材料与热处理(项目十一)

项目十一其他性能钢11.1不锈钢11.2耐热钢11.3耐磨钢11.1不锈钢不锈钢指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学侵蚀性介质腐蚀的钢，又称不锈耐酸钢。实际应用中，常将耐弱腐蚀介质腐蚀的钢称为不锈钢，而将耐化学介质腐蚀的钢称为耐酸钢。下一页返回11.1不锈钢11.1.1金属腐蚀的概念腐蚀是指金属(或合金)跟周围接触到的气体(或液体)反应而腐蚀损耗的过程。腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种。钢在高温下的氧化属于典型的化学腐蚀，而钢在常温下的氧化主要是属于电化学腐蚀。金属抵抗高温氧化性气氛腐蚀的能力称为抗氧化性，含有铝、铬、硅等元素的合金钢在高温时能形成比较致密的氧化铝、氧化铬、氧化硅等氧化膜，能阻挡外界氧原子的进一步扩散，提高了钢的抗氧化性。有时利用渗铝、渗铬等表面化学热处理方法，可使碳钢获得良好的抗氧化性。上一页下一页返回11.1不锈钢1.化学腐蚀金属与介质(干燥气体和非电解质溶液)发生化学反应而产生的腐蚀。例如:高温氧化、脱碳等。2.电化学腐蚀金属在电解质溶液(即酸、碱、盐溶液)中发生电化学反应，形成了原电池或微电池，使金属遭到腐蚀(如图11-1)。例如，珠光体组织在硝酸酒精溶液中的腐蚀主要就是一种电化学腐蚀的结果。珠光体中的两个相一铁素体及渗碳体的电极电位不同。若将它置于硝酸酒精溶液中，铁素体相的电极电位较低，成为阳极而被腐蚀;渗碳体相的电极电位较高，成为阴极而不被腐蚀。上一页下一页返回11.1不锈钢这样就使原来已经被抛光的磨面变得凹凸不平，如图11-1所示，图中凸出部分为渗碳体，凹陷部分为铁素体，二者相比，电极电位较高的渗碳体具有较好的耐蚀性。由两相组成的组织越细，所能形成的原电池数目就越多，在相同条件发生电化学腐蚀时就越容易被腐蚀，即它的耐蚀性越差;反之，则耐蚀性越好。上一页下一页返回11.1不锈钢11.1.2金属的防腐措施电化学腐蚀是金属腐蚀的主要形式，要提高金属的耐蚀性，一方面要尽量使合金在室温下呈单一均匀的组织;另一方面要提高材料本身的电极电位。通常采取以下具体措施:(1)覆盖层保护，涂漆、电镀等工艺。(2)加入合金元素Cr,Al,Si等形成Cr2O3,SiO2,Al2O3等氧化膜，把金属与介质分开，防止进一步腐蚀。(3)加入合金元素Cr,Ni,Si等，提高金属基体的电极电位以保护钢基体不被腐蚀。(4)加入合金元素Mn,Ni,C。等能扩大区，可在室温获得奥氏体钢;加入合金元素Cr,Mo,W,V,Ti,Si等能扩大。上一页下一页返回11.1不锈钢区可在室温获得铁素体钢，这样保持单相组织以减少形成微电池的可能性。(5)减少与消除钢中的各种不均匀现象:偏析、应力、组织等。(6)镶嵌一些比金属或合金基体电极电位更低的金属块，这样牺牲阳极保护阴极。上一页下一页返回11.1不锈钢11.1.3常用不锈钢1.铬不锈钢铬不锈钢要有1Cr13,2Cr13,3Cr13,4Cr13,1Cr17等，其化学成分、热处理、力学性能如表11-1所示。Cr13型不锈钢中得平均含铬量为13%，主要作用是提高钢的耐蚀性。基体中含铬量不小于11.7%的含铬不锈钢能在阳极(负极)区域基体表面上形成一层富铬的氧化物保护膜，用于阻碍阳极区域的反应，并提高电极电位，减缓基体的电化学腐蚀过程，使含铬不锈钢获得一定的耐蚀性。这种使金属中阳极区域的反应受到阻碍而使金属耐蚀性(抗电化学腐蚀)提高的现象称为“钝化”。上一页下一页返回11.1不锈钢不锈钢主要是在氧化性介质中才有耐蚀作用。例如1Cr13,2Cr13钢在大气、水蒸气中具有良好的耐蚀性，在淡水、海水、温度不超过30℃的盐水溶、液硝酸、食品介质以及浓度不高的有机酸中，也具有足够的耐蚀性，但在酸性介质中耐蚀性却是很低的。随着钢中碳含量的增加，其耐蚀性将下降，其原因是:铬的碳化物(Cr,Fe)23C6。