不銹鋼及其熱處理

1、不銹鋼及其熱處理,第一部分 不銹鋼相關(guān)知識(shí),一、不銹鋼定義及介定范圍 在我國(guó)GB/T13304鋼的分類標(biāo)準(zhǔn)中，按用途及使用特性分類方法規(guī)定，將不銹鋼、耐蝕鋼、耐熱鋼歸為一類，稱為“不銹、耐蝕和耐熱鋼” 。但,嚴(yán)格說來，它們之間是有區(qū)別的。,按定義：不銹鋼是指在空氣中或接近中性 介質(zhì)中，不產(chǎn)生銹蝕的鋼。耐蝕鋼是指在一些含有化學(xué)腐蝕 介質(zhì)，如酸、堿、鹽及其溶液 中、 海水中及一些腐蝕氣體中均 能夠不產(chǎn)生或很少產(chǎn)生腐蝕的 鋼。耐熱鋼是指在較高溫度環(huán)境中能 夠抗氧化、抗蠕變的鋼。,當(dāng)然，一般耐蝕鋼和耐熱鋼都具有不銹的特性，而在日常習(xí)慣上，又把不銹鋼和耐蝕鋼簡(jiǎn)稱不銹鋼。,為便于說明問題，在今天的課程內(nèi)容

2、中，將不銹鋼定義為“含適當(dāng)?shù)奶?、含鉻（Cr）大于12，或還含有其它合金元素，能在含有腐蝕介質(zhì)的液體或氣體中具有抵抗腐蝕能力的鐵基合金?！?這就從成分上和特性上兩個(gè)方面明確了不銹鋼的概念。,二、不銹鋼的開發(fā)與發(fā)展,關(guān)于不銹鋼的發(fā)現(xiàn)和報(bào)導(dǎo)，最早出現(xiàn)在英國(guó)，之后，美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)相繼取得研究成果。最先出現(xiàn)的是鐵素體不銹鋼，隨后發(fā)展了馬氏體不銹鋼和奧氏體不銹鋼。 隨著社會(huì)發(fā)展和人類的需求，這些鋼也滿足不了要求了，如奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼耐蝕性好，但力學(xué)性能差;馬氏體不銹鋼可調(diào)整力學(xué)性能，但耐蝕性受到限制。所以，開發(fā)了沉淀硬化不銹鋼。, 再如，為了解決在某些介質(zhì)中構(gòu) 件產(chǎn)生的局部腐蝕和應(yīng)力腐蝕破 壞

3、，研發(fā)出了能在含cl-介質(zhì)及海 水中有特殊耐蝕效果的“雙相不銹 鋼”。 目前，不銹鋼已具有鐵素體、馬 氏體、奧氏體、沉淀硬化不銹鋼 和鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼等五 大系列的不銹鋼大家族。,三、不銹鋼耐蝕機(jī)理及主要合 金元素的作用,不銹鋼耐蝕原因有許多解釋： 從化學(xué)理論方面：不銹鋼與介質(zhì)作用時(shí)，表面生成以Cr2O3為主的薄膜，也叫鈍化膜，其阻止腐蝕介質(zhì)穿透，保護(hù)了金屬基體。 從電子理論方面：金屬的鈍化狀態(tài)與未填滿的電子層有關(guān)，Cr有力求吸收電子特性，使Fe原子失去電子而被鈍化。 電極電位理論方面：當(dāng)Fe-Cr合金固溶體中Cr量比達(dá)1/8（即12.5）時(shí)，電極電壓由-0.56V躍增到+0.2V，使

4、金屬在電溶液介質(zhì)中更穩(wěn)定。,從上可見，對(duì)不銹鋼耐蝕性的任何一種解釋，都與合金元素Cr的作用有關(guān)，其起主要作用。,此外，由于材料所處環(huán)境的多樣性， 有時(shí)，還要填加其它合金元素：*Mo：形成MoO，促進(jìn)基體鈍化；*Cu：使鈍化膜含有CuO，提高耐蝕性；*N： 鈍化膜中富集Cr2N，使鈍化膜中 Cr濃度提高；*Ni：與Cr共同作用，改變組織結(jié)構(gòu)， 從而改善耐蝕性和力學(xué)性能；*Ti或Nb：穩(wěn)定鋼中的C，進(jìn)而穩(wěn)定了 鋼中的Cr，保證耐蝕性；*Mn：代替Ni的作用，降低鋼的成本；,*Al、Nb、Cu等：借助于它們可以從基體 中彌散析出，達(dá)到強(qiáng)化 作用。Al還對(duì)鐵素體不 銹鋼有鈍化作用；*S、Se：提高不銹

