不銹鋼從20世紀(jì)初發(fā)明至今不足百年的時(shí)間,但其發(fā)展和應(yīng)用的勢(shì)頭卻異常迅猛。特別是從20世紀(jì)60年代末以來(lái),全世界不銹鋼的產(chǎn)量基本保持年均4%的增長(zhǎng)率,不銹鋼的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大到了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。不銹鋼之所以能得到如此迅猛的發(fā)展,一個(gè)重要的因素是其具有耐蝕、耐熱性。 不銹鋼熱處理工藝的優(yōu)劣對(duì)不銹鋼的耐蝕、耐熱性有很大影響,而且對(duì)不銹鋼的加工性能起著決定性的作用。因此,不銹鋼的熱處 理工藝在不銹鋼的生產(chǎn)過(guò)程中一直處于十分重要的地位。
1.不銹鋼熱處理的特點(diǎn)
不銹鋼的熱處理是為了改變其物理性能、力學(xué)性能、殘余應(yīng)力及恢復(fù)由于預(yù)先加工和加熱受到嚴(yán)重影響的抗腐蝕能力,以便得到不銹鋼的最佳使用性能或者使不銹鋼能夠進(jìn)行進(jìn)一步的冷、熱加工。所謂的熱處理就是針對(duì)不同組織、不同類型的不銹鋼進(jìn)行相應(yīng)的退火、淬火與回火、正火等處理。
不銹鋼是一種特殊的鋼種,鋼中的鎳、鉻含量很高,由于鎳、鉻等合金化元素的存在,其熱處理具有普通鋼熱處理所不具備的特點(diǎn):
加熱溫度較高,加熱時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)。
- 不銹鋼的導(dǎo)熱率低,在低溫時(shí)溫度均勻性差。
- 奧氏體型不銹鋼高溫膨脹較嚴(yán)重。
- 爐內(nèi)氣氛控制很重要,要防止出現(xiàn)滲碳、滲氮及脫碳和過(guò)氧化現(xiàn)象。
- 不銹鋼的表面光澤對(duì)產(chǎn)品的使用及價(jià)格有決定性的影響,熱處理時(shí)產(chǎn)生的氧化 鐵皮,將嚴(yán)重影響表面光澤。
- 要確保避免不銹鋼表面的劃傷及防止熱處理時(shí)產(chǎn)生變形。不銹鋼按其組織可以分為奧氏體、馬氏體和鐵素體三類(此外還有沉淀硬化型、鐵素體奧氏體型等),這三類不銹鋼的熱處理無(wú)論是處理方法還是目的都不盡相同。
?、賷W氏體型不銹鋼
這類不銹鋼應(yīng)用最廣泛,使用量也最大。其特點(diǎn)是在常溫下為奧氏體組織,不發(fā)生相變,不能通過(guò)熱處理使其硬化,但可以用冷加工進(jìn)行硬化。常用熱處理方法是固溶處理。
②鐵素體型不銹鋼
這類不銹鋼一般沒(méi)有 ν-α 轉(zhuǎn)變,在高溫和常溫下都是鐵素體組織,沒(méi)有相變。但是當(dāng)鋼中含有一定量的碳、氮等奧氏體形成元素時(shí),在高溫下也能形成奧氏體組織,此類鋼不能通過(guò)熱處理使之強(qiáng)化,只能進(jìn)行退火處理,消除內(nèi)應(yīng)力,便于進(jìn)一步加工。
?、垴R氏體型不銹鋼
這類不銹鋼有明顯的相變點(diǎn),在高溫下為奧氏體組織,冷卻時(shí)可以發(fā)生馬氏體相變,轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織而硬化。因?yàn)槠浜t高,淬透性好,可以采用淬火、回火等多種熱處理方法。
本文就應(yīng)用較為廣泛的三類不銹鋼分別論述其熱處理方法及特點(diǎn)。
2.奧氏體不銹鋼
奧氏體不銹鋼的代表鋼種是18-8 鋼(304),因?yàn)槭菉W氏體組織,所以具有無(wú)磁性 且沒(méi)有淬硬性等特點(diǎn)。由于該鋼種不發(fā)生相變,其熱處理就是加熱到高溫(一般在1000℃以上),奧氏體再結(jié)晶的同時(shí),使在加工中產(chǎn)生的碳化物和相分解物固溶到奧氏體中,然后快速冷卻,使碳呈固溶狀態(tài)的奧氏體保持到常溫,這―處理過(guò)程即為固溶處理。
