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文档简介
1、合金元素对不锈钢组织和性能的影响1铭决定不锈钢耐蚀性的主要元素是铭。这是由于钢中含有足够量的铭时,钢在氧化性介质中就可形成以 Cr2O3为基体的稳定的外表防护膜;同时,铭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。铭对提高钢的电极电位是遵循 n/8规律的。即当铭良到达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,见下列图铭的原子浓度占1/8即12.5%,假设以质量计,为11.7%, 所以铭不锈钢的含铭量都在 12%以上。图12-3 F,-Cr合金固溶体的电极电位与共含锚债的关系2碳碳的影响主要表现在两方面,一方面它是稳定奥氏
2、体的元素,并且作用很大,相当于锲的30倍;另一方面,由于碳和铭的亲和力很强,它与铭可形成一系列的复杂碳化物,具成分随钢中含铭量的不同而异, 含铭量少于10% 时,主要是渗碳体型碳化物Fe, Cr3C;在高铭钢中那么形成复杂的碳 化物Cr, Fe7c3或Cr, Fe23C6。因此,钢中含碳两越高,具抗腐蚀 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0.10.2%,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; 类钢的含铭量
3、也相应地要高些。3锲锲是形成奥氏体的合金元素,但锲的作用只有与铭配合时才会充分发挥出来,假设单独使用锲而不使用铭,低碳锲钢要获得纯奥氏体的单相组织,含锲量需高达24%,事实上含锲量到达 27%时才能提高钢的耐蚀性,故在 不锈钢中没有单独以锲作为合金元素的。当锲和铭配合时,锲提高钢的耐 蚀作用就显著地表现出来。向铁素体不锈钢中参加少量的锲,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,具抗拉强度只有400MN/m2左右,但参加2%锲的Cr17Ni2钢,经10000c油冷淬火和3000c
4、回火后,抗拉强度可达1100MN/m2。这是由于锲的参加,组织具 有丫f a的转变的缘故。在含铭18%的铭钢中参加8%锲后,可获得完全奥氏体组织,这就是广泛应 用的18-8型铭锲奥氏体不锈钢。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。钮和氮钮是锲的代用元素之一。钮和锲一样是形成奥氏体的合金元素,高碳钢中含钮两大于12%即可获得奥氏体组织如 Mn13,但由于钮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,钢中的含钮量在010.4%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 中不能单独使用钻作为合金元素。钮在形成奥氏体方面的作用为约锲的二
5、分之一,即用2%的钮代替1%的锲。完全以钮代铭锲不锈钢中的锲是有一定困难的,主要因为铭钮钢要获得完全奥氏题组织,除了铭与钻的适宜含量外,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;另一方面简单的铭钻不锈钢在 5008000c区间加热后,抗晶间腐蚀能力很低,参加钛或锂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型铭锲钢根底上,以钮代替局部的锲或采用同时加钻与氮的方法来代 替全部锲。氮也是形成奥氏体的元素,可以局部的代替锲,以氮代锲的比例是0.0251。但由于氮在钢重的溶解度比拟小,因此有人认为钢中含氮量超过 00 25% 会在铸锭中产
6、生气孔;也有人认为在相应地调整钢的化学成分,特别是铭 与钮的含量比适当时,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型铭锲钢,当含00 15%时,需5%的锲可得到奥氏体组织;含氮 0。25%时,只需4。5%锲。为了节锲,用钻和氮代替锲的铭钮氮不锈钢已获得一定的应用。钛和钥钛和钥的主要作用是防止晶间腐蚀。参加钦或钛后,由于它们与碳的亲和力比铭大,优先与碳形成碳化锂或碳化钛,防止了贫铭区的形成,防止了 品间腐蚀。不锈钢的分类方法很多,通常都是按高温90011000c3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
7、 点来决定的。合金元素对不锈钢组织的影响,根本上可分为两类:一类是形成奥氏体的,如碳、锲、钮、铜、氮等;另一类是形成铁素体的,如铭、硅、铝、钛、锂等。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;反之那么 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,见下列图。这个图所取的当量值如下:Crj/% 图127不糖纲的期纲图 LNG, CCrJ一偏节幡当Ni Ni% 0,5Mn% 30(C N) Cr Cr% Mo% 1.5Si% 0.5Nb%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
8、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%、钮 1.55%、硅 0.57%、铭 18.02%、锲 11.87% 钥 2.16%、钥 0.80%的不锈钢,根据计算:Cr Cr18.02% Mo2.16% 1.5 Si0.57% 0.5 Nb0.80% 21.44%Ni Ni11.87% 0.5 Mn1.55% 30 C0.07% 14.75%由图虚线可知,这个成分的钢具组织为奥饰体和少量铁素体015%之问。对此钢作磁性分析,铁素体为2%0说明计算与实测结果根本接近。根据目前应用的不锈耐酸钢的根本组织,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
9、和沉淀硬化不锈钢。后者又属 超图强度钢«12-1 铁索体不铜钢的化学成分LGB122O 75)« *牝学曲分/cSiMaSp,Jcf1Ni)MaTiV0Cfi3<0心<0.030VQH3512.07.QJICrUS% 60.20/0.4。儿0JI恢ICrlT<0.124kg1611素iCflti <045<L0吁加L件OCrlTTi<0.08<0.!5 x e% -电WflTTi<0*12M216-125 X C睇口评。JCf2STi<1,024-271 5 x C %0,80ICrlTMnSTi1816-14k -.g
