不銹鋼的熱處理特點及工藝制度

　　不銹鋼從20世紀初發明至今不足百年的時間，但其發展和應用的勢頭卻異常迅猛。 特別是從20世紀60年代末以來，全世界不銹鋼的產量基本保持年均 4%的增長率，不銹鋼的應用范圍逐步擴大到了國民經濟的各個領域。不銹鋼之所以能得到如此迅猛的發 展，一個重要的因素是其具有耐蝕、耐熱性。不銹鋼熱處理工藝的優劣對不銹鋼的耐蝕、 耐熱性有很大影響，而且對不銹鋼的加工性能起著決定性的作用。因此，不銹鋼的熱處 理工藝在不銹鋼的生產過程中一直處于十分重要的地位。

　　1.不銹鋼熱處理的特點

　　不銹鋼的熱處理是為了改變其物理性能、力學性能、殘余應力及恢復由于預先加工和加熱受到嚴重影響的抗腐蝕能力，以便得到不銹鋼的最佳使用性能或者使不銹鋼能夠 進行進一步的冷、熱加工。所謂的熱處理就是針對不同組織、不同類型的不銹鋼進行相 應的退火、淬火與回火、正火等處理。

　　不銹鋼是一種特殊的鋼種，鋼中的鎳、鉻含量很高，由于鎳、鉻等合金化元素的存 在，其熱處理具有普通鋼熱處理所不具備的特點：

　　加熱溫度較高，加熱時間也相對較長。

　　不銹鋼的導熱率低，在低溫時溫度均勻性差。

　　奧氏體型不銹鋼高溫膨脹較嚴重。

　　爐內氣氛控制很重要，要防止出現滲碳、滲氮及脫碳和過氧化現象。

　　不銹鋼的表面光澤對產品的使用及價格有決定性的影響，熱處理時產生的氧化 鐵皮，將嚴重影響表面光澤。

　　要確保避免不銹鋼表面的劃傷及防 II：熱處理時產生變形。不銹鋼按其組織可 以分為奧氏體、馬氏體和鐵素體三類(此外還有沉淀硬化型、鐵素體奧氏體型 等)，這三類不銹鋼的熱處理無論是處理方法還是目的都不盡相同。

　　① 奧氏體型不銹鋼

　　這類不銹鋼應用最廣泛，使用量也最大。其特點是在常溫下為奧氏體組織，不發生相變，不能通過熱處理使其硬化，但可以用冷加工進行硬化。常用熱處理方法是固溶處理。

　　② 鐵素體型不銹鋼

　　這類不銹鋼一般沒有 ν-α 轉變，在高溫和常溫下都是鐵素體組織，沒有相變。但是當鋼中含有一定量的碳、氮等奧氏體形成元素時，在高溫下也能形成奧氏體組織，此類鋼不能通過熱處理使之強化，只能進行退火處理，消除內應力，便于進一步加工。

　　③ 馬氏體型不銹鋼

　　這類不銹鋼有明顯的相變點，在高溫下為奧氏體組織，冷卻時可以發生馬氏體相變，轉變為馬氏體組織而硬化。因為其含鉻高，淬透性好，可以采用淬火、回火等多種熱處 理方法。

　　本文就應用較為廣泛的三類不銹鋼分別論述其熱處理方法及特點。

　　2.奧氏體不銹鋼

　　奧氏體不銹鋼的代表鋼種是 18-8 鋼(304)，因為是奧氏體組織，所以具有無磁性 且沒有淬硬性等特點。由于該鋼種不發生相變，其熱處理就是加熱到高溫(一般在1000℃以上)，奧氏體再結晶的同時，使在加工中產生的碳化物和。相分解物固溶到奧 氏體中，然后快速冷卻，使碳呈固溶狀態的奧氏體保持到常溫，這―處理過程即為固溶 處理。表 1 為奧氏體不銹鋼的參考退火溫度。

　　表 1：奧氏體不銹鋼參考退火溫度

　　奧氏體不銹鋼加熱溫度主要是依據碳化物的固熔速度而確定的，有資料指出像 304鋼的碳化物在 1065℃時固溶需要 3 分鐘，在 1176℃需要 1.5 分鐘，在 1000℃則需要 長達 10 分鐘。從這個角度而言，加熱溫度越高越好，但加熱溫度偏高同時又可能引起 晶粒過分長大、氧化鐵皮增厚等缺陷。因為奧氏體型不銹鋼無法通過相變來細化晶粒， 如果晶粒過大，會使材料的抗拉強度明顯下降。

　　就加熱時間而言，不銹鋼的導熱率低(特別是在低溫時)，升到高溫后(700―800℃) 導熱率才有提高。所以，對于斷面大的奧氏體不銹鋼都需要預熱到 700～800℃，然后 再快速升溫，對于斷面小的奧氏體不銹鋼(如帶鋼)如果升溫速度過慢，碳化物會充分析出，就會導致固溶時間過長，美國阿姆科公司曾制定過一個經典的加熱時間表(見表2、表 3)。 由于不銹鋼中的鉻形成的鉻基氧化物在酸洗中較難去除，因此在熱處理時要控制鉻基氧化物的形成，對于有特殊要求的不銹鋼，可采用光亮退火形式進行熱處理。

