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1、不锈钢及其热处理,第一部分 不锈钢相关知识,一、不锈钢定义及介定范围 在我国GB/T13304钢的分类标准中，按用途及使用特性分类方法规定，将不锈钢、耐蚀钢、耐热钢归为一类，称为“不锈、耐蚀和耐热钢” 。但,严格说来，它们之间是有区别的。,按定义：不锈钢是指在空气中或接近中性 介质中，不产生锈蚀的钢。耐蚀钢是指在一些含有化学腐蚀 介质，如酸、碱、盐及其溶液 中、 海水中及一些腐蚀气体中均 能够不产生或很少产生腐蚀的 钢。耐热钢是指在较高温度环境中能 够抗氧化、抗蠕变的钢。,当然，一般耐蚀钢和耐热钢都具有不锈的特性，而在日常习惯上，又把不锈钢和耐蚀钢简称不锈钢。,为便于说明问题，在今天的课程内容
2、中，将不锈钢定义为“含适当的碳、含铬（Cr）大于12，或还含有其它合金元素，能在含有腐蚀介质的液体或气体中具有抵抗腐蚀能力的铁基合金。” 这就从成分上和特性上两个方面明确了不锈钢的概念。,二、不锈钢的开发与发展,关于不锈钢的发现和报导，最早出现在英国，之后，美国、德国、法国相继取得研究成果。最先出现的是铁素体不锈钢，随后发展了马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢。 随着社会发展和人类的需求，这些钢也满足不了要求了，如奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢耐蚀性好，但力学性能差;马氏体不锈钢可调整力学性能，但耐蚀性受到限制。所以，开发了沉淀硬化不锈钢。, 再如，为了解决在某些介质中构 件产生的局部腐蚀和应力腐蚀破 坏
3、，研发出了能在含cl-介质及海 水中有特殊耐蚀效果的“双相不锈 钢”。 目前，不锈钢已具有铁素体、马 氏体、奥氏体、沉淀硬化不锈钢 和铁素体-奥氏体双相不锈钢等五 大系列的不锈钢大家族。,三、不锈钢耐蚀机理及主要合 金元素的作用,不锈钢耐蚀原因有许多解释： 从化学理论方面：不锈钢与介质作用时，表面生成以Cr2O3为主的薄膜，也叫钝化膜，其阻止腐蚀介质穿透，保护了金属基体。 从电子理论方面：金属的钝化状态与未填满的电子层有关，Cr有力求吸收电子特性，使Fe原子失去电子而被钝化。 电极电位理论方面：当Fe-Cr合金固溶体中Cr量比达1/8（即12.5）时，电极电压由-0.56V跃增到+0.2V，使
4、金属在电溶液介质中更稳定。,从上可见，对不锈钢耐蚀性的任何一种解释，都与合金元素Cr的作用有关，其起主要作用。,此外，由于材料所处环境的多样性， 有时，还要填加其它合金元素：*Mo：形成MoO，促进基体钝化；*Cu：使钝化膜含有CuO，提高耐蚀性；*N： 钝化膜中富集Cr2N，使钝化膜中 Cr浓度提高；*Ni：与Cr共同作用，改变组织结构， 从而改善耐蚀性和力学性能；*Ti或Nb：稳定钢中的C，进而稳定了 钢中的Cr，保证耐蚀性；*Mn：代替Ni的作用，降低钢的成本；,*Al、Nb、Cu等：借助于它们可以从基体 中弥散析出，达到强化 作用。Al还对铁素体不 锈钢有钝化作用；*S、Se：提高不锈
5、钢的易切削性；*W：在双相不锈钢中，可抑制金属的再 溶解，起缓蚀的作用；*Co：提高不锈钢硬度；*V：提高不锈钢热强性；,*C：它的作用有两重性：一方面，加入C并调整其含量可改变不 锈钢的组织，从而改变和调节力学性 能另一方面，因其与Cr有较强的亲合 力，会降低固溶体中Cr量，降低耐 蚀性，还会形成Cr-C化合物沿晶界 析出，产生晶间腐蚀。上面提到的是合金元素在不锈钢中的 作用，当各种合金元素同时存在时， 作用会更复杂化。,四、不锈钢的分类,不锈钢有多种分类方法，如，按化学成分、按功能特征、按金相组织和热处理特性等。 从热处理方面考虑，按金相组织和热处理特性分更具有实际意义。 这种分类方法就是
