不銹鋼的熱處理特點及工藝制度
  發布時間:2019年11月05日 點擊數:

  不銹鋼從20世紀初發明至今不足百年的時間,但其發展和應用的勢頭卻異常迅猛。 特別是從20世紀60年代末以來,全世界不銹鋼的產量基本保持年均 4%的增長率,不銹鋼的應用范圍逐步擴大到了國民經濟的各個領域。不銹鋼之所以能得到如此迅猛的發 展,一個重要的因素是其具有耐蝕、耐熱性。不銹鋼熱處理工藝的優劣對不銹鋼的耐蝕、 耐熱性有很大影響,而且對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過程中一直處于十分重要的地位。

  1.不銹鋼熱處理的特點

  不銹鋼的熱處理是為了改變其物理性能、力學性能、殘余應力及恢復由于預先加工和加熱受到嚴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行進一步的冷、熱加工。所謂的熱處理就是針對不同組織、不同類型的不銹鋼進行相 應的退火、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:

  ●加熱溫度較高,加熱時間也相對較長。

  ●不銹鋼的導熱率低,在低溫時溫度均勻性差。

  ●奧氏體型不銹鋼高溫膨脹較嚴重。

  ●爐內氣氛控制很重要,要防止出現滲碳、滲氮及脫碳和過氧化現象。

  ●不銹鋼的表面光澤對產品的使用及價格有決定性的影響,熱處理時產生的氧化 鐵皮,將嚴重影響表面光澤。

  ●要確保避免不銹鋼表面的劃傷及防 II:熱處理時產生變形。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論是處理方法還是目的都不盡相同。

  ① 奧氏體型不銹鋼

  這類不銹鋼應用最廣泛,使用量也最大。其特點是在常溫下為奧氏體組織,不發生相變,不能通過熱處理使其硬化,但可以用冷加工進行硬化。常用熱處理方法是固溶處理。

  ② 鐵素體型不銹鋼

  這類不銹鋼一般沒有 ν-α 轉變,在高溫和常溫下都是鐵素體組織,沒有相變。但是當鋼中含有一定量的碳、氮等奧氏體形成元素時,在高溫下也能形成奧氏體組織,此類鋼不能通過熱處理使之強化,只能進行退火處理,消除內應力,便于進一步加工。

  ③ 馬氏體型不銹鋼

  這類不銹鋼有明顯的相變點,在高溫下為奧氏體組織,冷卻時可以發生馬氏體相變,轉變為馬氏體組織而硬化。因為其含鉻高,淬透性好,可以采用淬火、回火等多種熱處理方法。

  本文就應用較為廣泛的三類不銹鋼分別論述其熱處理方法及特點。

  2.奧氏體不銹鋼

  奧氏體不銹鋼的代表鋼種是 18-8 鋼(304),因為是奧氏體組織,所以具有無磁性 且沒有淬硬性等特點。由于該鋼種不發生相變,其熱處理就是加熱到高溫(一般在1000℃以上),奧氏體再結晶的同時,使在加工中產生的碳化物和。相分解物固溶到奧 氏體中,然后快速冷卻,使碳呈固溶狀態的奧氏體保持到常溫,這―處理過程即為固溶處理。表 1 為奧氏體不銹鋼的參考退火溫度。 

表 1:奧氏體不銹鋼參考退火溫度


 

  奧氏體不銹鋼加熱溫度主要是依據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℃時固溶需要 3 分鐘,在 1176℃需要 1.5 分鐘,在 1000℃則需要 長達 10 分鐘。從這個角度而言,加熱溫度越高越好,但加熱溫度偏高同時又可能引起晶粒過分長大、氧化鐵皮增厚等缺陷。因為奧氏體型不銹鋼無法通過相變來細化晶粒, 如果晶粒過大,會使材料的抗拉強度明顯下降。

  就加熱時間而言,不銹鋼的導熱率低(特別是在低溫時),升到高溫后(700―800℃) 導熱率才有提高。所以,對于斷面大的奧氏體不銹鋼都需要預熱到 700~800℃,然后 再快速升溫,對于斷面小的奧氏體不銹鋼(如帶鋼)如果升溫速度過慢,碳化物會充分析出,就會導致固溶時間過長,美國阿姆科公司曾制定過一個經典的加熱時間表(見表2、表 3)。 由于不銹鋼中的鉻形成的鉻基氧化物在酸洗中較難去除,因此在熱處理時要控制鉻基氧化物的形成,對于有特殊要求的不銹鋼,可采用光亮退火形式進行熱處理。

表 2:奧氏體不銹鋼固溶處理保溫時間


 

表 3:奧氏體不銹鋼固溶處理加熱時間

 

