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型钢的热变形温度不超过7500C。

2“4750C脆性”。

在含铬超过15%时，在400～5000C范围内停留较长时间后，室温冲击韧性和塑性接近于零值。

最高脆化温度接近4750C，故称为“4750C脆性”。

引起引起“4750C脆性“的原因可能是回火时从铁素体中析出富铬的相，它的点阵常数大于铁素体的，析出时产生共格应力，使钢的强度升高，韧性下降，并伴随硬度的升高。

“4750C脆性”具有还原性，可以通过加热至600～6500C保温1h后快冷予以消除。

3σ现汇的析出。

铁-铬合金中，成分相当于～45%铬的合金在温度低于8200C时，出现σ相（FeCr）。

随着温度的降低，σ相存在的范围逐渐扩大。

在σ相与α相之间还存在较宽的两相区。

σ相具有高的硬度（7HRC68）和脆性，析出时并伴有大的体积变化，故引起很大脆性。

钢中析出σ相还可能引起晶间腐蚀。

σ相是在800～6000C范围内长时间加热形成的，如果合金从高温以较快的速度冷却，可抑制σ相的生成。

2马氏体不锈钢马主要有Cr13、Cr17型两种。

铬量达到13%时，铬钢在加热过程中就不会发生相变，得到单一的铁素体组织。

但当钢中含碳量增加后，γ区将随之扩大，故当Cr13型不锈钢中的含碳量≥0。

1%后，在加热过程中将发生α→γ的相变，冷却后得到马氏体组织，见图12-6。

若进行816OC退火，则得到铁素体+细粒状碳化铬，见图12-7。

当含碳量超过0。

35%后，得到过共析组织：粒状碳化物+马氏体，见图12-8。

Cr13型马氏体不锈钢的耐蚀性较差，但它的机械性能却可通过热处理进行强化。

另外价格低廉，故在腐蚀性较弱的介质中（如水蒸气），且又要求高的机械性能的条件下得到广泛应用。

例如1Cr13、2Cr13钢广泛用作汽轮机叶片、水压机阀、热裂设备配件和较高温度下工作的螺钉、螺帽等。

3Cr13、4Cr13钢主要用于要求高强度，同时又要求耐蚀的条件下工作的零件，如医疗器械的工具用钢、辊珠轴承、柱塞等，或在400～4500C工作的弹簧。

Cr13型马氏体不锈钢通常是在淬火和回火后使用的。

这不仅使它能获得较高的强度，也使它具有较高的耐蚀性。

低温回火时，大量的铬仍保持在固溶体中，所以耐蚀性能较高；高温回火事，由于固溶体分解，析出碳化铬而造成附近的贫铬区重新获得铬浓度的平衡，从而保证了钢的耐蚀性。

Cr13型不锈钢的相变温度约为8000C，加热超过8000C后空冷即可得到马氏体。

随着淬火温度的升高，碳化铬（Cr23C6）不断溶解，硬度、耐蚀性不断提高。

但加热超过10500C后，回火时碳化物析出过程强烈，使钢的耐蚀性降低。

因此淬火加热温度常控制在10000C左右。

Cr13型不锈钢的回火温度是根据使用条件来决定的。

若要求高的硬度，取200～2500C低温回火；若要求热强度，则取600～7500C高温回火。

在400～6000C范围内回火，由于析出弥散度很大的碳化物，不仅使耐蚀性降低，且冲击韧性也较低，因此应避免在此温度区间内回火。

这类钢中还包括2%的1Cr17Ni2钢。

由于2%镍的加入，钢的基体组织由单相铁素体过渡到α+γ两相组织淬火时γ相转变为马氏体。

6500C回火的组织为回火索氏体和呈带状分布的铁素体。

因此可通过热处理来提高它的性能。

这样它既有Cr17型不锈钢的耐蚀性，又有Cr13型马氏体不锈钢的强度，故被广泛用于化工机械、造船业和航空工业等方面。

奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢比较，奥氏体不锈钢除了具有很高的耐蚀性外，还具有许多其它优点。

它具有高的塑性，易于加工成各种形状的钢材（薄板、型材）；加热时不发生α γ相变，焊接性能良好；韧性及低温韧性好，没有冷脆倾向；不具有磁性。

此外，由于奥氏体的再结晶温度比铁素体的再结晶温度高，故这类钢还可作为5500C以上工作的热强钢。

这类钢的主要缺点是价格昂贵；容易加工硬化，使切削加工较难进行。

即使如此，它仍然是耐热钢和不锈钢中使用最广泛的一类钢。

18-8型不锈钢在400～8000C温度范围内长时间保温会出现晶间腐蚀，呈黑色网状分布于晶界，其原因是由于此温度下，晶界析出Cr23C6碳化物，致使碳化物周围（基体）的含铬量低于为保证耐蚀性所需要的最低量（11。