奧氏體不銹鋼加熱溫度主要是依據(jù)碳化物的固熔速度而確定的,有資料指出像 304鋼的碳化物在 1065℃時(shí)固溶需要3分鐘,在 1176℃需要 1.5分鐘,在1000℃則需要長(zhǎng)達(dá)10分鐘。從這個(gè)角度而言,加熱溫度越高越好,但加熱溫度偏高同時(shí)又可能引起晶粒過(guò)分長(zhǎng)大、氧化鐵皮增厚等缺陷。因?yàn)閵W氏體型不銹鋼無(wú)法通過(guò)相變來(lái)細(xì)化晶粒,如果晶粒過(guò)大,會(huì)使材料的抗拉強(qiáng)度明顯下降。
就加熱時(shí)間而言,不銹鋼的導(dǎo)熱率低(特別是在低溫時(shí)),升到高溫后(700―800℃) 導(dǎo)熱率才有提高。所以,對(duì)于斷面大的奧氏體不銹鋼都需要預(yù)熱700~800℃,然后再快速升溫,對(duì)于斷面小的奧氏體不銹鋼(如帶鋼)如果升溫速度過(guò)慢,碳化物會(huì)充分析出,就會(huì)導(dǎo)致固溶時(shí)間過(guò)長(zhǎng),美國(guó)阿姆科公司曾制定過(guò)一個(gè)經(jīng)典的加熱時(shí)間表。 由于不銹鋼中的鉻形成的鉻基氧化物在酸洗中較難去除,因此在熱處理時(shí)要控制鉻基氧化物的形成,對(duì)于有特殊要求的不銹鋼,可采用光亮退火形式進(jìn)行熱處理。
為防止已固溶的碳化物析出,冷卻速度也很重要,特別是在 600~700℃時(shí),碳化物析出較多而發(fā)生敏化,所以必須進(jìn)行快速冷卻。由于奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱率低,對(duì)于斷面較大的材料,無(wú)論怎樣快冷,中心部位的冷卻程度仍然很慢,往往因碳化物析出較多而發(fā)生敏化。所以在實(shí)際生產(chǎn)中,斷面較大的材料一般考慮采用加入Ti、Nb等元素的穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼,因?yàn)門i、Nb 等元素對(duì)碳親和力較大,這類穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼(如 321、347 等)可以不需要水淬或其它快速冷卻措施進(jìn)行快冷。
3.鐵素體不銹鋼
鐵素體不銹鋼是以鉻為主要合金元素,其含量為 12%~30%Cr。此類鋼為單相組織,沒(méi)有相變,具有強(qiáng)磁性。其典型的代表鋼種是430。美國(guó)在 6 0 年代以降低不銹鋼成本為目標(biāo)開發(fā)的廉價(jià)不銹鋼種 409,廣泛地應(yīng)用于汽車、摩托車的消音器和下水管道等,也是屬于鐵素體不銹鋼這一類。
該鋼種無(wú)淬透性,同奧氏體鋼一樣不能通過(guò)熱處理使其硬化,而且由于加熱引起的晶粒長(zhǎng)大比奧氏體鋼既快且晶粒度又大。因此在熱處理時(shí)為避免晶粒長(zhǎng)大以及發(fā)生奧氏體相變,加熱溫度不宜過(guò)高,―般退火最高加熱溫度不超過(guò)850℃。
鐵素體不銹鋼在退火處理時(shí),一定要縮短在 370~550℃溫度范圍內(nèi)的停留時(shí)間,特別是對(duì)于高鉻的鐵素體不銹鋼。材料如果在此溫度范圍內(nèi)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng),很容易發(fā)生475℃脆性現(xiàn)象,即硬度增高,延伸率大幅下降,甚至為零,同時(shí)材料的耐蝕性也降低。有實(shí)驗(yàn)表明:27Cr鋼在475℃加熱100小時(shí)后,材料在常溫時(shí)的抗拉強(qiáng)度增加 50%,屈服強(qiáng)度增加 l50%,而延伸率為零。此外該鋼種的焊接性能差(焊縫熱影響區(qū)晶粒粗大且脆)。