5、鋼的易切削性；*W：在雙相不銹鋼中，可抑制金屬的再 溶解，起緩蝕的作用；*Co：提高不銹鋼硬度；*V：提高不銹鋼熱強(qiáng)性；,*C：它的作用有兩重性：一方面，加入C并調(diào)整其含量可改變不 銹鋼的組織，從而改變和調(diào)節(jié)力學(xué)性 能另一方面，因其與Cr有較強(qiáng)的親合 力，會(huì)降低固溶體中Cr量，降低耐 蝕性，還會(huì)形成Cr-C化合物沿晶界 析出，產(chǎn)生晶間腐蝕。上面提到的是合金元素在不銹鋼中的 作用，當(dāng)各種合金元素同時(shí)存在時(shí)， 作用會(huì)更復(fù)雜化。,四、不銹鋼的分類,不銹鋼有多種分類方法，如，按化學(xué)成分、按功能特征、按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。 這種分類方法就是

6、把鋼加熱到某一高溫溫度后，快速冷卻到室溫時(shí)，能獲得的主要金相組織類型。,按這種分類方法，可把不銹鋼分為五 類（考慮了熱處理特性） 。,五、各類不銹鋼主要特性,鐵素體不銹鋼 * 主要合金元素是Cr，或加入少量穩(wěn)定鐵素體的元素，如Al、Mo等，組織為鐵素體 * 有不太高的強(qiáng)度，不能用熱處理方法調(diào)整性能，有一定塑性，脆性較大 * 在氧化類介質(zhì)，如硝酸中有良好的耐蝕性，在還原性介質(zhì)中耐蝕性較差。,奧氏體不銹鋼*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，還有的加入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

7、低的強(qiáng)度，高的塑、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* 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

8、差。,沉淀硬化不銹鋼*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。*可以通過熱處理手段來調(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，因而其耐蝕性優(yōu)于馬氏體不銹鋼，與Cr-Ni 奧氏體不銹鋼相當(dāng)。,鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼*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 的以奧氏體為主，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

9、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)。,第二部分 不銹鋼的熱處理,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 過熱處理方法實(shí)現(xiàn)。,（一）鐵素體不銹鋼的熱處理,一、熱處理的目的 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,為達(dá)這一目的，要解決以下幾個(gè)主要問題：1、相脆性 *鐵素體不銹鋼極易生成相，這是一種

10、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 *相形成與成分有關(guān)，除Cr外，Si、Mn、 Mo等都促進(jìn)相形成;還與加工過程有 關(guān)，尤其在540-815區(qū)間加熱、停留， 更促進(jìn)相形成。但相形成是可逆的， 重新加熱到高于相形成溫度會(huì)重新溶解 于固溶體中,2、475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 475脆性 *這是因?yàn)?，在這個(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)

11、，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。,二、鐵素體不銹鋼熱處理工藝,1、退火 為了消除相、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C0.01，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

12、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。,（二）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。,一、奧氏體不銹鋼的固溶化處理,1、固溶化處理作用 （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

13、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0.0，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，讓其來不及析出，保證鋼的耐蝕性，特別是耐晶間腐蝕性。,（2）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)相析出，使鋼增加脆性和降低耐蝕性，消除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。 這就是對(duì)奧氏體不銹鋼要進(jìn)行固溶化處理的原因。,2、固溶化熱處理工藝在GB1200標(biāo)準(zhǔn)中，推薦加熱溫度范圍較 寬：1000-1150，通常采用1

14、020- 1080?？紤]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”，這里就提出一個(gè)問題， “快” 的界限是什么？我們綜合不同文獻(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,二、穩(wěn)定化熱處理,穩(wěn)定化熱處理只限于含穩(wěn)定化元素Ti或Nb的奧氏

