不銹鋼有兩種分類法:一種是按合金元素的特點(diǎn),劃分為鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼;另一種是按在正火狀態(tài)下鋼的組織狀態(tài),劃分為M不銹鋼、F不銹鋼、A不銹鋼、A一F雙相不銹鋼。
1、馬氏體不銹鋼
典型的馬氏體不銹鋼有1Cr13-4Cr13和9Cr18等
1Cr13鋼加工工藝性能良好??刹唤?jīng)預(yù)熱進(jìn)行深沖、彎曲、卷邊及焊接。2Crl3冷變形前不要求預(yù)熱,但焊接前需預(yù)熱,1Crl3、2Cr13主要用來制作耐蝕結(jié)構(gòu)件如汽輪機(jī)葉片等,而3Cr13、4Cr13主要用來制作醫(yī)療器械外科手術(shù)刀及耐磨零件;9Crl8可做耐蝕軸承及刀具。
2、鐵素體不銹鋼
鐵素不銹鋼的含Cr量一般為13%-30%合碳量低于0.25%。有時(shí)還加入其它合金元素。金相組織主要是鐵素體,加熱及冷卻過程中沒有α<=>γ轉(zhuǎn)變,不能用熱處理進(jìn)行強(qiáng)化??寡趸詮?qiáng)。同時(shí),它還具有良好的熱加工性及一定的冷加工性。鐵素體不銹鋼主要用來制作要求有較高的耐蝕性而強(qiáng)度要求較低的構(gòu)件,廣泛用于制造生產(chǎn)硝酸、氮肥等設(shè)備和化工使用的管道等。
典型的鐵素體不銹鋼有Crl7型、Cr25型和Cr28型。
3,奧氏體不銹鋼
奧氏體不銹鋼是克服馬氏作不銹鋼耐蝕性不足和脆性過大而發(fā)展起來的?;境煞譃镃rl8%、Ni8%簡稱18-8鋼。其特點(diǎn)是合碳量低于0.1%,利用Cr、Ni配合獲得單相奧氏體組織。
奧氏作不銹鋼一般用于制造生產(chǎn)硝酸、硫酸等化工設(shè)備構(gòu)件、冷凍工業(yè)低溫設(shè)備構(gòu)件及經(jīng)形變強(qiáng)化后可用作不銹鋼彈簧和鐘表發(fā)條等。
奧氏體不銹鋼具有良好的抗均勻腐蝕的性能,但在局部抗腐蝕方面,仍存在下列問題:
(1)奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕
奧氏作不銹鋼在450-850℃保溫或緩慢冷卻時(shí),會出現(xiàn)晶問腐蝕。含碳量越高,晶間蝕傾向性越大。此外,在焊接件的熱影響區(qū)也會出現(xiàn)晶間腐蝕。這是由于在晶界上析出富Cr的Cr23C6。使其周圍基體產(chǎn)生貧鉻區(qū),從而形成腐蝕原電池而造成的。這種晶間腐蝕現(xiàn)象在前面提到的鐵素體不銹鋼中也是存在的。
工程上常采用以下幾種方法防止晶間腐蝕:
1)降低鋼中的碳量,使鋼中合碳量低于平衡狀態(tài)下在奧氏體內(nèi)的飽和溶解度,即從根本上解決了鉻的碳化物(Cr23C6)在晶界上析出的問題。通常鋼中合碳量降至0.03%以下即可滿足抗晶間腐蝕性能的要求。
2)加入Ti、Nb等能形成穩(wěn)定碳化物(TiC或NbC)的元素,避免在晶界上析出Cr23C6,即可防上奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕。
3)通過調(diào)整鋼中奧氏體形成元素與鐵素體形成元素的比例,使其具有奧氏體+鐵索體雙相組織,其中鐵素體占5%一12%。這種雙相組織不易產(chǎn)生晶間腐蝕。
4)采用適當(dāng)熱處理工藝,可以防止晶間腐蝕,獲得最佳的耐蝕性。
(2)奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕
應(yīng)力(主要是拉應(yīng)力)與腐蝕的綜合作用所引起的開裂稱為應(yīng)力腐蝕開裂,簡稱SCC(Stress Crack Corrosion)。奧氏體不銹鋼容易在含氯離子的腐蝕介質(zhì)中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。當(dāng)含Ni量達(dá)到8%一10%時(shí),奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕傾向性最大,繼續(xù)增加含Ni量至45-50%應(yīng)力腐蝕傾向逐漸減小,直至消失。
