沉淀硬化不锈钢及其在阀门上的应用

1、沉淀硬化不锈钢及其在阀门上的应用摘要 介绍了沉淀硬化不锈钢的种类，沉淀硬化机理及阀门生产中常用的沉淀硬化不锈钢。 关键词 沉淀硬化；不锈钢；阀门1 概述沉淀硬化不锈钢是20世纪40年由美国钢铁公司等相继开发出的钢种。其经过沉淀硬化热处理后强度高，塑性和耐蚀性优于其他不锈钢。2 分类沉淀硬化不锈钢根据其基本的金相组织可以分为马氏体型、半奥氏体型和奥氏体型3类。2.1 马氏体型沉淀硬化不锈钢通常是在马氏体状态下供应,经过简单的时效处理进行沉淀硬化。马氏体沉淀硬化不锈钢的性能可以通过马氏体形成与沉淀硬化机理中的一种或两种共同作用来获得，它是沉淀硬化不锈钢中应用最广泛的钢种。2.2 半奥氏体型半奥氏体

2、型不锈钢的基体是奥氏体且含5%20%的铁素体,硬化前通过特殊热处理,使奥氏体转变成马氏体然后进行时效处理。半奥氏体不锈钢可以加工成各种产品，但主要用于平轧薄板和带材，此沉淀硬化不锈钢在阀门产品中一般不采用。2.3 奥氏体型奥氏体型不锈钢是在奥氏体状态下供应的,这类钢极少采用。3 沉淀硬化机理沉淀硬化机理是因为金属材料中第二相粒子从过饱和固溶体里析出而引起应变，从而引起金属点阵的强化。造成最大强化是在形成可见的第二相粒子之前，这个阶段称为析出孕育阶段。在这个阶段，要析出来形成第二相的原子，倾向于成群地堆积，它们与母相保持连续的共格的联系，就在这个时候发生了最大的应变，从而产生了最大的强化。沉淀硬

3、化处理有两个作用。消除马氏体的应力，增加韧性、塑性和耐蚀性。通过析出金属间化合物而增加硬化效果。不锈钢的沉淀硬化是复杂的热处理过程。研究发现，当沉淀硬化自理加热时，马氏体中的铝以Ni-Al金属间化合物的形式析出，析出的数量取决于反应的时间和温度。但是当析出群长到临界尺寸时，在两相之间形成了界面而与母相失去了共格关系，从而减弱了点阵的应变，降低了强度，这种现象叫“过时效现象”。半奥氏体钢的沉淀硬化热处理可采取几种途径。在标准的1400°F（760）奥氏体调整处理之前，在1950°F（1063）进行完全的固溶处理。利用1750°F（953）调整处理可以消除应变，使马氏

4、体重新转变为奥氏体，同时调整奥氏体，使奥氏体冷到100°F（73）完全转变为马氏体，这样在下一步时效硬化时，可获得足够的力学性能。同许多相变过程一样，沉淀硬化是由时间和温度决定的，较高的温度比较低的温度产生最高强度的速度快，便产生的强度值低（表1）。屈服强度热处理 （0.2%残余变形） 抗拉强度 延伸率先 硬度Mpa Mpa % HRC退火 655 980 5 26淬火,950°F(510) 1378 1447 5 46淬火,1000°F(535) 1309 1378 5 42淬火,1050°F(565) 1171 1309 7 39注：在1850195

5、0°F（10081063）退火，然后空冷。退火的材料加热到规定的温度，1/2h，后空冷。4 马氏体沉淀硬化不锈钢在产量上多于其他的沉淀硬化不锈钢，是沉淀硬化不锈钢中应用最普及的一类，其产品主要有铸件及棒材、盘条、线村、厚大锻件和薄板，调整其化学成分中的“镍当量Ni%”和“铬当量Cr%，能够使材料在固溶处理后冷至室温时仍以马氏体状态存在而不含奥氏体。马氏体沉淀硬化不锈钢通常可分为中强度级别抗拉强度200 000psi(1379Mpa) 高强度级别抗拉强度200 000psi(1379Mpa)。表2给出了有代表性的中强度钢和高强度钢的公称化学成份，表3给出了有肛表演性的中强度钢和高强度钢

6、的力学性能。这些钢的相变规律都很相似，从800850°F（426454）直至1250°F（675）进行时效硬化。表2 几种马氏体沉淀硬化不锈钢的化学成分钢种 C Mn Si Cr Ni Mo Al Cu Ti Nb 中强度17-4PH 0.04 0.30 0.60 16.0 4.2 3.4 0.25 15-5PH 0.04 0.30 0.40 15.0 4.5 3.4 0.25 Custom450 0.03 0.25 0.25 15.0 6.0 0.8 1.5 0.3 W不锈钢 0.06 0.50 0.50 16.75 6.25 0.2 3.4 0.8 0.25 高强度PH

7、13-8Mo 0.04 0.03 0.03 12.7 8.2 2.2 1.1 3.4 0.25 Custom455 0.03 0.25 0.25 11.75 8.5 0.8 2.5 1.2 0.3 注: Armco钢铁公司的注册商标。Carpenter技术公司的商标。美国钢铁公司的商标。表3 几种马氏体沉淀硬化不锈钢的力学性能马氏体沉淀硬化不锈钢中17-4PH和W不锈钢有两种相结构,即在马氏体基体上有条状铁素体,它的含量一般为10%左右,低于半奥氏体沉淀硬化不锈钢.在沉淀硬化热处理后,铁素体会使整个厚度方向的强度变差,对厚截面件影响更明显。所以，15-5PH、Custom450、PH13-8M

8、o和Custom455基本上不含铁素体，改善了厚截面件沿整个厚度方向上的性能。表4给出了马氏体沉淀硬化不锈钢热处理时通常使用的符号和工艺。在大多数情况下，由于时效硬化处理的温度低，热处理后尺寸变化很小（有资料指出，名义上大约收缩0.005in./in.(0.005mm/cm00)），所以热处理前它们几乎可以加工到最终所需要的尺寸。表5列出的沉定硬化不锈钢提供了其他材料所不具备的加工性、强度、容易进行热处理和耐蚀性等综合性能。表5 沉淀硬化不锈钢注: 该合金只有铸件。5 性能分析为了对比沉淀硬化不锈钢与非沉淀硬化不锈钢力学性能的差别，选用沉淀硬化不锈钢17-4PH与CF8（304）和CF8M（3

9、16）的常温力学性能作一比较（表6）注：ASTM A351标准中未作要求。由于沉淀硬化不锈钢具有优异的力学性能，所以，许多设计院和阀门制造厂均选用沉淀硬化不锈钢17-4PH作高压球阀及煤化工气化炉的灰浆系统和黑水系统用球阀的阀杆及固定轴等。如采用（双相）沉淀硬化不锈钢CD-4Mcu合金的屈服强度约为19Cr-9Ni奥氏体不锈钢的2倍,并且具有高硬度和良好的塑性和冲击韧性,特别适合于腐蚀(包括磨蚀和冲刷)工作条件下使用,它广泛用于氧化和还原的强酸工况中,在有氯离子的环境中具有特殊的抗应力腐蚀开裂的性能。但是，所有的沉淀硬化不锈钢在550°F（288）以上停留数千小时后，都倾向于变脆。因此，所有的沉淀硬化不锈钢的最高使用温度应限制为600°F（316）。6 结语应采用马氏体沉淀硬化不锈钢17-4PH等制造高压