6、把钢加热到某一高温温度后，快速冷却到室温时，能获得的主要金相组织类型。,按这种分类方法，可把不锈钢分为五 类（考虑了热处理特性） 。,五、各类不锈钢主要特性,铁素体不锈钢 * 主要合金元素是Cr，或加入少量稳定铁素体的元素，如Al、Mo等，组织为铁素体 * 有不太高的强度，不能用热处理方法调整性能，有一定塑性，脆性较大 * 在氧化类介质，如硝酸中有良好的耐蚀性，在还原性介质中耐蚀性较差。,奥氏体不锈钢*含有较高的Cr，一般大于18，并含有8 左右的Ni，有的以Mn代Ni，为进一步提高 耐蚀性，还有的加入Mo、Cu、Si、Ti、Nb 等元素。*加热冷却时不发生相变，不能用热处理方法 强化，具有较
7、低的强度，高的塑、韧性。*对氧化性介质有强的抗蚀能力，加入Ti、Nb 后具有较好的抗晶间腐蚀的能力,马氏体不锈钢* 马氏体不锈钢主要含12-18的Cr，并依照需要 调整C量，一般在0.1-0.4，对于制作工具时， C可达0.8-1.0，有的为提高抗回火稳定性， 加入Mo、V、Nb等。 * 高温加热并以一定速度冷却后，组织基本是马氏 体，依据C及合金元素的差异，有的可能会含有 少量铁素体、残余奥氏体或合金碳化物。* 加热和冷却时会发生相变，因此，可以在很大范 围内调整组织结构和形态，从而改变性能。* 耐蚀性不如奥氏体、铁素体及双相不锈钢，在有 机酸中有较好的耐蚀性，在硫酸、盐酸等介质中 耐蚀性较
8、差。,沉淀硬化不锈钢*成分特点是除含有C、Cr、Ni等元素外，还含有 Cu、Al、Ti等可以时效沉淀析出物的元素。*可以通过热处理手段来调节力学性能，但其强化 机理不同于马氏体不锈钢。*由于其依靠析出沉淀相强化，所以C可以控制很 低，因而其耐蚀性优于马氏体不锈钢，与Cr-Ni 奥氏体不锈钢相当。,铁素体-奥氏体双相不锈钢*一般含Cr为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， 依据合金元素比例不同，有的以铁素体为主，有 的以奥氏体为主，构成两相同时存在的双相不锈 钢。*因其含有铁素体及强化元素，热处理后，强度比 奥氏体不锈钢略高，塑、韧性好，基
9、本上不能用 热处理手段调整性能。*有较高的耐蚀性，特别是在含cl-介质中、海水 中，有较好的耐点蚀和缝隙腐蚀、应力腐蚀的 特点。,第二部分 不锈钢的热处理,不锈钢以Cr为主的大量合金元素构成的 成分特点，是其具有不锈、耐蚀的基本 条件。要想充分发挥合金元素的作用， 获得理想的力学和耐蚀性能，还必须通 过热处理方法实现。,（一）铁素体不锈钢的热处理,一、热处理的目的 铁素体不锈钢一般情况下是稳定的 单一铁素体组织 加热、冷却不发生相变，故不能用热 处理方法调整力学性能，其主要目的 是减小脆性和提高抗晶间腐蚀能力,为达这一目的，要解决以下几个主要问题：1、相脆性 *铁素体不锈钢极易生成相，这是一种
10、富 Cr的金属化合物，硬而脆，特别容易在晶 间形成，使钢变脆，并增加晶间腐蚀敏感 性 *相形成与成分有关，除Cr外，Si、Mn、 Mo等都促进相形成;还与加工过程有 关，尤其在540-815区间加热、停留， 更促进相形成。但相形成是可逆的， 重新加热到高于相形成温度会重新溶解 于固溶体中,2、475脆性 *铁素体不锈钢在400-500区间长时间加 热，会表现出强度升高、韧性下降即脆性 增加的特征，尤其在475时最明显，称 475脆性 *这是因为，在这个温度下，铁素体内的Cr 原子将重新排列，形成富Cr小区域，与母 相共格，引起点阵畸变，产生内应力，使 钢硬度升高、脆性增大。富Cr区形成的同 时
11、，必有贫Cr区出现，这对耐蚀性有不利 影响。 *当将钢重新加热高于700温度时，畸变、 内应力会消除，475脆性消失,3、高温脆性 *加热到925以上，并以快速冷却下来时， Cr、C、N等形成化合物在晶内、晶界析 出，引起脆性增加和晶间腐蚀的发生。 *这种化合物可在750-850温度加热后快 冷予以消除。,二、铁素体不锈钢热处理工艺,1、退火 为了消除相、475脆性及高温脆性，可采用退火处理，在780-830加热、保温、然后空冷或炉冷。 对于超纯铁素体不锈钢（含C0.01，严格控制Si、Mn、S、P），退火加热温度可提高一些。,2、去应力处理在焊接和冷加工后，零部件可能产生应力， 如果具体情况
