量应在6%左右。
      3、奥氏作不锈钢的形变强化 单相的奥氏体不锈钢具有良好的冷变形性能，可以冷拔成很细的钢丝，冷轧成很薄的钢带或钢管。经过大量变形后，钢的强度大力提高 ，尤其是在零下温区轧制时效果更为显著。抗拉强度可达 2 000 MPa以上。这是因为除了冷作硬化效果外，还叠加了形变诱发M转变。 奥氏作不锈钢经形变强化后可用来制造不锈弹簧、钟表发条、航空结构中的钢丝绳等。形变后若需焊接，则只能采用点焊工艺、形变使应力腐蚀倾向性增加 。并因部分γ->M转变而产生铁磁性，在使用时（如仪表零件中）应予以考虑。再结晶温度随形变量而改变，当形变量为60％时，其再结晶温度降为650℃冷变形奥氏体不锈钢再结晶退火温度为850～1050℃，850℃则需保温3h，1050℃时 透烧即可，然后水冷。
       4、奥氏体不锈钢的热处理 奥氏体不锈钢常用的热处理工艺有：固溶处理、稳定化处理和去应力处理等。
     （1）固溶处理。将钢加热到1050～1150℃后水淬，主要目的是使碳化物溶于奥氏体中，并将此状态保留到室温 ，这样钢的耐蚀性会有很大改善。如上所述，为了防止晶问腐蚀，通常采用固溶化处理，使Cr23C6溶于奥氏体中，然后快速冷却。对于薄壁件可采用空冷 ，一般情况采用水冷。
     （2）稳定化处理。一般是在固溶处理后进行，常用于含Ti、Nb的18-8钢，固处理后，将钢加热到850～880℃保温后空冷 ，此时Cr的碳化物完全溶解，脱而钛的碳化物不完全溶解，且在冷却过程中充分析出，使碳不可能再形成格的碳化物，因而有效地消除了晶间腐蚀。
     （3）去应力处理。去应力处理是消除钢在冷加工或焊接后的残余应力的热处理工艺一般加热到300～350℃回火。对于不 含稳定化元素Ti、Nb的钢，加热温度不超过450t，以免析出铬的碳化物而引起晶间腐蚀。对于超低碳和合Ti、Nb不锈钢的冷加工件和焊接件，需在500～950℃,加热 ，然后缓冷，消除应力（消除焊接应力取上限温度），可以减轻晶间腐蚀倾向并提高钢的应力腐蚀抗力。 四、奥氏体-铁素体双相不锈钢 在奥氏作不锈钢的基础上，适当增加Cr含量并减少Ni含量，并与回溶化处理相配合，可获得具有奥氏体和铁素体的双相组织（ 含40～60％δ-铁素体）的不锈钢，典型钢号有0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti、OCr21Ni6Mo2Ti等。双相不锈钢与里氏体不锈钢相比有较好的焊接性，焊 后不需热处理，而且其晶间腐蚀、应力腐蚀倾向性也较小。但由于含Cr量高，易形成σ相，使用时应加以注意。
      不锈钢的合金化原理
      提高钢耐蚀性的方法很多，如表面镇一层耐蚀金属、涂敷非金属层、电化学保护和改变腐蚀环境介质等。但是利用合金化方法 ，提高材料本身的耐蚀性是最有效的防止腐蚀破坏的措施之一，其方法如下；
    （1）加入合金元素，提高钢基体的电极电位，从而提高钢的抗电化学腐蚀能力。一般住钢中加入Cr、Ni、Si多元素均能提高其电极电位。由于Ni较缺，Si的大量加入会使钢变脆，因此 ，只有Cr才是显著提高钢基体电极电位常用的元素。
    Cr 能提高钢的电极电位，但不是呈线性关系。实验证明钢的电极电位随合金元素的增加，存在着一个量变到质变的关系，遵循1/8规律。当Cr含量达到一定值时即1/8原子（l/8、2/8、3/8……）时 ，电极电位将有一个突变。因此，几乎所有的不锈钢中，Cr含量均在12.%5（原子）以上，即11.7%（质量）以上。
    （2）加入合金元素使钢的表面形成一层稳定的、完整的与钢的基体结合牢固的纯化膜。从而提高钢的耐化学腐蚀能力。如在钢中加入 Cr,Si.Al等合金元素 ，使钢的表层形成致密的Cr2O3,SiO2,Al2O3等氧化膜 ，就可提高钢的耐蚀性。
    （3）加入合金元素使钢在常温时能以单相状态存在，减少微电池数目从而提高钢的耐蚀性。如加入足够数量的Cr或Cr－Ni,使钢在室温下获得单相铁 素体或单相奥氏体。
    （4）加入Mo、Cu等元素，提高钢抗非氧化性酸腐蚀的能力。
    （5）加入Ti，Nb等元素，消除Cr的晶间偏析，从而减轻了晶问腐蚀倾向。
    （6）加入Mn、N等元素，代替部分Ni获得单相奥氏体组织，同时能大大提高铬不锈钢在有机酸中的耐蚀性。

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