不锈钢的热处理

合金元素对不锈钢组织和性能的影响

1铬

决定不锈钢耐蚀性的主要元素是铬。这是由于钢中含有足够量的铬时，钢在氧化性介质中就可形成以Cr2O3为基体的稳定的表面防护膜；同时，铬能够有效地提高固溶体（铁素体、马氏体或奥氏体）的电极电位，从而使钢不受腐蚀。铬对提高钢的电极电位是遵循n/8规律的。即当铬良达到n/8原子（1/8、2/8、3/8…或12.5%、25%、37.5%…）时，电极电位有一个跃增，见下图铬的原子浓度占1/8（即12.5%），若以质量计，为11.7%，所以铬不锈钢的含铬量都在12%以上。

2碳

碳的影响主要表现在两方面，一方面它是稳定奥氏体的元素，并且作用很大，相当于镍的30倍；另一方面，由于碳和铬的亲和力很强，它与铬可形成一系列的复杂碳化物，其成分随钢中含铬量的不同而异，含铬量少于10%

时，主要是渗碳体型碳化物（Fe，Cr）3C；在高铬钢中则形成复杂的碳化物（Cr，Fe）7C3或（Cr，Fe）23C6。因此，钢中含碳两越高，其抗腐蚀性就越低。对于不锈钢来说，要求耐蚀性是主要目底，故不锈钢的含碳量一般都较低，大多数仅为0.1～0.2%，一般不超过0.4%。只有在少数情况下，例如用作滚动轴承、弹簧和刃具时，由于要求高的硬度和耐磨性，才将含碳量提高至0.85%～0.95%（如9Cr18钢）。但为了保持一定的耐蚀性，这；类钢的含铬量也相应地要高些。

3镍

镍是形成奥氏体的合金元素，但镍的作用只有与铬配合时才会充分发挥出来，若单独使用镍而不使用铬，低碳镍钢要获得纯奥氏体的单相组织，含镍量需高达24%，事实上含镍量达到27%时才能提高钢的耐蚀性，故在不锈钢中没有单独以镍作为合金元素的。当镍和铬配合时，镍提高钢的耐蚀作用就显著地表现出来。

向铁素体不锈钢中加入少量的镍，即可使金相组织由单相铁素体转变为铁素体和奥氏体两相状态，这样就可通过热处理来改善和提高其机械性能。例如，单相铁素体的Cr17钢是不能通过热处理提高机械强度的，其抗拉强度只有400MN/m2左右，但加入2%镍的Cr17Ni2钢，经10000C油冷淬火和3000C回火后，抗拉强度可达1100MN/m2。这是由于镍的加入，组织具有γ→α的转变的缘故。

在含铬18%的铬钢中加入8%镍后，可获得完全奥氏体组织，这就是广泛应用的18-8型铬镍奥氏体不锈钢。这种钢除了具有高的耐蚀性外，还具有良好的冷变形及焊接性能，并且没有磁性。

锰和氮

锰是镍的代用元素之一。锰和镍一样是形成奥氏体的合金元素，高碳钢中含锰两大于12%即可获得奥氏体组织（如Mn13），但由于锰对提高固溶体的电极电位的效果不大，形成的氧化膜也没有防护作用，钢中的含锰量在0～10.4%之间变化时，在空气与酸中的腐蚀率没有多大变化，因此不锈钢中不能单独使用锰作为合金元素。

锰在形成奥氏体方面的作用为约镍的二分之一，即用2%的锰代替1%的镍。完全以锰代铬镍不锈钢中的镍是有一定困难的，主要因为铬锰钢要获得完全奥氏题组织，除了铬与锰的适宜含量外，碳含量的影响也很大，当含碳量低时很难获得完全奥氏体组织，反之提高含碳量，将对耐蚀性不利；另一方面简单的铬锰不锈钢在500～8000C区间加热后，抗晶间腐蚀能力很低，加入钛或铌也不能降低它对晶间腐蚀的敏感性。因此工业上应用的多为在18-8型铬镍钢基础上，以锰代替部分的镍或采用同时加锰与氮的方法来代替全部镍。