12、不宜采用退火处理，可以在 230-370范围内加热、保温、空冷，可消 除部分内应力，改善塑性。,（二）奥氏体不锈钢热处理,奥氏体不锈钢中Cr、Ni等合金元素作用结果使Ms点降至室温以下（-30到-70）。保证奥氏体组织稳定，所以，加热、冷却时，在室温以上不发生相变。因此，奥氏体不锈钢热处理主要目的不是改变机械性能，而是提高耐蚀性。,一、奥氏体不锈钢的固溶化处理,1、固溶化处理作用 （1）钢中合金碳化物的析出与溶解 钢中C是所含合金元素之一，其除能起到一点强化作用之外，对耐蚀性是不利的，特别是C与Cr形成碳化物时，作用更坏，应力求减少它的存在。为此，依据C在奥氏体中随温度不同而变化的特性，即在高
13、温时溶解度大，低温时溶解度小。有资料报导，C在奥氏体中的溶解度在1200时为0.34;1000时为0.18，而600时为0.0，室温时则更少。所以将钢加热到高温，使C-Cr化合物充分溶解，再快速冷却，让其来不及析出，保证钢的耐蚀性，特别是耐晶间腐蚀性。,（2）相 奥氏体钢如果在500-900区间长时间加热，或钢中加入Ti、Nb、Mo等元素时，都会促进相析出，使钢增加脆性和降低耐蚀性，消除相的手段也是在高于其可能析出温度使其溶解，再快速冷却，防止再析出。 这就是对奥氏体不锈钢要进行固溶化处理的原因。,2、固溶化热处理工艺在GB1200标准中，推荐加热温度范围较 宽：1000-1150，通常采用1
14、020- 1080。考虑具体牌号成分，是铸件还 是锻件等情况，在允许范围内，适当调 节加热温度。加热温度低，C-Cr碳化物不能充分溶解， 温度太高，也存在晶粒长大，降低耐蚀 性问题。,冷却方式：应以较快速度冷却，防止碳化物 再析出。在我国及其它一些国家标准中，标 明固溶化后“快冷”，这里就提出一个问题， “快” 的界限是什么？我们综合不同文献资料和实践经验，“快”的 尺度可按如下情况掌握：*含C量0.08%的;含Cr量22、Ni量较高的；含C量虽3mm的，应水冷;*含C量0.08、尺寸3mm，可风冷;*有效尺寸0.5mm的可空冷,二、稳定化热处理,稳定化热处理只限于含稳定化元素Ti或Nb的奥氏
15、体不锈钢，如1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni11Nb等,1、稳定化热处理作用,如前所述，Cr与C结合成Cr23C6型化合物，并在晶界析出，是引起奥氏体不锈钢耐蚀性下降的原因。Cr是强碳化物形成元素，只要有机会，就与C结合并析出 ，所以钢中填加比Cr与C亲合力更强的元素Ti、Nb，并创造条件，使C优先与Ti、Nb结合，减少C与Cr结合的机会，使Cr稳定的保留在奥氏体中，因此保证了钢的耐蚀性。稳定化热处理，起到的就是使Ti、Nb与C结合，使Cr稳定于奥氏体中的作用。,2、稳定化热处理工艺,加热温度：这个温度应高于Cr23C6的溶解温度（400-825），低于或略高于TiC或NbC的开始溶解温度
16、（如TiC的溶解温度区间为750-1120），稳定化加热温度一般选在850-930，这会使Cr23C6充分溶解，使Ti或Nb再与其中C结合，而Cr则继续保留在奥氏体中。 冷却方式：一般采用空冷，也可采用水冷或炉冷，这应根据零件具体情况确定。冷却速度对稳定化效果无大影响。从我们试验研究结果看，从稳定化温度900冷却到200时，冷却速度为0.9/min和15.6/min，相比，金相组织、硬度、耐晶间腐蚀能力基本相当。,三、消除应力处理,1、消除应力目的 用奥氏体不锈钢制造的零件，不可避免的存在应力，如冷加工时的加工应力、焊接应力等。这些应力的存在会带来不利影响，如：对尺寸稳定性的影响;存在应力的零部件在含cl-介质、在H2S、NaOH等介质使用时，会发生应力腐蚀开裂，这是一种发生在局部、未有前兆的突发性破坏，是十分有害的。 因此，在某些工况条件下使用的奥氏体不锈钢制件要最大限度的降低应力，这可通过去应力方法完成。,2、消除应力热处理工艺,在条件允许的情况下，采用固溶化处理、稳定化处理都可以较好的消除应力（固溶水冷还会产生一定应力），但，有时不允许采用