增多，基体中铬含量减少;铬碳化物与基体具有不同的电极电位，它们彼此间形成原电池，随钢中含碳量的增加，所形成的原电池数目相应增多。1Cr13,2Cr13钢常用来制造汽轮机叶片、水压机阀、结构架、螺栓、螺帽等零件，但2Cr13钢的强度稍高，而耐蚀性差些。上一页下一页返回11.1不锈钢1Cr13和2Cr13钢都是在调质状态下使用的，回火索氏体组织具有良好的综合力学性能，其基体(铁素体)含铬在11.7%以上，具有良好的耐蚀性。3Cr13钢常用于制造要求弹性较好的夹持器械，如各种手术钳及医用镊子等;而4Cr13钢由于其含碳量稍高，适合于制造要求较高硬度和耐磨性的外科刃具，如手术剪、手术刀等。2.镍铬不锈钢18-8型镍铬不锈钢相当于我国标准钢号中的18-9型铬镍不锈钢，在国标中共有5个钢号:OCr18Ni9,1Cr18Ni9,2Cr18Ni9,OCr18Ni9Ti和1Cr18Ni9Ti。其化学成分、热处理，力学性能及用途如表11-2所示。上一页下一页返回11.1不锈钢铬镍不锈钢属于奥氏体型不锈钢，其强度、硬度均很低，无磁性，塑性、韧性及耐蚀性均较Cr13型不锈钢为好;适合于冷作成型，焊接性较好，一般采取冷加工变形强化措施来提高其强度;与Cr13型钢比较，切削加工性较差，在一定条件下会产生晶间腐蚀，应力腐蚀倾向较大。18-8型不锈钢中碳含量都很低，属于超低碳范围，耐蚀性良好。钢中含铬约18%，主要作用是产生钝化，提高阳极电极电位，增加耐蚀性;含镍约9%,主要作用是扩大奥氏体区，降低钢的Ms点(降低至室温以下)，使钢在室温下具有单相的奥氏体组织;铬和镍在奥氏体中的共同作用，更进一步改善了钢的耐蚀性;上一页下一页返回11.1不锈钢Tl的主要作用是抑制在晶界上析出(Cr,Fe)23C6，消除钢的晶间腐蚀倾向，钛含量一般不大于0.8%，过多时会使钢出现铁素体和产生TiN夹杂，会降低钢的耐蚀性。为了提高18-8型不锈钢的性能，常用的热处理工艺有固溶处理、稳定化处理及去应力处理等。(1)固溶处理:18-8型不锈钢在缓冷时，将在奥氏体中析出(Cr,Fe)23C6碳化物，并发生奥氏体向铁素体转变，缓冷至室温将获得A+F(Cr,Fe)23C6,而并非单相的奥氏体组织。为了保证18-8型不锈钢具有最为良好的耐蚀性，必须设法使它获得单相奥氏体组织。在生产上经常对18-8型不锈钢进行所谓的固溶处理，即将其加热至1050~1150℃，上一页下一页返回11.1不锈钢让所有碳化物全部溶于奥氏体，然后采取水淬快冷的方法，使奥氏体在冷却过程中不发生析出或相变，在室温状态下获得单相的奥氏体组织。(2)稳定化处理:在固溶处理后再进行一次稳定化处理，其目的就在于彻底消除晶间腐蚀倾向。稳定化处理的加热温度应该高于(Cr,Fe)23C6。完全溶解的温度，低于碳化钛完全溶解的温度，以使(Cr,Fe)23C6。完全溶解而碳化钛部分保留。随后的冷却速度应该缓慢，以便使加热时溶于奥氏体中的那一部分碳化钛在冷却时能够充分析出。这样，碳就几乎全部稳定于碳化钦中(稳定化处理即由此而得名)，而使(Cr,Fe)23C6不再析出，从而将固溶体中的含铬量提高。上一页下一页返回11.1不锈钢1Cr18Ni9Ti钢所采用的稳定化处理工艺一般如下:加热温度为850℃~880℃，保温时间为6h，冷却方式采用空冷或炉冷。(3)去应力处理:经过冷加工或焊接的18-8型不锈钢都会存在残余应力，如果不设法消除，将引起应力腐蚀，降低性能，并导致早期断裂。所以常采用去应力处理，工艺如下:对于消除冷加工残余应力，经常加热到300℃~350℃;对于消除焊件残余应力，宜加热至850℃以上，同时起到减轻晶间腐蚀倾向的作用。上一页返回11.2耐热钢11.2.1耐热钢的一般概念金属材料的耐热性是包含高温抗氧化性和高温强度的一个综合概念。高温抗氧化性是金属材料在高温下对氧化作用的抗力，而高温强度是金属材料在高温下对机械负荷作用的抗力。因此耐热钢就是在高温下不发生氧化，并对机械负荷作用具有较高抗力的钢。1.