防止奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的最主要途徑是加入Si2-4%并從冶煉上將N含量控制在0.04%以下。此外還應(yīng)盡量減少P、Sb、Bi、As等雜質(zhì)的含量。另外可選用A-F雙相鋼,它在Cl-和OH-介質(zhì)中對應(yīng)力腐蝕不敏感。當(dāng)初始的微細(xì)裂紋遇到鐵素體相后不再繼續(xù)擴(kuò)展,鐵素體含量應(yīng)在6%左右。
(3) 奧氏體不銹鋼的形變強(qiáng)化
單相的奧氏體不銹鋼具有良好的冷變形性能,可以冷拔成很細(xì)的鋼絲,冷軋成很薄的鋼帶或鋼管。經(jīng)過大量變形后,鋼的強(qiáng)度大力提高,尤其是在零下溫區(qū)軋制時(shí),效果更為顯著??估瓘?qiáng)度可達(dá)2000 MPa以上。這是因?yàn)槌死渥饔不Ч?,還疊加了形變誘發(fā)M轉(zhuǎn)變。
奧氏體不銹鋼經(jīng)形變強(qiáng)化后可用來制造不銹彈簧、鐘表發(fā)條、航空結(jié)構(gòu)中的鋼絲繩等。形變后若需焊接,則只能采用點(diǎn)焊工藝、形變使應(yīng)力腐蝕傾向性增加。并因部分γ->M轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生鐵磁性,在使用時(shí)(如儀表零件中)應(yīng)予以考慮。
再結(jié)晶溫度隨形變量而改變,當(dāng)形變量為60%時(shí),其再結(jié)晶溫度降為650℃冷變形奧氏體不銹鋼再結(jié)晶退火溫度為850-1050℃,850℃則需保溫3h,1050℃時(shí)透燒即可,然后水冷。
(4) 奧氏體不銹鋼的熱處理
奧氏體不銹鋼常用的熱處理工藝有:固溶處理、穩(wěn)定化處理和去應(yīng)力處理等。
1)固溶處理。將鋼加熱到1050-1150℃后水淬,主要目的是使碳化物溶于奧氏體中,并將此狀態(tài)保留到室溫,這樣鋼的耐蝕性會有很大改善。如上所述,為了防止晶問腐蝕,通常采用固溶化處理,使Cr23C6溶于奧氏體中,然后快速冷卻。對于薄壁件可采用空冷,一般情況采用水冷。
2)穩(wěn)定化處理。一般是在固溶處理后進(jìn)行,常用于含Ti、Nb的18-8鋼,固處理后,將鋼加熱到850-880℃保溫后空冷,此時(shí)Cr的碳化物完全溶解,脫而鈦的碳化物不完全溶解,且在冷卻過程中充分析出,使碳不可能再形成鉻的碳化物,因而有效地消除了晶間腐蝕。
3)去應(yīng)力處理。去應(yīng)力處理是消除鋼在冷加工或焊接后的殘余應(yīng)力的熱處理工藝一般加熱到300-350℃回火。對于不含穩(wěn)定化元素Ti、Nb的鋼,加熱溫度不超過450℃,以免析出鉻的碳化物而引起晶間腐蝕。對于超低碳和含Ti、Nb不銹鋼的冷加工件和焊接件,需在500-950℃,加熱,然后緩冷,消除應(yīng)力(消除焊接應(yīng)力取上限溫度),可以減輕晶間腐蝕傾向并提高鋼的應(yīng)力腐蝕抗力。
4、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼
在奧氏不銹鋼的基礎(chǔ)上,適當(dāng)增加Cr含量并減少Ni含量,并與回溶化處理相配合,可獲得具有奧氏體和鐵素體的雙相組織(含40-60%δ-鐵素體)的不銹鋼,典型鋼號有0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti、OCr21Ni6Mo2Ti等。雙相不銹鋼有較好的焊接性,焊后不需熱處理,而且其晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕傾向性也較小。但由于含Cr量高,易形成σ相,使用時(shí)應(yīng)加以注意。
5.鐵素體鋼
含鉻大于14%的低碳鉻不銹鋼,含鉻大干27%的任何含碳量的鉻不銹鋼,以及在上述成分基礎(chǔ)上再添加有鉬、鈦、鈮、硅、鋁、、鎢、釩等元素的不銹鋼,化學(xué)成分中形成鐵素體的元素占絕對優(yōu)勢,基體組織為鐵素。這類鋼在淬火(固溶)狀態(tài)下的組織為鐵素體,退火及時(shí)效狀態(tài)的組織中則可見到少量碳化物及金屬間化合物。