4.馬氏體不銹鋼
馬氏體不銹鋼同前兩種不銹鋼的特性明顯不同,顧名思義,就是從高溫奧氏體狀態(tài)快冷(淬火)轉(zhuǎn)變成馬氏體組織而成的。這類不銹鋼有明顯的相變點(diǎn),可以通過(guò)淬火而硬化。而且因其含鉻高,淬透性好,回火時(shí)可以在較大范圍內(nèi)調(diào)整其強(qiáng)度和韌性,因此,馬氏體不銹鋼既可以作結(jié)構(gòu)鋼用,也可以作工具鋼用。
馬氏體不銹鋼作為工具鋼用時(shí),處于淬火狀態(tài)。為進(jìn)行淬火,必須加熱升溫到臨界點(diǎn)以上,以便碳化物固溶到奧氏體中。在升溫使碳化物固溶時(shí),因碳擴(kuò)散速度較慢,為得到均勻的奧氏體組織,加熱溫度一般要比臨界點(diǎn)溫度高50℃以上,而且還必須有一定的保溫時(shí)間,以便使碳化物充分、均勻溶解。當(dāng)然,加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、加熱溫度過(guò)高會(huì)造成馬氏體組織不均勻,殘余奧氏體組織增多,從而使材料內(nèi)部因膨脹差而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。
馬氏體鋼是熱裂紋敏感性鋼種,該鋼種在低溫時(shí)導(dǎo)熱率低,快速加熱時(shí)極易產(chǎn)生裂紋,因此在處理大斷面材料時(shí),應(yīng)該先預(yù)熱,然后再快速升溫。
在作結(jié)構(gòu)鋼用時(shí),應(yīng)在淬火的基礎(chǔ)上進(jìn)行回火(調(diào)質(zhì)狀態(tài))。馬氏體不銹鋼有回火脆性,回火溫度一般不應(yīng)低于 580℃。從回火溫度冷卻時(shí),為避免回火脆性一般采用油冷;有時(shí)為了得到較高的屈服極限,也可以采用空冷,但這時(shí)結(jié)構(gòu)鋼的一個(gè)重要力學(xué)指標(biāo)沖擊值會(huì)下降。需注意的是馬氏體不銹鋼在淬火后,應(yīng)盡快回火,如不能盡快回火,材料易產(chǎn)生裂紋。
5.沉淀硬化型不銹鋼
奧氏體、鐵素體、馬氏體三類不銹鋼雖然應(yīng)用面較廣,但作為結(jié)構(gòu)鋼使用,還存在著一些難以克服的缺陷。奧氏體型不銹鋼屈服強(qiáng)度較低,只有 200N/mm2 左右,不宜作為結(jié)構(gòu)鋼使用;而馬氏體不銹鋼雖然可以通過(guò)淬火、回火等熱處理形式獲得較高的屈服強(qiáng)度,但其耐蝕性較差。對(duì)于那些要求最佳抗蝕性能與最大強(qiáng)度的用途,開發(fā)出了新型的 Cr-Ni 不銹鋼—沉淀硬化型不銹鋼(也稱 PH 不銹鋼)。
這種新型不銹鋼的熱處理包括均勻化、完全退火、固溶熱處理、時(shí)效處理和轉(zhuǎn)變冷卻。其特點(diǎn)是:
- 完全退火狀態(tài)較軟,易于再加工。
- 通過(guò)適當(dāng)?shù)臅r(shí)效處理可獲得要求的力學(xué)性能。
- 具有與同類不銹鋼一樣的耐蝕性,提高了抗應(yīng)力腐蝕斷裂的性能。
- 轉(zhuǎn)變冷卻適用于低于某溫度的冷卻。常用的沉淀硬化型不銹鋼是馬氏體型,其 代表鋼種是 631(0Crl7Ni7A1)。該鋼種的熱處理是先進(jìn)行固溶處理,在材料 加熱到 1000~1100℃后快冷,然后根據(jù)不同的力學(xué)性能要求,在不同溫度下 進(jìn)行時(shí)效處理,如 621℃、565℃、510℃時(shí)效。
結(jié)束語(yǔ)
從以上分析可以看出,不銹鋼的熱處理是比較復(fù)雜的,要根據(jù)不同鋼種的特點(diǎn),采取不同的熱處理方式,才能夠滿足用戶不同的要求。
來(lái)源:軋鋼之家