金属的抗氧化金属的抗氧化性是保证零件长期在高温下工作的重要条件。抗氧化能力的高低主要由材料的成分决定。在钢中加入足够的Cr,Si,Al等元素，可使钢件表面在高温下与氧接触时，能生成致密的高熔点氧化膜，严密地覆盖住钢的表面，下一页返回11.2耐热钢保护钢件免于高温气体的继续腐蚀。例如钢中含有15%的铬时，其抗氧化温度可高达900℃;若含有20%~25%的铬，则抗氧化温度可达1100℃。2.金属的高温强度金属在高温下所表现出的力学性能与室温下的力学性能有很大区别。当温度超过再结晶温度时，除受机械力的作用产生塑性变形和加工硬化外，同时还可发生再结晶和软化的过程。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，金属将发生极其缓慢的变形，这种现象称为“蠕变”。金属的蠕变抗力愈大，即表示金属高温强度愈高。为了提高钢的高温强度，通常采取下列措施:上一页下一页返回11.2耐热钢(1)固溶强化。在钢加入W,Mo,Nb,Ti,V等合金元素形成单相固溶体，提高再结晶温度，能进一步提高热强度。(2)弥散强化。在钢中加入Nb,V,Ti等合金元素形成碳化物，在晶内弥散析出，阻碍位错的滑移，提高塑变抗力，提高热强性。(3)强化晶界。材料在高温下，其晶界强度低于晶内强度，通过加入Mo,Zr,V等晶界吸附元素，使晶界强化，从而提高钢的热强性。上一页下一页返回11.2耐热钢11.2.2常用的耐热钢1.抗氧化钢（不起皮钢）一般钢铁在较高温度下(560℃以上)表面容易氧化，主要是由于在高温下生成松脆多孔的FeO，它较易剥落，最终导致零件破坏。实际应用的抗氧化钢，大多数是在铬钢、铬镍钢、铬锰氮钢基础上添加硅、铝制成的。和不锈钢一样，含碳量增多，会降低钢的抗氧化性，故一般抗氧化钢为低碳钢。多用于制造炉用零件和热交换器，如燃气轮机燃烧室、锅炉吊挂、加热炉底板和辊道以及炉管等。其抗氧化性取决于表面氧化层稳定性、致密性及其与基体金属的茹附力，其主要影响因素是化学成分。上一页下一页返回11.2耐热钢(1)铬。铬是一种钝化元素，含铬钢能在其表面形成一层致密的Cr2O3氧化膜，有效地阻挡外界氧原子的继续扩散。较高温度使用的钢材，铬含量多大于20%，可以形成连续而又致密的氧化膜。(2)硅。含硅钢在高温时其表面可形成一层SiO2薄膜，能提高抗氧化性;但过量的硅会恶化钢的热加工工艺性能。(3)铝。铝和硅都是比较经济的提高抗氧化牲的元素。含铝钢在其表面形成Al2O3薄膜，与Cr2O3相似，能起很好的保护作用。含铝6%可使钢在980℃具有较好的抗氧化性;含铝5%的铁锰铝奥氏体钢可在800℃长期使用;过高的铝量会使钢的冲压性能和焊接性能变坏。上一页下一页返回11.2耐热钢(4)稀土元素。斓、钵等稀土元素可进一步提高含铬钢的抗氧化性，因为它们会降低Cr2O3挥发性，改善氧化膜组成，使其变为更加稳定的(Cr,La)2O3，而且可促进铬的扩散，有助于形成Cr2O3。实际上应用的抗氧化钢大多是在铬钢、铬镍钢或铬锰氮钢基础上添加硅或铝而配制成的。常用抗氧化钢如表11-3所示。2.热强钢所谓热强钢是指在高温下具有一定的抗氧化能力、较高的强度以及良好的组织稳定性的钢。热强钢添加的合金元素，如铬、镍、钥、钨、硅等，除具有提高高温强度的作用外，还可提高高温抗氧化性。汽轮机、燃气机的转子和叶片、锅炉上一页下一页返回11.2耐热钢过热器、高温工作的螺栓、内燃机进、排气阀等均用此类钢制造。常见的钢种有珠光体钢、马氏体钢、奥氏体钢等。(1)珠光体型钢。这类钢在350℃~600℃范围使用，所含合金元素最少，主要有Cr,Mo,V等，其总量一般不超过3%~5%oCr主要用以提高钢的抗氧化性，在15CrMo,12Cr1MoV钢中含1.0%左右的铬还能提高钢的再结晶温度;V的作用除提高钢的再结晶温度外，通过形成细小弥散的碳化物来提高钢的高温强度。珠光体钢的热处理，一般是正火(Ae3+50℃)，以及随后的高于使用温度100℃的回火。正火所获得的组