屬于這一類的有Crl7、Cr17Mo2Ti、Cr25,Cr25Mo3Ti、Cr28等。鐵素體不銹鋼因?yàn)楹t量高,耐腐蝕性能與抗氧化性能均比較好,但機(jī)械性能與工藝性能較差,多用于受力不大的耐酸結(jié)構(gòu)及作抗氧化鋼使用。
6.鐵素休-馬氏體鋼
這類鋼在高溫時(shí)為y+a(或δ)兩相狀態(tài),快冷時(shí)發(fā)生y-M轉(zhuǎn)變,鐵素體仍被保留,常溫組織為馬氏體和鐵素體,由于成分及加熱溫度的不同,組織中的鐵素體量可在百分之幾至幾十的范圍內(nèi)變化。0Crl3鋼,lCrl3鋼,鉻偏上限而碳偏下限的2Cr13鋼,Cr17Ni2鋼,Cr17wn4鋼,以及在ICrl3鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來的許多改型12%鉻熱強(qiáng)鋼(這類鋼也叫做耐熱不銹鋼)中的許多鋼號,如Cr11MoV,Cr12WMoV,Crl2W4MoV,18Crl2WMoVNb等均屬干這一類。
鐵素體—馬氏體鋼可以部分地接受淬火強(qiáng)化,故可獲得較高的機(jī)械性能。但它們的機(jī)械性能與工藝性能在很大程度上受組織中鐵素體的含量及分布形態(tài)的影響。這類鋼按成分中的含鉻量分屬12~14%與15~18%兩個(gè)系列。前者具有抵抗大氣及弱腐蝕性介質(zhì)的能力,并且具有良好的減震性及較小的線膨脹系數(shù);后者的耐腐蝕性能與相同含鉻量的鐵素體耐酸鋼相當(dāng),但在一定程度上也保留著高鉻鐵素體鋼的某些缺點(diǎn)。
7.馬氏體鋼
這類鋼在正常淬火溫度下處在y相區(qū),但它們的y相僅在高溫時(shí)穩(wěn)定,M點(diǎn)一般在3OO℃左右,故冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。
這類鋼包括2Cr13,2Cr13Ni2,3Cr13以及部分改型12%鉻熱強(qiáng)鋼,如13Cr14NiWVBA,Cr11Ni2MoWVB鋼等。馬氏體不銹鋼的機(jī)械性能、耐腐蝕性能、工藝性能與物理性能,均和含鉻12~14%的鐵素體-馬氏體不銹鋼相近。由于組織中沒有游離的鐵素體,機(jī)械性能比上述鋼要高,但熱處理時(shí)的過熱敏感性較低。
8.馬氏體—碳化物鋼
Fe-C合金的并析點(diǎn)的含碳為0.83%,在不銹鋼中由于鉻使S點(diǎn)左移,含12%鉻和大于0.4%碳的鋼(圖11-3),以及含18%鉻和大于0.3%碳的鋼(圖卜)3)均屬于過共析鋼。這類鋼在正常淬火溫度加熱,次生碳化物不能完全溶于奧氏體,因此淬火后的組織為馬氏體和碳化物組成。
屬于這一類的不銹鋼牌號不多,卻是一些含碳比較高的不銹鋼,如4Crl3、9Cr18、9Crl8MoV 、9Crl7MoVCo鋼等,含碳量偏上限的3Crl3鋼在較低的溫度下淬火,也可能出現(xiàn)這樣的組織。由于含碳量高,上述9Cr18等三個(gè)鋼號中雖含有較多的鉻,但其耐腐蝕性能僅與含12~14%鍺的不銹鋼相當(dāng)。這類鋼的主要用途是要求高硬及耐磨的零件,如切削工具、軸承、彈簧及醫(yī)療器械等。
9.奧氏體鋼
這類鋼含有較多擴(kuò)大y區(qū)和穩(wěn)定奧氏體的元素,在高溫時(shí)為均為y相,冷卻時(shí)由于Ms點(diǎn)在室溫以下,所以在常溫下具有奧氏體組織。 18-8, 18-12、25-20、20-25Mo等鉻鎳不銹鋼,以錳代替部分鎳并加氮的低鎳不銹鋼如Cr18Mnl0Ni5,Cr13Ni4Mn9,Cr17Ni4Mn9N,Cr14Ni3Mnl4Ti鋼等均屬于這一類。
奧氏體不銹鋼具有前已述及的許多優(yōu)點(diǎn),雖然機(jī)械性能也比較低,和鐵素體不銹鋼—樣不能熱處理強(qiáng)化,但可以通過冷加工變形的方法,利用加工硬化作用提高它們的強(qiáng)度。 這類鋼的缺點(diǎn)是對晶間腐蝕及應(yīng)力腐蝕比較敏感,需通過適當(dāng)?shù)睾辖鹛砑觿┘肮に嚧胧┫?
