不銹鋼的分類及主要特性

不銹鋼有多種分類方法,，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。加熱冷卻時不發(fā)生相變,，不能用熱處理方法強化,，具有較低的強度，高塑性和高韌性,。對氧化性介質(zhì)有強的抗蝕能力,，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％,，對于制作工具時,， C可達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，有的可能會含有少量鐵素體,、殘余奧氏體或合金碳化物,。加熱和冷卻時會發(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,，有的以奧氏體為主,，構(gòu)成兩相同時存在的雙相不銹鋼。因其含有鐵素體及強化元素,，熱處理后,，強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,，有較好的耐點蝕和縫隙腐蝕,、應(yīng)力腐蝕的特點。

成分特點是除含有C,、Cr,、Ni等元素外,，還含有Cu、Al,、Ti等可以時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,，但其強化機理不同于馬氏體不銹鋼。由于其依靠析出沉淀相強化,，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。

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,，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現(xiàn)。

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 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σ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)間長時間加熱，會表現(xiàn)出強度升高,、韌性下降即脆性增加的特征,，尤其在475℃時最明顯，稱475℃脆性,。這是因為,，在這個溫度下，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，必有貧Cr區(qū)出現(xiàn),，這對耐蝕性有不利影響,。當將鋼重新加熱高于700℃溫度時，畸變,、內(nèi)應(yīng)力會消除,，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,，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,。

·  對于超純鐵素體不銹鋼（含C≤0.01％,，嚴格控制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,。

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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,，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，其除能起到一點強化作用之外,，對耐蝕性是不利的,，特別是C與Cr形成碳化物時，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,，即在高溫時溶解度大,，低溫時溶解度小。有資料報導(dǎo),，C在奧氏體中的溶解度在1200℃時為0.34％,；1000℃時為0.18％，而600℃時為0.02％，室溫時則更少,。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,。

②σ相

奧氏體鋼如果在500-900℃區(qū)間長時間加熱,，或鋼中加入Ti、Nb,、Mo等元素時,，都會促進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標準中,，推薦加熱溫度范圍較寬：1000~1150℃，通常采用1020-1080℃,?？紤]具體牌號成分，是鑄件還是鍛件等情況,，在允許范圍內(nèi),，適當調(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,。在我國及其它一些國家標準中，標明固溶化后“快冷” ,，綜合不同文獻資料和實踐經(jīng)驗,，“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是強碳化物形成元素,，只要有機會,，就與C結(jié)合并析出 ，所以鋼中填加比Cr與C親合力更強的元素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)合的機會，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（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。冷卻速度對穩(wěn)定化效果無大影響,。從我們試驗研究結(jié)果看,，從穩(wěn)定化溫度900℃冷卻到200℃時，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,。

目的：

用奧氏體不銹鋼制造的零件,，不可避免的存在應(yīng)力，如冷加工時的加工應(yīng)力,、焊接應(yīng)力等,。這些應(yīng)力的存在會帶來不利影響，如：對尺寸穩(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，會發(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,。

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（固溶水冷還會產(chǎn)生一定應(yīng)力）,，但,，有時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,，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。

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馬氏體不銹鋼的熱處理

馬氏體不銹鋼相對于鐵素體不銹鋼,、奧氏體不銹鋼,、雙相不銹鋼最突出的特點就是可以通過熱處理方法，在很大范圍內(nèi)調(diào)整機械性能,，以滿足不同使用條件需要,。不同的熱處理方式對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械性能,，對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150~180HB,；

· 等溫退火,，其可以代替完全退火，達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），較長時間保溫（參照轉(zhuǎn)變曲線）,，再爐冷至550℃以下出爐,。硬度可達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化,。將鋼加熱至臨界點溫度以上，保溫,，使碳化物充分溶解到奧氏體中,，再以適當?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,，一般選在980~1020℃范圍加熱即可,。當然，對于特殊鋼號,、特殊成分控制或有特殊要求時,，應(yīng)適當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,。具有一定的強度,、硬度、塑性,、韌性等良好的綜合機械性能,，可依據(jù)對強度、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，因為,，在這個溫度區(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,，可在這個溫度回火，HRC可達40~45,，具有較好的彈性,。