15、體不銹鋼，如1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni11Nb等,1、穩(wěn)定化熱處理作用,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。,2、穩(wěn)定化熱處理工藝,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的開始溶解溫度

16、（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)。,三、消除應(yīng)力處理,1、消除應(yīng)力目的 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)帶來不利影響，如：對(duì)尺寸穩(wěn)定性的影響;存在應(yīng)力的零

17、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，這可通過去應(yīng)力方法完成。,2、消除應(yīng)力熱處理工藝,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

18、采用超低碳奧氏體不銹鋼,四、奧氏體不銹鋼冷加工強(qiáng)化問題,奧氏體不銹鋼不能發(fā)生相變，不能用熱處理方法強(qiáng)化，但可以通過冷加工變形強(qiáng)化。 奧氏體不銹鋼的冷變形強(qiáng)化 ，除一般金屬材料由于冷加工產(chǎn)生晶體缺陷、點(diǎn)陣畸變、位錯(cuò)、亞結(jié)構(gòu)而硬化機(jī)理原因外，還有奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生的硬化效果。 前面曾提到，奧氏體不銹鋼的Ms點(diǎn)低于室溫，所以在一般情況下，是不變的單一奧氏體組織，但，在一定條件下，奧氏體的穩(wěn)定性可以改變。,首先，化學(xué)成分含量產(chǎn)生影響。構(gòu)成奧氏體不銹鋼的合金元素中，有的促進(jìn)奧氏體穩(wěn)定，有的促進(jìn)奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變，綜合考慮，推薦公式： * Ni-(Cr+1.5Mo-20)2/12-0.5Mn-35C

19、-Cu-27N+15 * 反映了奧氏體形成和穩(wěn)定的趨勢(shì)，值越大，說明奧氏體越穩(wěn)定。 其次，冷加工變形程度也有影響。冷加工變形度越大，硬化效果越明顯。 以上兩個(gè)因素影響結(jié)果是：由于化學(xué)成分影響的穩(wěn)定性差的奧氏體，在一定冷加工量作用下，使奧氏體向馬氏體發(fā)生了轉(zhuǎn)變，這個(gè)轉(zhuǎn)變點(diǎn)通常記為Md，一般Md高于Ms170-350。 奧氏體不銹鋼這種冷加工變形強(qiáng)化的表現(xiàn)是：硬度、強(qiáng)度升高，塑性下降。 如：成分為0.047C、0.42Mn、17.4Cr、8.38Ni的奧氏體鋼，不同變形量的硬化效果見下表：,不同變形量的硬度變化,另一個(gè)表現(xiàn)是具有磁性或磁性增加。 冷加工強(qiáng)化后產(chǎn)生的應(yīng)力，可在280-420加熱，保溫

20、后空冷或緩冷，可消除一部分應(yīng)力。,（三）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。,一、雙相不銹鋼的熱處理主要作用,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

21、 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，如相、相，其降低耐蝕性，增加脆性，應(yīng)予以消除。,二、熱處理工藝,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。,（四）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

22、出的特點(diǎn)就是可以通過熱處理方法，在很大范圍內(nèi)調(diào)整機(jī)械性能，以滿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。,一、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,二、馬氏體不銹鋼力學(xué)性能與熱處理,根據(jù)不同工作條件，對(duì)零部件的不同要求，選用不同成分的馬氏體不銹鋼，并采用不同方式熱處理。 例1 用于汽輪機(jī)葉片、葉輪等，要求有一定 強(qiáng)度，較高塑

23、性、韌性及一定的耐蝕、 耐熱性 * 可采用1Cr13 淬火+高溫回火，即950-1000，油冷;700-750回火，性能可達(dá)： b540N/mm2; s345N/mm2; 25;55;AKU78J;HB160-200,例2:要求有一定耐蝕性的彈簧，應(yīng)有較好 的強(qiáng)度和彈性 * 可采用3Cr13，淬火+中溫回火，即1020- 1040加熱，油冷;450回火，可獲得性 能如下： b1500N/mm2; s900N/mm2; 15;46;43-48HRC,例3 :制造刀具、軸承，要求有一定耐蝕 性，高的硬度和疲勞強(qiáng)度，組織穩(wěn) 定性好 * 可采用9 Cr18，經(jīng)淬火、冷處理、低溫 回火，即1080加熱，

