马氏体不锈钢

第四节马氏体不锈钢这类钢具有高的强度和耐磨性，可以用于制造机械零件、医用手术工具、测量工具、不锈轴承、弹簧等。‡马氏体不锈钢含12～18％Cr,和铁素体不锈钢相比，其成分特点是：除铬的上限含量较低外；还含有一定量的碳和镍等γ相稳定化元素。这类高铬钢在加热时有较多或完全的γ相出现；‡因γ稳定化元素含量不多，Ms点在室温以上，故淬火冷却能产生马氏体,因此称为马氏体类不锈钢。‡这类钢具有高的强度和耐磨性，可制造机械零件、医用手术工具、测量工具、不锈轴承、弹簧等。‡这类钢的耐蚀性、塑性、焊接性较奥氏体、铁素体不锈钢要差，但有较好的机械性能和耐蚀性的结合，是机械工业中广泛使用的一类钢。一、钢种和成分‡马氏体不锈钢主要有三类：‡①中、低碳的13％Cr钢；如1Cr13、2Cr13等，可用于制造机械结构件。‡②高碳的18％Cr钢；如9Cr18等，可用于制造手术工具。‡③低碳的17％Cr-2%Ni钢；如1Cr17Ni2等，用于制造高强度耐蚀件。耐蚀性最好的。可加入Mo、V以提高硬度而形成了3Cr13Mo、9Cr18MoV钢；加Ni提高耐蚀性的同时，还提高钢的强、韧性；加S、Se可以改善其切削加工性能，如1Cr13S、4Cr13Se。二、平衡组织13％Cr的马氏体不锈钢的平衡组织，可由图5-13来进行分析。图5-13Fe-Cr-C相图在12%Cr处的垂直截面图3Cr13钢在冷却过程中的相变化：C+γ→γ→γ+α→α+γ+(Cr,Fe)7C3→α+(Cr,Fe)7C31Cr13钢，在高温时有α相，温度降低，α相部分转变为γ相，1100℃-950℃钢中具有最多的γ相；温度再降低，又处于α+γ两相区，随着温度的下降，γ相转变为α相，并析出碳化物。室温下的平衡组织为α+(Cr,Fe)4C。4Cr13钢高温处于γ单相区，冷却过程中首先析出(Cr,Fe)7,C3。在800℃-860℃产生共析分解，室温下的平衡组织为α+(Cr，Fe）7C3三、Cr13型马氏体不锈钢的热处理‡Cr13型马氏体不锈钢能在淬火过程中发生马氏体转变，可以获得热处理强化，所以这类钢可进行多种热处理，以控制和调节这种相变，满足不同的机械性能要求。‡这类钢由于含铬量较高，过冷奥氏体较稳定。所以这类钢的淬透性很高，空冷即可获得马氏体组织。这类钢通常采用的热处理，有软化处理、球化退火、淬火+高温回火(调质)、淬火+低温回火等。1、软化处理：钢经锻轧后，由于空冷即会产生马氏体转变，使锻件变硬，在锻件表面产生裂纹，同时也不易切削加工。因此，这类钢锻后应缓冷，并及时进行软化处理：一种是进行高温回火，一种是完全退火,‡高温回火：将锻件加热到700℃-800℃保温2h-6h后空冷，马氏体转变为回火索氏体，从而降低硬度。‡完全退火：将锻件加热到840℃-900℃（常用860℃），保温2h-4h后，以小于25℃/h的冷却速度冷却到600℃以后空冷，1Cr13、2Cr13的硬度可降低到170HB以下；3Cr13、4Cr13可降到217HB以下。‡生产中常将球化退火和软化退火合并进行（有时也称为重结晶退火）。退火后的组织为铁素体基体上分布着碳化物及晶界上网状分布着的碳化物颗粒。2、调质处理：一般不锈钢结构件，常用调质处理，以获得高的综合机械性能。‡1Cr13在950℃-1100℃温度区间内铁素体减到最少，故淬火加热温度最好为980℃-1050℃。淬火后的组织为少量铁素体+低碳马氏体。2Cr13在950℃-1150℃温度得到单相奥氏体组织，淬火后能获得马氏体组织+极少量的残余奥氏体。