回火后的冷卻方式，一般可采用空冷,，但對有回火脆性傾向的鋼號,，如1Cr17Ni2,、2Cr13、0Cr13Ni4Mo等,，最好采用回火后油冷,。另外，需要注意的問題是,，淬火后需及時回火,，夏季不要超過24小時，冬季不要超過8小時,，如不能及時按工藝溫度回火,，也應(yīng)采取措施防止靜置裂紋的產(chǎn)生。

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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同和重視。雙相不銹鋼的成分特點（高Cr,、低Ni,、加Mo、N）和組織特點,，使其具有比奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼高的強度,、塑性;相當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,，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效,，會有奧氏體析出，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)通過熱處理予以消除,。

②消除Cr23C6型碳化物

雙相鋼在950℃以下會析出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,，會促進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,。

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沉淀硬化不銹鋼熱處理

沉淀硬化不銹鋼相對發(fā)展較晚,，是在人類實踐中經(jīng)過試驗、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)整機械性能，限制了它的作用,。而馬氏體不銹鋼可以運用熱處理方法,，在較大范圍內(nèi)調(diào)整機械性能，但耐蝕性較差,。

特點：

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,。通過固溶和時效處理,，可以獲得在馬氏體基體上析出沉淀硬化相的組織，因而有較高的強度,，并可根據(jù)時效溫度的調(diào)整,，在一定范圍內(nèi)調(diào)整強度、塑、韌性,。另外,，先固溶，再依沉淀相析出強化的熱處理方式,，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)時效強化,，降低了加工成本,，優(yōu)于馬氏體鋼。

分類：

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，時效后從板條馬氏體基體上析出Cu的細質(zhì)點而強化,。

例：在GB1220標準中,，典型牌號為：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點約120℃,；Mz點約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,。加熱溫度不宜過高,，如果大于1100℃，會使組織中鐵素體量增多,、Ms點下降,、殘留奧氏體增多、硬度下降,，熱處理效果不好,。

時效處理：

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

GB1220標準中規(guī)定,，不同時效溫度時效后性能

②半奧氏體型不銹鋼熱處理

這種鋼的Ms點一般略低于室溫,，所以固溶化處理冷卻到室溫后,，得到奧氏體組織,強度很低，為提高基體強度,、硬度,，需要再次加熱到750-950℃，保溫,，這個階段,，奧氏體中會析出碳化物，奧氏體穩(wěn)定性降低,，Ms點提高至室溫以上,，再冷卻時，得到馬氏體組織,。有的還可以增加冷處理（零下處理）,，之后，再時效使鋼最終獲得馬氏體基體上有沉淀析出物的強化鋼,。

例：在GB1220標準中，推薦的這種沉淀不銹鋼牌號是0Cr17Ni7Al（PH17-7）

成分（%）：C≤0.09,、Cu≤0.5,、Ni:6.5~7.5、Cr:16~18,、Al：0.75~1.5;

固溶+調(diào)整+時效處理

· 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Ms點到50-90℃左右,，冷卻后獲得板條馬氏體，此時硬度可達290HB左右;

· 再經(jīng)560℃時效,，Al及化合物沉淀析出,，鋼材強化，硬度可達340HB左右,。

固溶+調(diào)整+冷處理+時效

· 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Ms點,，冷卻后獲得板條馬氏體;

· 冷處理-73℃×8h，減少組織中殘留奧氏體,，獲取最大限度的馬氏體;

· 時效處理溫度為510-560℃,，使Al析出,，強化處理后，硬度可達336HB

固溶+冷變形+時效

· 固溶處理溫度為1040℃,，水冷,，獲得奧氏體組織;

· 冷變形，利用冷加工變形強化原理,，使奧氏體在Md點轉(zhuǎn)變成馬氏體,，這個冷加工變形量要大于30-50％;

· 時效處理：在490℃左右加熱時效，使Al析出沉淀硬化,。

· 有報導(dǎo)顯示,，固溶奧氏體經(jīng)57％冷軋變形，硬度達430HB,，σb達1372 N/mm2,，再經(jīng)490℃時效，硬度達485HB,，σb達1850 N/mm2,。

可見，沉淀硬化馬氏體不銹鋼經(jīng)過正確處理后,，機械性能完全可以達到馬氏體不銹鋼性能,，而耐蝕性卻與奧氏體不銹鋼相當。這里需要指出的是,，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化,，但強化機理是不同的。由于沉淀硬化不銹鋼的特點,，使其得到重視和廣泛應(yīng)用,。

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