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不銹鋼的熱處理特點(diǎn)及工藝制度
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 II：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。
① 奧氏體型不銹鋼
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。
③ 馬氏體型不銹鋼
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。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(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)熱到 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（見(jiàn)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(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。
表 2：奧氏體不銹鋼固溶處理保溫時(shí)間
表 3：奧氏體不銹鋼固溶處理加熱時(shí)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(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)?Ti、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(kāi)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，也是屬于鐵素體刁；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℃。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(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，力口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。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(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(kāi)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。
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