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资深人士告诉你不锈钢的热处理特点及工艺制度

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最后更新: 2018-04-24
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  1. 不锈钢热处理的特点
  
  中华不锈钢网编辑中心获悉:不锈钢的热处理是为了改变其物理性能、力学性能、残余应力及恢复由于预先加工和加热受到严重影响的抗腐蚀能力,以便得到不锈钢的最佳使用性能或者使不锈钢能够 进行进一步的冷、热加工。所谓的热处理就是针对不同组织、不同类型的不锈钢进行相 应的退火、淬火与回火、正火等处理。
  
  不锈钢是一种特殊的钢种,钢中的镍、铬含量很高,由于镍、铬等合金化元素的存 在,其热处理具有普通钢热处理所不具备的特点:
  
  加热温度较高,加热时间也相对较长。
  
  不锈钢的导热率低,在低温时温度均匀性差。
  
  奥氏体型不锈钢高温膨胀较严重。
  
  炉内气氛控制很重要,要防止出现渗碳、渗氮及脱碳和过氧化现象。
  
  不锈钢的表面光泽对产品的使用及价格有决定性的影响,热处理时产生的氧化 铁皮,将严重影响表面光泽。
  
  要确保避免不锈钢表面的划伤及防 II:热处理时产生变形。不锈钢按其组织可 以分为奥氏体、马氏体和铁素体三类(此外还有沉淀硬化型、铁素体奥氏体型 等),这三类不锈钢的热处理无论是处理方法还是目的都不尽相同。
  
  ① 奥氏体型不锈钢
  
  这类不锈钢应用最广泛,使用量也最大。其特点是在常温下为奥氏体组织,不发生相变,不能通过热处理使其硬化,但可以用冷加工进行硬化。常用热处理方法是固溶处理。
  
  ② 铁素体型不锈钢
  
  这类不锈钢一般没有 ν-α 转变,在高温和常温下都是铁素体组织,没有相变。但是当钢中含有一定量的碳、氮等奥氏体形成元素时,在高温下也能形成奥氏体组织,此类钢不能通过热处理使之强化,只能进行退火处理,消除内应力,便于进一步加工。
  
  ③ 马氏体型不锈钢
  
  这类不锈钢有明显的相变点,在高温下为奥氏体组织,冷却时可以发生马氏体相变,转变为马氏体组织而硬化。因为其含铬高,淬透性好,可以采用淬火、回火等多种热处 理方法。
  
  本文就应用较为广泛的三类不锈钢分别论述其热处理方法及特点。
  
  2. 奥氏体不锈钢
  
  奥氏体不锈钢的代表钢种是 18-8 钢(304),因为是奥氏体组织,所以具有无磁性 且没有淬硬性等特点。由于该钢种不发生相变,其热处理就是加热到高温(一般在1000℃以上),奥氏体再结晶的同时,使在加工中产生的碳化物和。相分解物固溶到奥 氏体中,然后快速冷却,使碳呈固溶状态的奥氏体保持到常温,这―处理过程即为固溶 处理。表 1 为奥氏体不锈钢的参考退火温度。
  
  1:奥氏体不锈钢参考退火温度
  
  奥氏体不锈钢加热温度主要是依据碳化物的固熔速度而确定的,有资料指出像 304钢的碳化物在 1065℃时固溶需要 3 分钟,在 1176℃需要 1.5 分钟,在 1000℃则需要 长达 10 分钟。从这个角度而言,加热温度越高越好,但加热温度偏高同时又可能引起 晶粒过分长大、氧化铁皮增厚等缺陷。因为奥氏体型不锈钢无法通过相变来细化晶粒, 如果晶粒过大,会使材料的抗拉强度明显下降。
  
  就加热时间而言,不锈钢的导热率低(特别是在低温时),升到高温后(700―800℃) 导热率才有提高。所以,对于断面大的奥氏体不锈钢都需要预热到 700~800℃,然后 再快速升温,对于断面小的奥氏体不锈钢(如带钢)如果升温速度过慢,碳化物会充分析出,就会导致固溶时间过长,美国阿姆科公司曾制定过一个经典的加热时间表(见表2、表 3)。 由于不锈钢中的铬形成的铬基氧化物在酸洗中较难去除,因此在热处理时要控制铬基氧化物的形成,对于有特殊要求的不锈钢,可采用光亮退火形式进行热处理。
  
