第四节 特殊性能钢

第四节特殊性能钢特殊性能钢用于制造在特殊工作条件或特殊环境（如腐蚀介质、高温等）下具有特殊性能要求的构件和零件的钢材，称为特殊性能钢。牌号的表示法与合金工具钢相同，只是当平均含碳量≤0.08%时用“0”表示；平均含碳量≤0.03%时用“00”表示。一、不锈钢不锈钢是不锈钢和耐酸钢的总称。所谓“不锈钢”是指能抵抗大气及弱腐蚀介质的钢；而“耐酸钢”是指在各种强腐蚀介质中耐蚀的钢。1.金属腐蚀的概念腐蚀：金属与合金在外界介质（大气，水，含有酸、碱、盐类的溶液等）的作用下引起的破坏，称为腐蚀。⑴化学腐蚀：是金属直接与周围介质发生纯化学作用的结果。如金属在高温下的氧化、金属的生锈等。腐蚀产物能够覆盖在金属表面并起防护作用，是化学腐蚀的重要特点。⑵电化学腐蚀：电化学腐蚀是由于金属的电极电位不同，在电解质溶液中阳极金属发生溶解的结果。这种腐蚀的特点之一，是在腐蚀过程中有电子的移动。腐蚀产物不起防护作用，是电化学腐蚀的另一个重要特点。电化学腐蚀与金属的电极电位有关，电极电位的高低，决定着金属转入溶液的能力。铁被腐蚀的电化学过程2.电极电位与腐蚀电池⑴标准电极电位：金属的标准电位排列顺序如下：镁（-1.55伏）、铝（-1.3伏）、锰（-1.10伏）、锌（-0.762伏）、铬（-0.51伏）、铁（-0.439伏）、镍（-0.23伏）、锡（-0.136伏）、铅（-0.127伏）、氢（0伏）、铜（+0.344伏）、银（+0.7996伏）、金（+1.50伏）。金属的电极电位的负值愈大，该金属愈容易转变为离子状态，亦即电化学稳定性愈小。⑵异种金属接触电池：两种成分不同的材料在电解液中，由于电极电位不同阳极金属发生腐蚀。在设计上要尽可能地不使电极电位相差很大的材料相接触。⑶微电池：金属与合金内部成分的偏析，组织不均匀性及内应力构成的腐蚀电池。⑷钝化现象：钝化是由于阳极反应被阻止，而引起的金属与合金耐腐蚀性能提高的现象。3.腐蚀破坏的类型⑴一般腐蚀：这种腐蚀发生在金属或合金的整个表面，使截面不断减小，当被腐蚀的是受力零件时，由于腐蚀的结果使零件的有效截面不能承受全部载荷时遂告破坏。⑵晶间腐蚀：是一种选择性的腐蚀破坏，但与一般的选择性腐蚀不同的是，腐蚀不是从局部表面开始的，而是集中发生在金属的晶界区。因此，有时从外观上不易察觉，但由于晶界区因腐蚀遭到破坏，材料强度几乎完全丧失，稍经受力即沿晶界断裂，所以晶间腐蚀是一种危害性很大的腐蚀破坏。晶间腐蚀在铬镍奥氏体不锈钢与高铬铁素体不锈钢中均可见到，两者表现虽相同，但在机理上完全不同。①不使碳化铬析出②改变析出的碳化物的性质③改变晶界上碳化铬析出的数量及分布状态④延长敏化加热时间消除铬镍奥氏体不锈钢晶间腐蚀的方法如下晶间腐蚀示意图⑶点腐蚀：点腐蚀是金属表面局部区域的腐蚀破坏，首先形成腐蚀坑，然后向内部发展，甚至贯穿整个截面。点腐蚀是不锈钢常见的腐蚀破坏类型之一，向不锈钢中加入钼可使之对点腐蚀具有较大的抵抗力。⑷应力腐蚀：应力腐蚀是介质与应力共同作用下引起的腐蚀破坏，应力腐蚀破坏的特征是断口呈脆性破坏，马氏体与奥氏体不锈钢均可产生应力腐蚀，以奥氏体不锈钢最敏感。消除不锈钢应力腐蚀的敏感性的主要手段是消除应力处理。⑸腐蚀疲劳：腐蚀疲劳也是腐蚀与应力共同作用的结果，不同的是应力腐蚀是在张应力作用下发生与发展的，腐蚀疲劳则是在交变应力下引起的。断口保留疲劳破坏的特征。4.金属的防腐蚀方法1．金属镀层镀锡镀锌镀镉镀铬钢的镀层示意图a)阳极镀层；b)阴极镀层2．阴极保护3．磷化4．发蓝、发黑5．阳极化6．涂漆层7．涂防蚀油膏5.不锈钢的种类及特点⑴马氏体型不锈钢：这类钢含碳量较高，铬含量大于等于13%，在正常淬火温度下是纯奥氏体组织，冷却后得到马氏体组织，是不锈钢中机械性能最高的钢种。因为它们可以淬火强化，故机械性能可根据回火温度不同在很大范围内变化，特别是经调质处理后，能获得较好的强度与韧性配合，因此主要用于受力较大的重要的机械零件。马氏体型不锈钢主要是在氧化性介质中，如大气、水蒸气、淡水、温度不超过30℃的盐水溶液、食品介质以及浓度不高的有机酸中有较好的耐蚀性能。但在强酸中，马氏体型不锈钢的耐蚀性能很低。2Cr13钢淬火后的显微组织（马氏体）典型的马氏体型不锈钢⑵奥氏体型不锈钢：含镍8%～25%，含镍量愈高奥氏体愈稳定。