氮也是形成奥氏体的元素，可以部分的代替镍，以氮代镍的比例是0.025～1。但由于氮在钢重的溶解度比较小，因此有人认为钢中含氮量超过0。25%

会在铸锭中产生气孔；也有人认为在相应地调整钢的化学成分，特别是铬与锰的含量比适当时，即使含氮量达0。65%，仍可以获得质量良好的铸锭。单对形成奥氏体的作用是很显著的。例如，18-8型铬镍钢，当含0。15%时，需5%的镍可得到奥氏体组织；含氮0。25%时，只需4。5%镍。

为了节镍，用锰和氮代替镍的铬锰氮不锈钢已获得一定的应用。

钛和铌

钛和铌的主要作用是防止晶间腐蚀。加入铌或钛后，由于它们与碳的亲和力比铬大，优先与碳形成碳化铌或碳化钛，避免了贫铬区的形成，防止了晶间腐蚀。

不锈钢的分类方法很多，通常都是按高温（900～11000C）加热并在空气中冷却后钢的组织状态分类的，这是由碳及合金元素对不锈钢组织影响的特点来决定的。

合金元素对不锈钢组织的影响，基本上可分为两类：一类是形成奥氏体的，如碳、镍、锰、铜、氮等；另一类是形成铁素体的，如铬、硅、钼、钛、铌等。这两类元素对组织的影响是互相矛盾的，当形成奥氏体的元素成为矛盾的主要方面时，组织以奥氏题为主，没有或很少有铁素体；反之则铁素体居多。综合各种元素对形成奥氏体的作用程度，绘成了不锈钢的组织图，见下图。这个图所取的当量值如下：

%

5.0%5.1%%][)(30%5.0%][Nb Si Mo Cr Cr N C Mn Ni Ni +++=+++= 此图仅适用于从很高温度快冷（相当于焊接过程）以后的钢，利用此图可以帮助我们了解一些具有复杂化学成分的不锈钢的组织。例如，成分为碳0.07%、锰1.55%、硅0.57%、铬18.02%、镍11.87%、钼2.16%、铌0.80%的不锈钢，根据计算：

%44.21%80.05.0%57.05.1%16.2%02.18][=⨯+⨯++=Nb Si Mo Cr Cr

%75.14%07.030%55.15.0%87.11][=⨯+⨯+=C Mn Ni Ni

由图虚线可知，这个成分的钢其组织为奥饰体和少量铁素体（0～５％之间）。对此钢作磁性分析，铁素体为2%。说明计算与实测结果基本接近。 根据目前应用的不锈耐酸钢的基本组织，可分为铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体铁素体不锈钢和沉淀硬化不锈钢。后者又属超高强度钢。

这类钢的含碳量一般均小于0。15%，含铬量为13～30%。从牌号来看，主要有0Cr13、Cr17、Cr25型。

Cr13型由于含铬量相对较低，只有在很低的含碳两时才能保持铁素体。0Cr13的含碳量0。01%，基体是铁素体。这类钢由于含碳量低，铬量也低（刚超过11。7%），因此机械性能和耐蚀性也较差，只能在弱腐蚀介质中使用。例如在不含醋酸的维尼纶介质中做防污染设备。

Cr17和Cr25型由于含铬量较高，具有良好的高温抗氧化性和耐蚀性，被广泛用于硝酸和氮肥等化工设备。含铬25～28%的钢还可用于炉用构件（如马弗罐、热电偶套管等。

这类钢的主要缺点是脆性大，引起脆性的原因有：1在热变形时，加热超过再结晶温度后，晶粒出现长大趋势。加热至9000C以上时，晶粒显著粗化。这是因为它是单相组织，无相变之故。所以通常Cr25型钢的热变形温