  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,碳化物析出較多而發生敏化,所以必須進行快速冷卻。由于奧氏體不銹鋼導熱率低,對于斷 面較大的材料,無論怎樣快冷,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生敏化。所以在實際生產中,斷面較大的材料一般考慮采用加入 Ti、Nb 等元素的穩定化奧氏體不銹鋼,因為 Ti、Nb 等元素對碳親和力較大,這類穩定化奧氏體不銹鋼(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,沒有相變,具有強磁性。其典型的代表鋼種是 430。美國在 6 0 年代以降低不銹鋼 成本為目標開發的廉價不銹鋼種 409,廣泛地應用于汽車、摩托車的消音器和下水管道 等,也是屬于鐵素體刁;銹鋼這一類。

  該鋼種無淬透性,同奧氏體鋼一樣不能通過熱處理使其硬化,而且由于加熱引起的 晶粒長大比奧氏體鋼既快且晶粒度又大。因此在熱處理時為避免晶粒長大以及發生奧氏體相變,加熱溫度不宜過高,―般退火最高加熱溫度不超過 850℃。表 4 為鐵素體不銹鋼的參考退火溫度。

表 4:鐵素鐵不銹鋼的參考退火溫度

  鐵素體不銹鋼在退火處理時,一定要縮短在 370~550℃溫度范圍內的停留時間,特別是對于高鉻的鐵素體不銹鋼。材料如果在此溫度范圍內停留時間過長,很容易發生475℃脆性現象,即硬度增高,延伸率大幅下降,甚至為零,同時材料的耐蝕性也降低。 有實驗表明:27Cr 鋼在 475℃加熱 100 小時后,材料在常溫時的抗拉強度增加 50%, 屈服強度增加 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快冷(淬火)轉變成馬氏體組織而成的。這類不銹鋼有明顯的相變點,可以通過淬火而硬化。而且因其含鉻高,淬透性好,回火時可以在較大范圍內調整其強度和韌性,因此, 馬氏體不銹鋼既可以作結構鋼用,也可以作工具鋼用。

  馬氏體不銹鋼作為工具鋼用時,處于淬火狀態。為進行淬火,必須加熱升溫到臨界 點以上,以便碳化物固溶到奧氏體中。在升溫使碳化物固溶時,因碳擴散速度較慢,為得到均勻的奧氏體組織,力口熱溫度一般要比臨界點溫度高 50℃以上,而且還必須有 一定的保溫時間,以便使碳化物充分、均勻溶解。當然,加熱時間過長、加熱溫度過高會造成馬氏體組織不均勻,殘余奧氏體組織增多,從而使材料內部因膨脹差而產生內應力。

  馬氏體鋼是熱裂紋敏感性鋼種,該鋼種在低溫時導熱率低,快速加熱時極易產生裂 紋,因此在處理大斷面材料時,應該先預熱,然后再快速升溫。表 5 為馬氏體不銹鋼的 參考退火溫度。

表 5:馬氏體不銹鋼的參考退火溫度

 

  在作結構鋼用時,應在淬火的基礎上進行回火(調質狀態)。馬氏體不銹鋼有回火脆性,回火溫度一般不應低于 580℃。從回火溫度冷卻時,為避免回火脆性一般采用油 冷;有時為了得到較高的屈服極限,也可以采用空冷,但這時結構鋼的一個重要力學指標沖擊值會下降。需注意的是馬氏體不銹鋼在淬火后,應盡快回火,如不能盡快回火, 材料易產生裂紋。

  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用面較廣,但作為結構鋼使用,還存在著一些難以克服的缺陷。奧氏體型不銹鋼屈服強度較低,只有 200N/mm2 左右,不宜作 為結構鋼使用;而馬氏體不銹鋼雖然可以通過淬火、回火等熱處理形式獲得較高的屈服 強度,但其耐蝕性較差。對于那些要求最佳抗蝕性能與最大強度的用途,開發出了新型的 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、時效處理和轉變冷 卻。其特點是:

  ●完全退火狀態較軟,易于再加工。

  ●通過適當的時效處理可獲得要求的力學性能。

  ●具有與同類不銹鋼一樣的耐蝕性,提高了抗應力腐蝕斷裂的性能。

  ●轉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行固溶處理,在材料 加熱到 1000~1100℃后快冷,然后根據不同的力學性能要求,在不同溫度下 進行時效處理,如 621℃、565℃、510℃時效。

  6.結束語

  從以上分析可以看出,不銹鋼的熱處理是比較復雜的,要根據不同鋼種的特點,采取不同的熱處理方式,才能夠滿足用戶不同的要求。

 

來源:軋鋼之家

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