‡回火：1Cr13为650℃-700℃，2Cr13为640℃-700℃，回火索氏体。3、淬火、低温回火：‡3Cr13、3Cr13Mo、4Cr13的热处理通过淬火+低温回火，可获得高硬度和耐磨性。‡1000℃-1050℃温度范围内淬火。淬火时为了减少变形，可用硝盐分级冷却，淬火后将得到马氏体+碳化物+少量的残余奥氏体。4Cr13淬火及低温回火后的硬度，刃部为50-54HRC，其余部分为40-45HRC。第五节奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢是含有铬和较多的稳定奥氏体元素镍、锰、氮，使用状态为奥氏体的一种不锈钢。图1-3铁-铬相图（封闭γ相区）图1-1铁-镍相图（开启γ相区）‡奥氏体不锈钢耐蚀性高，而且有高的塑性，易于加工成形为各种形状的钢材，具有良好的焊接性能、韧性和低温韧性，无磁性等。‡是应用最广泛的耐酸钢，约占不锈钢总产量的2/3。一、钢种和成分：‡奥氏体不锈钢是以18％Cr-8%Ni典型成分而发展起来的。18％Cr-8%Ni含量正好处于奥氏体形成的成分范围。‡同时，Cr、Ni总量达26％时，不锈钢的耐蚀性电位接近n/8规律中n=2的电位值，这样既得到了单相奥氏体,又得到好的钝化性能，使耐蚀性达到了较高的水平。‡由于这两方面的原因，18-8的成分成为国际奥氏体不锈钢的主要成分。二、奥氏体不锈钢的平衡组织‡18-8型奥氏体钢平衡态时为奥氏体＋铁素体＋碳化物复相组织，实际的单相奥氏体是通过热处理的配合获得的。在高温有一个含碳量较宽的奥氏体相区，碳在奥氏体中溶解度随温度沿ES线变化。缓冷时沿ES线碳以合金碳化物的形式析出,主要为(Cr,Fe)23C6。缓冷至SK线以下还要发生γ→α相变，部分γ转变为α，平衡态时,18-8奥氏体钢在室温下的组织是γ+α+C。当加热到ES线以上时，(Cr,Fe)23C6等又可完全溶入奥氏体，经淬火就可获得碳、合金元素在γ相中过饱和的固溶体。图5-14Fe-Cr-Ni相图上含18%Cr、8%Ni处的垂直截面三、奥氏体不锈钢的晶间腐蚀‡自二十年代工业界采用奥氏体不锈钢以来，发现这种钢焊接后，在腐蚀介质中工作时，在离焊缝不远处会有严重的晶间腐蚀。这是由于焊接时焊缝周围有一个温度为450～800℃的过渡区，这一温度导致沿晶界析出(Cr,Fe)23C6,从而使晶界产生贫铬区。沿晶界析出Cr23C6过程可见图5-15。图中显示，在晶界上由于生成了碳化铬，晶界附近的铬含量降低，耐腐蚀下降。图5-15晶间腐蚀贫铬现象示意图‡在铬镍钢中,如果该钢在450～800℃的温度下工作,或人工在这温度下进行时效处理，也会得到由于焊接加热而产生的同样的效果。这种时效处理会导致不锈钢晶间腐蚀的敏感性，所以又称敏化处理。‡敏化处理和敏感性关系用(Time-Temperature-Sensitivation)曲线来表示，如图5-16图5-16奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀的TTS图曲线1表示钢开始产生晶间腐蚀倾向；曲线2表示此时由于时间充分晶间腐蚀倾向已不出现。Cr18Ni12奥氏体不锈钢中含碳量到达0.084%时，就有晶间腐蚀倾向，当含碳量增加时，钢的晶间腐蚀倾向急剧增加。‡工程上为防止奥氏体钢晶间腐蚀现象，可采取如下措施：‡①降低钢中碳含量；‡②在钢中加稳定碳化物形成元素(Ti、Nb)，与碳结合析出特殊碳化物，消除晶间贫铬区。