  2:奥氏体不锈钢固溶处理保温时间
  
  3:奥氏体不锈钢固溶处理加热时间
  
  为防止已固溶的碳化物析出,冷却速度也很重要,特别是在 600~700℃时,碳化物析出较多而发生敏化,所以必须进行快速冷却。由于奥氏体不锈钢导热率低,对于断 面较大的材料,无论怎样快冷,中心部位的冷却程度仍然很慢,往往因碳化物析出较多 而发生敏化。所以在实际生产中,断面较大的材料一般考虑采用加入 Ti、Nb 等元素的 稳定化奥氏体不锈钢,因为 Ti、Nb 等元素对碳亲和力较大,这类稳定化奥氏体不锈钢(如 321、347 等)可以不需要水淬或其它快速冷却措施进行快冷。
  
  3. 铁素体不锈钢
  
  铁素体不锈钢是以铬为主要合金元素,其含量为 12%~30%Cr。此类钢为单相组 织,没有相变,具有强磁性。其典型的代表钢种是 430。美国在 6 0 年代以降低不锈钢 成本为目标开发的廉价不锈钢种 409,广泛地应用于汽车、摩托车的消音器和下水管道 等,也是属于铁素体刁;锈钢这一类。
  
  该钢种无淬透性,同奥氏体钢一样不能通过热处理使其硬化,而且由于加热引起的 晶粒长大比奥氏体钢既快且晶粒度又大。因此在热处理时为避免晶粒长大以及发生奥氏体相变,加热温度不宜过高,―般退火最高加热温度不超过 850℃。表 4 为铁素体不锈钢的参考退火温度。
  
  4:铁素铁不锈钢的参考退火温度
  
  铁素体不锈钢在退火处理时,一定要缩短在 370~550℃温度范围内的停留时间,特别是对于高铬的铁素体不锈钢。材料如果在此温度范围内停留时间过长,很容易发生475℃脆性现象,即硬度增高,延伸率大幅下降,甚至为零,同时材料的耐蚀性也降低。 有实验表明:27Cr 钢在 475℃加热 100 小时后,材料在常温时的抗拉强度增加 50%, 屈服强度增加 l50%,而延伸率为零。此外该钢种的焊接性能差(焊缝热影响区晶粒粗 大且脆)。
  
  4. 马氏体不锈钢
  
  马氏体不锈钢同前两种不锈钢的特性明显不同,顾名思义,就是从高温奥氏体状态快冷(淬火)转变成马氏体组织而成的。这类不锈钢有明显的相变点,可以通过淬火而 硬化。而且因其含铬高,淬透性好,回火时可以在较大范围内调整其强度和韧性,因此, 马氏体不锈钢既可以作结构钢用,也可以作工具钢用。
  
  马氏体不锈钢作为工具钢用时,处于淬火状态。为进行淬火,必须加热升温到临界 点以上,以便碳化物固溶到奥氏体中。在升温使碳化物固溶时,因碳扩散速度较慢,为 得到均匀的奥氏体组织,力口热温度一般要比临界点温度高 50℃以上,而且还必须有 一定的保温时间,以便使碳化物充分、均匀溶解。当然,加热时间过长、加热温度过高 会造成马氏体组织不均匀,残余奥氏体组织增多,从而使材料内部因膨胀差而产生内应力。
  
  马氏体钢是热裂纹敏感性钢种,该钢种在低温时导热率低,快速加热时极易产生裂 纹,因此在处理大断面材料时,应该先预热,然后再快速升温。表 5 为马氏体不锈钢的 参考退火温度。
  
  5:马氏体不锈钢的参考退火温度
  
  中华不锈钢网编辑中心获悉:在作结构钢用时,应在淬火的基础上进行回火(调质状态)。马氏体不锈钢有回火脆性,回火温度一般不应低于 580℃。从回火温度冷却时,为避免回火脆性一般采用油 冷;有时为了得到较高的屈服极限,也可以采用空冷,但这时结构钢的一个重要力学指 标冲击值会下降。需注意的是马氏体不锈钢在淬火后,应尽快回火,如不能尽快回火, 材料易产生裂纹。
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