不銹鋼及其熱處理
不銹鋼的分類及主要特性
無錫不銹鋼板廠家無錫漢能不銹鋼板2020年2月25日訊 不銹鋼有多種分類方法，如化學成分、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整性能，有一定塑性，脆性較大。在氧化類介質（如硝酸）中有良好的耐蝕性，在還原介質中耐蝕性較差。
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。加熱和冷卻時會發生相變，因此，可以在很大范圍內調整組織結構和形態，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整性能。有較高的耐蝕性，特別是在含Cl-介質中、海水中，有較好的耐點蝕和縫隙腐蝕、應力腐蝕的特點。
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節力學性能，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成的成分特點，是其具有不銹、耐蝕的基本條件。要想充分發揮合金元素的作用，獲得理想的力學和耐蝕性能，還必須通過熱處理方法實現。
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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定的單一鐵素體組織加熱、冷卻不發生相變，故不能用熱處理方法調整力學性能，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，除Cr外，Si、Mn、Mo等都促進σ相形成;還與加工過程有 關，尤其在540~815℃區間加熱、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℃區間長時間加熱，會表現出強度升高、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，鐵素體內的Cr原子將重新排列，形成富Cr小區域，與母相共格，引起點陣畸變，產生內應力，使鋼硬度升高、脆性增大。富Cr區形成的同時，必有貧Cr區出現，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、內應力會消除，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、晶界析出，引起脆性增加和晶間腐蝕的發生。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去應力處理
在焊接和冷加工后，零部件可能產生應力，如果具體情況不宜采用退火處理，可以在230~370℃范圍內加熱、保溫、空冷，可消除部分內應力，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等合金元素作用結果使Ms點降至室溫以下（-30到-70℃）。保證奧氏體組織穩定，所以，加熱、冷卻時，在室溫以上不發生相變。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，應力求減少它的存在。為此，依據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，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℃。考慮具體牌號成分，是鑄件還是鍛件等情況，在允許范圍內，適當調節加熱溫度。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，應水冷;
? 含C量<0.08％、尺寸<3mm，可風冷;
? 有效尺寸≤0.5mm的可空冷。
穩定化熱處理只限于含穩定化元素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，并創造條件，使C優先與Ti、Nb結合，減少C與Cr結合的機會，使Cr穩定的保留在奧氏體中，因此保證了鋼的耐蝕性。穩定化熱處理，起到的就是使Ti、Nb與C結合，使Cr穩定于奧氏體中的作用。
工藝：
加熱溫度：這個溫度應高于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的溶解溫度區間為750-1120℃），穩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結合，而Cr則繼續保留在奧氏體中。
冷卻方式：一般采用空冷，也可采用水冷或爐冷，這應根據零件具體情況確定。冷卻速度對穩定化效果無大影響。從我們試驗研究結果看，從穩定化溫度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，不可避免的存在應力，如冷加工時的加工應力、焊接應力等。這些應力的存在會帶來不利影響，如：對尺寸穩定性的影響;存在應力的零部件在含Cl-介質、在H2S、NaOH等介質使用時，會發生應力腐蝕開裂，這是一種發生在局部、未有前兆的突發性破壞，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力，這可通過去應力方法完成。
工藝：
在條件允許的情況下，采用固溶化處理、穩定化處理都可以較好的消除應力（固溶水冷還會產生一定應力），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、形狀特別復雜的易變形零件等，這時可采用450℃以下溫度加熱的去應力方法，也可消除部分應力。如果工件是在強應力腐蝕環境中使用，必須徹底消除應力，則在選用材料時，就應予以考慮，如采用含穩定元素的鋼，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，在很大范圍內調整機械性能，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
依據化學成分不同
? 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℃（可參照轉變曲線），較長時間保溫（參照轉變曲線），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，再以適當的冷卻速度冷卻，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。根據我們經驗，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、力學性能特別是沖擊韌性高的零件，應采用油冷。
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、內應力大，必須經回火處理。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，在這個溫度區間回火，從馬氏體中析出彌散度很高的碳化物，產生回火脆性，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，也應采取措施防止靜置裂紋的產生。
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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、海水中比任何不銹鋼都高的抗點蝕、抗縫隙腐蝕和抗應力腐蝕破壞的能力。
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，影響力學和耐蝕性能，應消除。
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展較晚，是在人類實踐中經過試驗、總結、創新的不銹鋼種。先期出現的不銹鋼中，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，在較大范圍內調整機械性能，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，并可根據時效溫度的調整，在一定范圍內調整強度、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，再經時效強化，降低了加工成本，優于馬氏體鋼。
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標準中規定，不同時效溫度時效后性能
σb(N/mm2) | σs(N/mm2) | δ(％) | Ψ(%) | HB | |
1040℃固溶 | ≤363 | ||||
480℃×4h | ≥1310 | ≥1180 | ≥10 | ≥40 | ≥375 |
550℃×4h | ≥1060 | ≥1000 | ≥12 | ≥45 | ≥331 |
580℃×4h | ≥1000 | ≥865 | ≥13 | ≥45 | ≥302 |
620℃×4h | ≥930 | ≥725 | ≥16 | ≥50 | ≥277 |
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,