典型的铬镍奥氏体不锈钢有18-8、18-12、25-12、25-20、20-25Mo等类型（前一组数字为平均含铬量，后一组数字为平均含镍量）。以锰代替部分镍并添加氮的低镍不锈钢也可以获得纯奥氏体组织。奥氏体型不锈钢具有很好的耐蚀性，亦称耐酸钢。主要用于制造在强腐蚀性介质（如盐酸、硝酸、冷磷酸、盐、碱性溶液等）中工作的零件。奥氏体型不锈钢强度不高，也不能淬火强化，但它们可通过冷加工提高强度，在室温及低温下有很高的塑性与韧性。1Cr18Ni9Ti钢固溶处理后的显微组织（奥氏体）典型的奥氏体型不锈钢⑶铁素体型不锈钢：含铬大于14%的低碳铬不锈钢，含铬27%以上的任何含碳量的铬不锈钢，以及在高铬不锈钢的基础上再添加有铝、钛、铌等元素的不锈钢。这类钢因含铬量高，在氧化性酸中有良好的耐蚀性。铁素体不锈钢是各类不锈钢中机械性能最低的，在加热和冷却时几乎没有γ→α的转变，因而不能用相变强化。同时由于这类钢的晶粒易粗化，含铬高使冷脆转变温度提高，以及475℃脆性与σ相脆性等原因，使它们具有较大的脆性倾向，故这类钢多用于工作应力不大的静载荷零件与结构。1Cr27Ni5Mo1.5钢固溶处理后的显微组织（铁素体基体+粒状奥氏体+黑色碳化物）典型的铁素体型不锈钢5.热处理特点⑴淬火+回火主要作为马氏体不锈钢的最终热处理。用作高强度结构零件时进行调质处理，如1Cr13、2Cr13。用作弹簧时进行淬火和中温回火处理，如3Cr13。用作医疗器械、刃具、量具和轴承时进行淬火和低温回火处理，如4Cr13、7Cr17、11Cr17等。⑵固溶处理常用于奥氏体不锈钢。将钢加热至1050～1150℃，使碳化物充分溶解，随后通过水冷，把单相奥氏体保留至室温，以提高钢的韧性。⑶稳定化处理对于含Ti或Nb的奥氏体不锈钢，经固溶处理后再进行一次稳定化处理（850～880℃，6h，缓冷），其目的在于消除晶间腐蚀。二、耐热钢用于制造在再结晶温度以上工作的零件及构件所用的钢，称为耐热钢。钢的耐热性包括高温抗氧化性和高温强度两方面的含义。高温抗氧化性是指钢在高温下对氧化作用的抗力，而高温强度是指钢在高温下承受机械负荷的能力。1.耐热钢的抗氧化能力Cr、Al、Si等元素在高温下可在钢的表面形成一层结构致密的氧化膜，提高钢的抗氧化能力。温度的影响：随着温度的升高，材料的强度逐渐下降，塑性逐渐增加。载荷时间的影响：随着温度的升高，材料强度随时间的增加而不断下降，温度越高，时间的影响作用越大。组织变化的影响：材料在高温长时间作用下，金属的组织将向更稳定的状态转化，组织状态的变化会伴随着强度的下降。2.耐热钢的高温强度材料在高温下的力学性能指标蠕变：当工作温度高于金属的再结晶温度，工作应力超过金属在该温度下的弹性极限时，随着时间的延长，金属发生极其缓慢的变形直至断裂，这种现象称为“蠕变”。金属对蠕变抗力愈大，即表示金属高温强度愈高。要想完全消除蠕变现象，必须使金属的再结晶温度高于材料的工作温度，或增加弹性极限，使其在该温度下高于工作应力。①蠕变极限：金属在给定温度下和规定的时间内，产生一定的蠕变变形量时所能承受的最高应力。用于在高温下工作，精度要求又高的零件。②持久强度：金属在给定温度下和规定的时间内引起断裂的应力。用于在高温下工作时间较短，不允许发生断裂的工件。耐热钢牌号、热处理范围及用途三、耐磨钢某些机械零件，如挖掘机、拖拉机、坦克的履带板，球磨机的衬板等，在工作时受到严重磨损及强烈撞击。因而制造这些零件的钢除了应具有良好的韧性外，还应具有良好的耐磨性。在生产中应用最普遍的是高锰钢，由于它机械加工困难，通常都是铸造成型。铸造高锰钢的牌号为ZGMn13。ZGMn13铸态组织（奥氏体基体+碳化物+点状夹杂）水韧处理：是把钢加热到临界点温度以上（1000～1100℃），保温一段时间，使钢中碳化物全部溶入到奥氏体中去，然后迅速地把钢浸入水中冷却。水韧处理时，由于冷却速度快，碳化物来不及从奥氏体中析出，因而获得全部奥氏体。当零件在使用中受到剧烈冲击或较大压力作用时，其表面产生加工硬化，硬度可提高到450～550HBW。这样表层具有良好的耐磨性，而心部奥氏体又具有足够的韧性。高锰钢在使用中，必须伴随外来的压力和冲击作用，否则高锰钢是不耐磨的。高锰钢广泛应用于既耐磨损又耐冲击的一些零件，也可用于既耐磨损又抗磁化的零件。