24、油冷;-70冰冷 處理，再經(jīng)160低溫回火。結(jié)果硬度可 大于58HRC。,三、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。,四、馬氏體不銹鋼熱處理工藝方法及作用,1、退火 馬氏體不銹鋼退火的目的是： *改善鍛造或鑄造組織; *消除應(yīng)力 *降低硬度，便于加工; *提高塑性，便于成型; *為最終淬火做組織準(zhǔn)備 當(dāng)然，對(duì)一些性能要求不高的零件，也可以在退火狀態(tài)下使用。,根據(jù)要達(dá)到的目的、作用不同

25、，可采用不同退火方式: (1)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; (2)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;,(3)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），較長(zhǎng)時(shí) 間保溫（參照轉(zhuǎn)變曲線），再爐冷至 550以下出爐。 *硬度可達(dá)

26、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。,2、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。,淬火加熱溫度選擇: * 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低，也不能過高。 *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，

27、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。,3、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

28、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。 * 而400-600之間溫度的回火，一般情況 下不采用，因?yàn)?，在這個(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)有回火脆性傾向的鋼號(hào)，如1Cr17Ni2、2Cr13、0Cr13Ni4Mo等，最好采用回火后油冷。 另外，需要注意的問題是，淬火后需及時(shí)

29、回火，夏季不要超過24小時(shí)，冬季不要超過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。,（五）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，是在人類實(shí)踐中經(jīng)過試驗(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。 科學(xué)家們經(jīng)過試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了沉淀硬化不銹鋼，可以較好的解決上述不銹鋼的不足。,沉淀硬化不銹鋼的成分和采取的熱處理方式，使其具有了新特點(diǎn): * 其具有較低的C量（一般0.09），較 高的Cr量（一般14

30、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。,沉淀硬化鋼常分為以下幾類：,1、馬氏體型沉淀硬化不銹鋼及其熱處理,這型沉淀硬化不銹鋼特征是：奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度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

31、上析出Cu的細(xì)質(zhì)點(diǎn)而強(qiáng)化。 在GB1220標(biāo)準(zhǔn)中，典型牌號(hào)為：0Cr17Ni4Cu4Nb（PH17-4）,以其為例，介紹熱處理過程： * PH17-4成分如下：（） C0.07;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,（1）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。 （2）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

32、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,強(qiáng)度很低，為提高基體強(qiáng)度、硬度，需要再次加熱到750-950，保溫，這個(gè)階段，奧氏體中會(huì)析出碳化物，奧氏體穩(wěn)定性降低，Ms點(diǎn)提高至室溫以上，再冷卻時(shí)，得到馬氏體組織。有的還可以增加冷處理（零下處理），之后，再時(shí)效使鋼最終獲得馬氏體基體上有沉淀析出物的強(qiáng)化鋼。 在GB1220標(biāo)準(zhǔn)中，推薦的這種沉淀不銹鋼牌號(hào)是0Cr17Ni7Al（PH17-7） * 具體成分是（）：C0.09; Cu0.5 Ni:6.5-7.5;Cr:16-18;Al：0.

33、75-1.5;,半奧氏體型沉淀硬化不銹鋼的熱處理有三種方式： (1)固溶+調(diào)整+時(shí)效處理 * 固溶化加熱溫度1040，加熱保溫后水冷 或油冷得到奧氏體，硬度為150HB左右; * 調(diào)整處理溫度為760，保溫后空冷，使奧 氏體中合金碳化物析出，降低奧氏體穩(wěn)定 性，提高M(jìn)s點(diǎn)到50-90左右，冷卻后獲得 板條馬氏體，此時(shí)硬度可達(dá)290HB左右; * 再經(jīng)560時(shí)效，Al及化合物沉淀析出，鋼 材強(qiáng)化，硬度可達(dá)340HB左右。,(2)固溶+調(diào)整+冷處理+時(shí)效 *固溶處理加熱1040，水冷，獲得奧氏體組織; *調(diào)整處理溫度955，提高M(jìn)s點(diǎn)，冷卻后獲 得板條馬氏體; *冷處理-738h，減少組織中殘留奧