10、Ax。%这类钢的含碳量一般均小于 0。15%,含铭量为1330%。从牌号来看,主要有 0Cr13、Cr17、Cr25 型。Cr13型由于含铭量相对较低,只有在很低的含碳两时才能保持铁素体。0Cr13的含碳量00 01%,基体是铁素体。这类钢由于含碳量低,铭量也低刚超过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型由于含铭量较高,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。含铭2528%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
11、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。在含铭超过 15%时,在4005000c围停留较长时间后,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 素体中析出富铭的相,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脆性具有复原性,可以通过加热至 6006500c保温1h后快冷予以消除。3 b现汇的析出。 铁-铭合金中,成分
12、相当于45%铭的合金在温度低于 8200c时,出现b相FeCr。随着温度的降低,相存在的围逐渐扩大。在相与a相之间还存 在较宽的两相区。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。钢中析出相还可能引起晶间腐蚀。相是 在8006000c围长时间加热形成的,如果合金从高温以较快的速度冷却, 可抑制相的生成。2马氏体不锈钢马主要有Cr13、Cr17型两种。铭量到达13%时,铭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,丫区将随之扩 大,故当Cr13型不锈钢中的含碳量0o 1%后,在加热过程中将发生a -丫 的相变,冷却后得到马氏体组织
13、,见图12-&假设进展8160c退火,那么得到铁素体+细粒状碳化铭,见图12-7。当含碳量超过00 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展强化。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 1Cr1& 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、辗珠轴承、柱塞等,或在 4004500c工作的
14、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,大量的铭仍保持在周 溶体中,所以耐蚀性能较高;高温回火事,由于固溶体分解,析出碳化铭 而造成附近的贫铭区重新获得铭浓度的平衡,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,碳化铭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。假设要求高
15、的硬度,取2002500c低温回火;假设要求热强度,那么取 6007500c高温回火。在4006000c围回火,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,因此应防止在此温度区间回火。这类钢中还包括2%的1Cr17Ni2钢。由于2%锲的参加,钢的基体组织由单相铁素体过渡到a + 丫两相组织淬火时丫相转变为马氏体。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拟,奥氏体不锈钢除了具有很高
16、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a丫相变,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。止匕外,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,使切削加工较难进展。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4008000c温度围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铭量低于为保证耐蚀性所需要的最低量11。7%,从而引起品间腐
17、蚀。为防止晶间腐蚀,可采取固溶处理、降低钢的含碳量、 参加形成稳定碳化物的钛和锂等方法。18-8型不锈钢的热处理有三种方式。1周融处理固溶处理温度一般为 105g 11500C,钢的含碳量越高,固溶处理温度也越高。在加热不锈钢时,既应阻止外表氧化,也应防止外表增碳。因为增碳的结果使钢的晶间腐蚀倾向增大。关于保温时间,推荐表 1所列的数据加热保温后,薄壁零件可以空冷,其它均可进展水冷。缓慢冷却将在晶界析出过剩碳化物相,从而降低耐蚀性。固溶处理后得到单一的奥氏体组织亵12J 18型不锈钢的保温时间尿浸或宣税/卬1-34T113-25>25保盘时阊/min515n601 固溶处理后,钢具有最低
18、的强度和硬度,故是最大的软化处理,可以被切削加工;固溶处理后,钢具有最大的耐蚀性,是防止品间腐蚀的重要手段;固溶处理还可以消除因压力加工、焊接等引起的应力,恢复塑性。2消除应力处理为消除切削加工后的剩余应力,通常采用 3003500c的消除应力退火,保温12h后空冷。3稳定化处理钢中参加钛或钥可消除品间腐蚀,但它们的效果必须通过稳定化处理后才能保证。稳定化处理的工艺;将钢加热至 8509000C,保温2h,空冷。单纯的固溶处理使铭的碳化物全部溶入奥氏体中,吠和花的碳化物那么局部溶入奥氏体中,如经4008000c加热,溶入奥氏体中的碳大局部以Cr23C6形式析出,钛、锂固定碳的作用得不到发挥,品间腐蚀仍然发生。如果将温度提高到高于 Cr23C6的溶解温度,且又是碳化钛强烈析出的温度8509000C,保温2h,就能保证
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