　　表 2：奧氏體不銹鋼固溶處理保溫時間

　　表 3：奧氏體不銹鋼固溶處理加熱時間

　　為防止已固溶的碳化物析出，冷卻速度也很重要，特別是在 600～700℃時，碳化物析出較多而發生敏化，所以必須進行快速冷卻。由于奧氏體不銹鋼導熱率低，對于斷 面較大的材料，無論怎樣快冷，中心部位的冷卻程度仍然很慢，往往因碳化物析出較多 而發生敏化。所以在實際生產中，斷面較大的材料一般考慮采用加入 Ti、Nb 等元素的 穩定化奧氏體不銹鋼，因為 Ti、Nb 等元素對碳親和力較大，這類穩定化奧氏體不銹鋼(如 321、347 等)可以不需要水淬或其它快速冷卻措施進行快冷。

　　3.鐵素體不銹鋼

　　鐵素體不銹鋼是以鉻為主要合金元素，其含量為 12%～30%Cr。此類鋼為單相組 織，沒有相變，具有強磁性。其典型的代表鋼種是 430。美國在 6 0 年代以降低不銹鋼 成本為目標開發的廉價不銹鋼種 409，廣泛地應用于汽車、摩托車的消音器和下水管道 等，也是屬于鐵素體刁;銹鋼這一類。

　　該鋼種無淬透性，同奧氏體鋼一樣不能通過熱處理使其硬化，而且由于加熱引起的 晶粒長大比奧氏體鋼既快且晶粒度又大。因此在熱處理時為避免晶粒長大以及發生奧氏體相變，加熱溫度不宜過高，―般退火最高加熱溫度不超過 850℃。表 4 為鐵素體不銹鋼的參考退火溫度。

　　表 4：鐵素鐵不銹鋼的參考退火溫度

　　鐵素體不銹鋼在退火處理時，一定要縮短在 370～550℃溫度范圍內的停留時間，特別是對于高鉻的鐵素體不銹鋼。材料如果在此溫度范圍內停留時間過長，很容易發生475℃脆性現象，即硬度增高，延伸率大幅下降，甚至為零，同時材料的耐蝕性也降低。 有實驗表明：27Cr 鋼在 475℃加熱 100 小時后，材料在常溫時的抗拉強度增加 50%， 屈服強度增加 l50%，而延伸率為零。此外該鋼種的焊接性能差(焊縫熱影響區晶粒粗 大且脆)。

　　4.馬氏體不銹鋼

　　馬氏體不銹鋼同前兩種不銹鋼的特性明顯不同，顧名思義，就是從高溫奧氏體狀態快冷(淬火)轉變成馬氏體組織而成的。這類不銹鋼有明顯的相變點，可以通過淬火而 硬化。而且因其含鉻高，淬透性好，回火時可以在較大范圍內調整其強度和韌性，因此， 馬氏體不銹鋼既可以作結構鋼用，也可以作工具鋼用。

　　馬氏體不銹鋼作為工具鋼用時，處于淬火狀態。為進行淬火，必須加熱升溫到臨界 點以上，以便碳化物固溶到奧氏體中。在升溫使碳化物固溶時，因碳擴散速度較慢，為 得到均勻的奧氏體組織，力口熱溫度一般要比臨界點溫度高 50℃以上，而且還必須有 一定的保溫時間，以便使碳化物充分、均勻溶解。當然，加熱時間過長、加熱溫度過高 會造成馬氏體組織不均勻，殘余奧氏體組織增多，從而使材料內部因膨脹差而產生內應力。

　　馬氏體鋼是熱裂紋敏感性鋼種，該鋼種在低溫時導熱率低，快速加熱時極易產生裂 紋，因此在處理大斷面材料時，應該先預熱，然后再快速升溫。表 5 為馬氏體不銹鋼的 參考退火溫度。

　　表 5：馬氏體不銹鋼的參考退火溫度

　　在作結構鋼用時，應在淬火的基礎上進行回火(調質狀態)。馬氏體不銹鋼有回火脆性，回火溫度一般不應低于 580℃。從回火溫度冷卻時，為避免回火脆性一般采用油 冷;有時為了得到較高的屈服極限，也可以采用空冷，但這時結構鋼的一個重要力學指 標沖擊值會下降。需注意的是馬氏體不銹鋼在淬火后，應盡快回火，如不能盡快回火， 材料易產生裂紋。

　　5.沉淀硬化型不銹鋼

　　奧氏體、鐵素體、馬氏體三類不銹鋼雖然應用面較廣，但作為結構鋼使用，還存在著一些難以克服的缺陷。奧氏體型不銹鋼屈服強度較低，只有 200N/mm2 左右，不宜作 為結構鋼使用;而馬氏體不銹鋼雖然可以通過淬火、回火等熱處理形式獲得較高的屈服 強度，但其耐蝕性較差。對于那些要求最佳抗蝕性能與最大強度的用途，開發出了新型 的 Cr-Ni 不銹鋼——沉淀硬化型不銹鋼(也稱 PH 不銹鋼)。

　　這種新型不銹鋼的熱處理包括均勻化、完全退火、固溶熱處理、時效處理和轉變冷 卻。其特點是：

　　完全退火狀態較軟，易于再加工。

　　通過適當的時效處理可獲得要求的力學性能。

　　具有與同類不銹鋼一樣的耐蝕性，提高了抗應力腐蝕斷裂的性能。

　　轉變冷卻適用于低于某溫度的冷卻。常用的沉淀硬化型不銹鋼是馬氏體型，其 代表鋼種是 631(0Crl7Ni7A1)。該鋼種的熱處理是先進行固溶處理，在材料 加熱到 1000～1100℃后快冷，然后根據不同的力學性能要求，在不同溫度下 進行時效處理，如 621℃、565℃、510℃時效。

　　結束語

　　從以上分析可以看出，不銹鋼的熱處理是比較復雜的，要根據不同鋼種的特點，采取不同的熱處理方式，才能夠滿足用戶不同的要求。