34、氏 體，獲取最大限度的馬氏體; *時(shí)效處理溫度為510-560，使Al析出，強(qiáng) 化處理后，硬度可達(dá)336HB,(3)固溶+冷變形+時(shí)效 *固溶處理溫度為1040，水冷，獲得奧氏體組織; *冷變形，利用冷加工變形強(qiáng)化原理，使奧氏體在Md點(diǎn)轉(zhuǎn)變成馬氏體，這個(gè)冷加工變形量要大于30-50; *時(shí)效處理：在490左右加熱時(shí)效，使Al析出沉淀硬化。 有報(bào)導(dǎo)，固溶奧氏體經(jīng)57冷軋變形，硬度達(dá)430HB，b達(dá)1372 N/mm2，再經(jīng)490時(shí)效 ，硬度達(dá)485HB，b達(dá)1850 N/mm2。,可見，沉淀硬化馬氏體不銹鋼經(jīng)過正確處理后，機(jī)械性能完全可以達(dá)到馬氏體不銹鋼性能，而耐蝕性卻與奧氏體不銹鋼相當(dāng)。 這里

35、需要指出的是，馬氏體不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼雖然都是可通過熱處理方法強(qiáng)化，但強(qiáng)化機(jī)理是不同的。 由于沉淀硬化不銹鋼的特點(diǎn)，使其得到重視和廣泛應(yīng)用。,第三部分不銹鋼的發(fā)展與創(chuàng)新,由于不銹鋼的特殊功能受到重視，包括我國(guó)在內(nèi)，許多國(guó)家都有相應(yīng)的不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)（棒、板、等），以及大型鍛件（JB/T 6398）、鑄件（JB/T6405）的標(biāo)準(zhǔn)，做為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布的不銹鋼材料，基本上都是通用型材料。 但是，通過近幾年來我們對(duì)產(chǎn)品的引進(jìn)及使用材料的分析，發(fā)現(xiàn)，為適應(yīng)某些特殊條件的需要，許多鋼鐵企業(yè)和泵制造廠，都在通用不銹鋼材料基礎(chǔ)上，通過對(duì)合金元素的調(diào)整，做為企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)，生產(chǎn)一些更優(yōu)良的具有特色的不銹鋼品種。,當(dāng)然，

36、做為企業(yè)技術(shù)秘密（國(guó)外企業(yè)、泵廠），我不能談?wù)撎啵胝匋c(diǎn)自己體會(huì)，提供給大家，能否從中受到啟發(fā)，對(duì)促進(jìn)我國(guó)不銹鋼的發(fā)展、創(chuàng)新及冶金、熱處理工藝進(jìn)步有所幫助： 1、奧氏體不銹鋼 做為歷史比較長(zhǎng)，發(fā)展比較快，應(yīng)用比較廣的不銹鋼，可以說接近完全了，但隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，核反應(yīng)堆中的特殊條件，除一般要求外，還有輻射，（絕對(duì)可靠性、安全性）有時(shí)，常規(guī)奧氏體不銹鋼也略顯能力不夠。,如： *應(yīng)用于原子反應(yīng)堆燃料包殼，要采用液態(tài)金屬做為冷卻劑，冷卻并傳熱到汽輪機(jī)，使用溫度高達(dá)600-650。為了提高其熱穩(wěn)定性、熱強(qiáng)性，增加Mo、W。 如1Cr14Ni18W2Nb等： C：0.07-0.12%; Cr：1

