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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，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）。不锈钢铁素体型奥氏体型沉淀硬化型铁素体-奥氏体双相型马氏体型五、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、σ相脆性*铁素体不锈钢极易生成σ相，这是一种富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*σ相形成与成分有关，除Cr外，Si、Mn、Mo等都促进σ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σ相形成。但σ相形成是可逆的，重新加热到高于σ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，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σ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C≤0.01％，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0.0２％，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）σ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σ相析出，使钢增加脆性和降低耐蚀性，消除σ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1020-1080℃。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0.08％，但有效尺寸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（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，有时不允许采用这种方法，如回路中的管件、没有余量的完工件、形状特别复杂的易变形零件等，这时可采用450℃以下温度加热的去应力方法，也可消除部分