‡③钢经1050～1100℃加热淬火，保证固溶体中碳和铬的含量。‡④对非稳定性钢进行退火，使奥氏体成分均匀化，消除贫铬区；对稳定性钢，将铬的碳化物转变为钛、铌的特殊碳化物，保证耐蚀所需要的固溶体含铬水平。四、奥氏体不锈钢的热处理‡为了获得均匀的单相奥氏体组织，需要进行淬火处理；‡为了消除由于焊接、热加工和其他工业操作中造成的应力和晶间腐蚀倾向，通常采用淬火，再退火处理。‡淬火处理时淬火温度必须高于碳化铬的溶解温度(Tp)一定温度。‡因此钢中碳量愈高，淬火温度应愈高.淬火后的钢，即具有优越的强度性能和耐蚀性的配合。‡淬火的缺点是必须加热到高的温度和快速冷却，这在工艺上常常很难实现。‡对于不含钛、铌稳定化元素的钢进行退火，可以提高奥氏体-碳化物晶界铬的浓度，使钢具有高的抗晶界腐蚀性。‡对于用钛、铌合金化的钢进行退火，能够将碳化铬转变成特殊碳化物TiC或NbC,这样也就消除了晶间腐蚀倾向。‡1)固溶处理---是将含C0.25％的18－8型钢加热至1000～1150℃，碳化物全部溶解到奥氏体中，然后快速冷却获得单相奥氏体组织。‡含碳量偏高取上限温度，含碳量偏低时取下限温度。固溶处理后的冷却方式，对于薄壁件可采用空冷，一般情况多采用水冷。‡2)稳定化处理---是将含Ti、Nb的奥氏体不锈钢经固溶处理后，再经850～900℃保温1～4h空冷的处理。其目的是使大部分Cr碳化物溶解，而使TiC、NbC部分保留，不会在晶间沉淀出Cr23C6。达到防止晶间腐蚀的效果。‡3）去应力处理---是消除钢在冷加工或焊接后的残余内应力的热处理工艺。一般加热至300～350℃回火。不含稳定化元素Ti、Nb的钢，加热温度不超过450℃，以免析出Cr碳化物而引起晶间腐蚀。对于超低碳和含Ti、Nb不锈钢的冷加工件和焊接件，需在500～950℃加热，然后缓冷消除应力，可以减轻晶间腐蚀倾向，并提高钢的应力腐蚀抗力。‡五、铬锰及铬镍锰奥氏体不锈钢‡1．Cr-Mn奥氏体不锈钢‡2．Cr-Mn-N奥氏体不锈钢‡3．Cr-Mn-Ni奥氏体不锈钢第六节双相不锈钢‡一、铁素体-奥氏体型不锈钢‡奥氏体不锈钢抗应力腐蚀性能较低，而铁素体不锈钢抗应力腐蚀能力较高。如果在奥氏体中引进铁素体，则双相的铁素体-奥氏体不锈钢将明显地有较高的抗应力腐蚀能力；其次，双相钢又兼有奥氏体钢和铁素体钢的特征，即奥氏体的存在降低了高铬铁素体钢的脆性，提高了可焊性、韧性，降低了晶粒长大的倾向；第三，铁素体相的存在又提高了奥氏体钢的屈服强度、抗晶间腐蚀能力。二、奥氏体-马氏体型不锈钢（超高强度不锈钢）‡飞机、飞船、火箭等飞行器表面温度到200℃以上，铝合金已不能适应，需要用能耐热的高强度不锈钢来代替。抗拉强度至少要达到1100MPa以上。‡在三类单相不锈钢中，铁素体型不锈钢的强度不够；马氏体型不锈钢在热处理状态下难以加工，若在较软的状态下加工成复杂形状后，则热处理性能较差；奥氏体不锈钢虽然可以通过低温加工来提高强度，但加工获得的强度波动大，温度较高时又难以保持，且容易受热软化。‡设计思想：在室温时基体为奥氏体组织，在加工成形后，通过低温处理将奥氏体转变为马氏体，而又不使复杂零件变形，然后通过较低温度的沉淀硬化处理，使马氏体进一步强化，因而发展了奥氏体-马氏体不锈钢。这类钢在淬火后有不稳定的奥氏体组织，它能在冷处理或塑性变形过程中产生马氏体转变。组织中奥氏体、马氏体量之比决定钢的性能，因此，钢的合金元素的含量和热处理决定着钢的强度性能的变化。