37、3-15%;Ni：18-20%;W：2-2.75%; Nb：0.9-1.3%。 *而在做為控制棒及屏蔽材料的奧氏體不銹鋼，為其更好吸收輻射中子，以保護(hù)包殼等零件，在奧氏體不銹鋼中加入B，含B奧氏體不銹鋼18-8B：C：0.07%;Cr：17-19%;Ni：9-10%;B：1-1.5%。,2、雙相不銹鋼 為了解決海底油氣田復(fù)雜介質(zhì)（含有氯化物、CO2、H2S等），苛刻的腐蝕條件及提高強(qiáng)度和耐磨性，先后出現(xiàn)了加W、Cu等合金強(qiáng)化的雙相不 銹鋼，如： Zeron100: C：0.03%;Cr：24-26%;Ni：6-8%;Mo:3-4%;Cu:0.5-1%;w:0.5-1%;N:0.25% 經(jīng)過固溶

38、化處理后， * b750N/mm2比一般提高25; * s550N/mm2比一般提高35 * 而耐蝕性能（各方面）均有提高，比如，在Cl- 5000mg/L,PH值為2的介質(zhì)中，其臨界縫隙溫度比一般雙相鋼高20-35。,3、沉淀硬化不銹鋼 FV520： C：0.07;Cr：14-18;Ni：4-7; Mo:1-3;Ti0.5;Cu:1-3 這種沉淀鋼成分特點(diǎn)是，以Ti、Cu強(qiáng)化代Al，其在經(jīng)過固溶、冷變形和450時(shí)效后，b可達(dá)1640N/mm2; s可達(dá)1600N/mm2 如此高強(qiáng)度材料勝過馬氏體不銹鋼。,以Cr13型不銹鋼為例 * Cr13型馬氏體不銹鋼應(yīng)用廣泛，對(duì)泵制造來說，應(yīng)用鑄造Cr1

39、3型材料，如ZG1Cr13、ZG2 Cr13等很多，這種材料盡管有許多優(yōu)點(diǎn)，但也有其不可克服的缺點(diǎn)，特別是復(fù)雜形狀零件鑄造時(shí)，極易產(chǎn)生裂紋，脆性大，而且，不易補(bǔ)焊，鑄造成品率較低。 *為解決這類問題，首先，在國(guó)內(nèi)外泵用材料中，出現(xiàn)了含Ni的Cr13型鑄造不銹鋼。,4、馬氏體不銹鋼,加入1-2的Ni： a、減少了ZG1Cr13的鐵素體含量，從而提 高了韌性和可焊性; b、Ni的加入穩(wěn)定了奧氏體，可以在較緩慢 冷卻條件下發(fā)生馬氏體相變，可空冷降 低了應(yīng)力，減少產(chǎn)生裂紋的可能性; c、Ni降低相變點(diǎn)AC1，淬火后在稍高于AC1 的溫度回火，冷卻后可獲得少量殘留奧 氏體，提高韌性。 所以，以加Ni的鑄

40、造Cr13型馬氏體不銹鋼得到廣泛應(yīng)用。,再比如：S一般做為有害元素存在于鋼中，一般控制在0.03，只是在少數(shù)易切削鋼中加入S，如： * Y1Cr18Ni9 S0.15 * Y1Cr17 S0.15 * Y1Cr13 S0.15 但是當(dāng)Cr13鑄鋼中加入0.23-0.32的S后，大大降低了摩擦系數(shù)，提高了抗咬合能力，做為泵的偶合件材料，不用氮化、高頻淬火，而且效果很好。,5、另外一個(gè)在Cr13型馬氏體不銹鋼基礎(chǔ)上研發(fā)的、 高強(qiáng)度、高韌性、高淬透性的耐蝕不銹鋼是 0Cr13Ni4Mo（有鍛、鑄）： 主要成分控制： C：0.06;Cr：12-14;Ni：3.5-4.5; Mo:0.4-0.7，可見，

41、是在0 Cr13基礎(chǔ)上加Ni、Mo，控制低C的鋼種。Ni、Mo的加入，首先降低了相變點(diǎn)以鍛件為例： * 1Cr13 ：AC1：820;AC3：950; Ms：340 *鍛件0Cr13Ni4Mo ： AC1：570-630; AC3：810; Ms：225 *鑄件ZG0Cr13Ni4Mo ：AC1：600; AC3：880; Ms：240 使AC1點(diǎn)下降近200，Ms下100多，正是這個(gè)鋼的相變點(diǎn)的特殊性，決定了其熱處理特殊性和性能的特殊性。,熱處理特點(diǎn)及性能以我們鑄件試驗(yàn)結(jié)果為例 1、退火 該鋼的合金元素決定了奧氏體的穩(wěn)定性，在很緩慢的冷卻條件下，也可發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，所以，在鑄后和鍛后都具有馬