10.奧氏體-鐵素體鋼
這類鋼因擴(kuò)大y區(qū)和穩(wěn)定奧氏體元素的作用程度,不足以使鋼在常溫或很高的溫度下具有純奧氏體組織,因此為奧氏體-鐵素體復(fù)相狀態(tài),其鐵素體量也因成分及加熱溫度不同而可在較大的范圍內(nèi)變化。
屬于這一類的不銹鋼很多,如低碳的18-8鉻鎳鋼,加鈦、鈮、鉬的18-8鉻鎳鋼,特別是在鑄鋼的組織中均可見到鐵素體,此外含鉻大于14~15%而碳低于0.2%的鉻錳不銹鋼(如Cr17Mnll),以及目前研究的和已獲得應(yīng)用的大多數(shù)鉻錳氮不銹鋼等。與純奧氏體不銹鋼比較,這類鋼的優(yōu)點(diǎn)很多,如屈服強(qiáng)度較高,抗晶間腐蝕的能力較高,應(yīng)力腐蝕的敏感性低,焊接時(shí)產(chǎn)生熱裂紋的傾向小,鑄造流動性好等等。缺點(diǎn)是壓力加工性能較差,點(diǎn)腐蝕傾向較大,易產(chǎn)生c相脆性,在強(qiáng)磁場作用下表現(xiàn)出弱磁性等。所有這些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)均來源于組織中的鐵素體。
11、奧氏缽-馬氏體鋼
這類鋼的Ms點(diǎn)低于室溫,固溶處理以后為奧氏體組織,易于成形和焊接。通??捎脙煞N工藝方法使之發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。一是固溶處理以后經(jīng)700~800度加熱,奧氏體因析出碳化鉻而轉(zhuǎn)變?yōu)榻榉€(wěn)定狀態(tài),Ms點(diǎn)升高至室溫以上,冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體;二是固溶處理以后直接冷卻至Ms與Mf點(diǎn)之間,使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。后一方法可獲得較高的耐腐蝕性能,但固溶處理以后至深冷的間隔時(shí)間不宜過久,否則會因奧氏體的陳化穩(wěn)定作用而使深冷的強(qiáng)化效應(yīng)降低。經(jīng)上述處理以后鋼再經(jīng)400~500度時(shí)效,使析出金屬間化合物進(jìn)—步強(qiáng)化。這類鋼的典型鋼號有17Cr一7Ni一A1、15Cr-9Ni-A1,17Cr—5Ni-Mo、15Cr-8Ni-Mo一A1等等。這類鋼也稱為奧氏體-馬氏體時(shí)效不銹鋼,并因?yàn)閷?shí)際上這些鋼的組織中除奧氏體和馬氏體以外,還存在不同數(shù)量的鐵素體,故也稱為半奧氏體沉淀硬化不銹鋼。
這類鋼是50年代后期發(fā)展和應(yīng)用的新型不銹鋼,它們總的特點(diǎn)是強(qiáng)度高(C可達(dá)100一150)及熱強(qiáng)性好,但由于含鉻量較低并在熱處理時(shí)有碳化鉻析出,因此耐腐蝕性能比標(biāo)準(zhǔn)的奧氏體不銹鋼要低一些。也可以說這類鋼的高強(qiáng)度是在犧牲一部分耐腐蝕性能與其它性能(如非磁性)的情況下獲得的,目前這類鋼主要用于航空工業(yè)及火箭導(dǎo)彈生產(chǎn)方面,一般機(jī)械制造中應(yīng)用尚不普遍,并且在分類上也有把它們納為超高強(qiáng)度鋼的一個(gè)系列。