42、氏體組織、很高的硬度，為了便于加工，必須進(jìn)行退火降低硬度。 因?yàn)锳C1和AC3都比較低，退火溫度如果像一般Cr13型鋼一樣采用870-900（完全退火）或740-780（不完全退火），加熱時(shí)，有大量奧氏體，冷卻后又變成馬氏體，不能降低硬度。 應(yīng)選在略高于AC1點(diǎn)即620-650，在此溫度加熱，使鍛或鑄后的馬氏體組織發(fā)生回火轉(zhuǎn)變，獲得具有馬氏體位向的索氏體，使硬度有所下降。 所以，嚴(yán)格的說，這個(gè)退火實(shí)際上是一種回火作用。,根據(jù)我們的試驗(yàn)研究，該材料在不同溫度下加熱、冷卻，硬度反映結(jié)果如下：可見，在620-650之間，硬度較低。,淬火（正火） 980-1020，空冷或油冷。為什么AC3低，淬火溫度

43、仍選980-1020，因?yàn)楹辖鹛蓟镫y溶于奧氏體中獲得板條馬氏體。 回火 根據(jù)要求，一般選580-640左右，空冷或油冷，具有板條馬氏體位向的索氏體+碳化物及殘留奧氏體，此時(shí)性能優(yōu)良，見下表：（我們做的試驗(yàn)結(jié)果）,有時(shí)，為了要求耐蝕性、高硬度，可調(diào)整回火溫 度，硬度調(diào)整為340HB以上。這種鋼淬透性好，150mm基本內(nèi)外一致。,第四部分 鋼廠材料熱處理,鋼廠毛坯產(chǎn)品主要有鋼錠.熱軋(鍛)材.冷軋材.而熱(冷)軋材又可分板材、帶材、棒材、型材等。,一、鋼錠熱處理 1、鋼錠的擴(kuò)散退火（1）目的和作用* 改善和減輕鋼錠的成分偏析和組織偏析。改善枝 晶組織。鋼水在鋼錠模內(nèi)冷卻時(shí)。結(jié)晶先從錠壁 開始。先

44、結(jié)晶部分質(zhì)量較純凈。而后結(jié)晶的枝間 部分匯集較多的低溶點(diǎn)的合金元素和雜質(zhì)。結(jié)果 使鋼錠內(nèi)部存在成分和組織偏析。這將嚴(yán)重危害 所制造的產(chǎn)品質(zhì)量。* 由于鋼錠各部分冷卻速度不同。鋼錠內(nèi)存在很大 應(yīng)力。對(duì)鋼錠危害很大。* 有的鋼錠表層硬度較高。不便加工。為解決這些問題。應(yīng)對(duì)鋼錠進(jìn)行擴(kuò)散退火。,（2）擴(kuò)散退火工藝：* 加熱溫度： 12001300。 * 保溫時(shí)間： 一般按1.82.4min/mm ，大裝爐量 時(shí)應(yīng)考慮透燒和充分保溫。* 冷卻： 2040/h。擴(kuò)散退火適用于高碳鋼。高合金鋼。馬氏體不銹鋼。,2、完全退火和不完全退火（1）目的和作用* 改善鋼的組織、細(xì)化晶粒。使自高溫冷卻下來得 到的粗大晶粒得以細(xì)化。* 消除應(yīng)力。* 降低硬度。其不能起到成分和組織均勻化的作用。,（2）退火工藝* 加熱溫度：完全退火：AC3以上30-50， 不完全退火：在AC1-ACcm之間，一般 為750-800. 對(duì)于馬氏體不銹鋼，按不完全退火，但溫度高于 一般鋼的加熱溫度，一般為870-900； 鐵素體不銹鋼為750-800。* 保溫時(shí)間：原則上1.1-1.3 min/mm ，大裝爐量應(yīng) 考慮透燒和充分保溫。* 冷卻： 爐冷或80100/h至600出爐適用于