奧氏體不銹鋼的熱處理研究綜述

1、第一章綜述1.1奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼1913年在德國(guó)問(wèn)世。奧氏體不銹鋼，是指在常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼。分類：Fe-Cr-Ni（主體）；Fe-Cr-Mn。鋼中含 Cr 約 18%Ni 8%10%C約0.1%寸，具有穩(wěn)定的奧氏體組織。奧氏體鉻鎳不銹鋼包括著名的18Cr-8Ni鋼和在此基礎(chǔ)上增加 Cr、Ni含量并加入 Mo Cu Si、Nb Ti等元素發(fā)展起來(lái)的高Cr-Ni系列鋼。奧氏體不銹鋼無(wú)磁性而且具有高韌性和塑性， 但強(qiáng)度較低，不可能通過(guò)相變使之強(qiáng)化，僅能通過(guò)冷加工進(jìn)行強(qiáng)化，如加入S，Ca, Se, Te等元素，則具有良好的易切削性。1.2國(guó)內(nèi)外奧氏體不銹鋼牌號(hào)對(duì)比GB仲國(guó)）ASTM

2、美 國(guó)）JIS（日本）DIN（德國(guó)）1Cr17 Mn 6Ni5N201SUS2011Cr18 Mn 8Ni5N202SUS202X8Cr Mn Ni1891Cr18 Mn 10Ni5Mo3N2Cr13 Mn 9Ni41Cr17Ni7301SUS301X12CrNi17.71Cr17Ni8SUS301J1X12CrNi17.71Cr18Ni9302SUS302X12CrNi18.8表1-21.3 316L奧氏體不銹鋼鋼中含Cr約18% Ni8%10% C約0.1%時(shí)，具有穩(wěn)定的奧氏體組織。奧氏 體鉻鎳不銹鋼包括著名的18Cr-8Ni鋼和在此基礎(chǔ)上增加Cr、Ni含量并加入Mo Cu Si、Nb T

3、i等元素發(fā)展起來(lái)的高 Cr-Ni系列鋼。奧氏體不銹鋼無(wú)磁性而且 具有高韌性和塑性，但強(qiáng)度較低，不可能通過(guò)相變使之強(qiáng)化，僅能通過(guò)冷加工進(jìn) 行強(qiáng)化。如加入S, Ca, Se, Te等元素，則具有良好的易切削性。此類鋼除耐氧化性酸介質(zhì)腐蝕外，如果含有 Mo Cu等元素還能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、 尿素等的腐蝕。此類鋼中的含碳量若低于0.03%或含Ti、Ni，就可顯著提高其耐 晶間腐蝕性能。高硅的奧氏體不銹鋼濃硝酸肯有良好的耐蝕性2。1.4 316L奧氏體不銹鋼的發(fā)展及應(yīng)用316L不銹鋼（00Cr17Ni14Mo2）屬于美國(guó)20世紀(jì)70年代AISI300 奧氏體不 銹鋼系列產(chǎn)品。它是經(jīng)典的18-8

4、 （ Cr-Ni ）不銹鋼成分改型合金，是為改善耐腐蝕性能而發(fā)展的一種Cr-Ni-Mo型超低碳不銹鋼。具有良好的腐蝕性、耐熱 性、低溫強(qiáng)度和機(jī)械性能；沖壓、彎曲等熱加工性好，無(wú)熱處理硬化現(xiàn)象，無(wú)磁 性、用于家庭用品（餐具、櫥柜、鍋爐、熱水器），汽車配件，醫(yī)療器具，建材， 化學(xué)，食品工業(yè)，船舶部件。根據(jù)不同的要求，其常的熱處理工藝主要有：固溶處理、穩(wěn)定化處理和去應(yīng)力處理等，由于其應(yīng)用的廣泛性其熱處理工藝的研究對(duì) 生產(chǎn)有很好的指導(dǎo)意義4 o1.5奧氏體不銹鋼的熱處理1.5.1奧氏體不銹鋼的固溶處理固溶處理的目的是提高不銹鋼耐腐蝕和抗晶間腐蝕的能力。由于奧氏體不銹鋼在熱處理過(guò)程中不發(fā)生相變，固溶處理

5、就是把奧氏體不銹鋼加熱到1050 C-1100 r,使含合金元素的碳化物溶解到奧氏體固溶體中去，成為單相的過(guò)飽和固溶體，快冷后將高溫下得到的單相奧氏體組織保持到室溫。傳統(tǒng)的工藝是將終 鍛溫度為 900 r -950 r的鍛件空冷到室溫，然后再重新加熱到1000 r-1050 r進(jìn)行固量能源。為了改變這種不合理工藝,合理利用鍛造余熱進(jìn)行固溶 處理，提高了勞動(dòng)效率，同時(shí)，減少能源損耗。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，最終確定利用鍛 造余熱固溶處理：鍛后即刻回爐升溫至1050 r ,根據(jù)鍛件的有效截面保溫 40 min,迅速水冷至常溫。鍛件應(yīng)完全浸沒(méi)水中 ，用水循環(huán)，且水溫不可超過(guò) 60r。水冷過(guò)程中，應(yīng)時(shí)刻注意水溫

6、，跟班檢驗(yàn)使用低溫測(cè)溫儀及時(shí)測(cè)量水溫。1.5.2奧氏體不銹鋼的時(shí)效處理指金屬或合金工件（如低碳鋼等）經(jīng)固溶處理，從高溫淬火或經(jīng)過(guò)一定程度 的冷加工變形后，在較高的溫度放置或室溫保持其性能， 形狀，尺寸隨時(shí)間而變 化的熱處理工藝。一般地講，經(jīng)過(guò)時(shí)效，硬度和強(qiáng)度有所增加，塑性韌性和內(nèi)應(yīng) 力則有所降低。 含碳較高的鋼，淬火后立即獲得很高的硬度，但其塑性變得很 低。而鋁合金淬火后，強(qiáng)度或硬度并不立即達(dá)到峰值，其塑性非但未下降，反而 有所上升。經(jīng)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間（例如46晝夜）的室溫放置后，這種淬火合金的強(qiáng)度 與硬度顯著提高，而塑性則有所下降。這種淬火合金的強(qiáng)度和硬度隨時(shí)間而發(fā)生 顯著變化的現(xiàn)象，叫做時(shí)效。室

7、溫下進(jìn)行的時(shí)效叫自然時(shí)效， 在一定溫度下進(jìn)行 的時(shí)效叫人工時(shí)效。 時(shí)效處理是把材料有意識(shí)地在室溫或較高溫度存放較長(zhǎng)時(shí) 間，使之產(chǎn)生時(shí)效作用的工藝。本實(shí)驗(yàn)所用到的是人工時(shí)效處理。15第二章設(shè)備2.1主要設(shè)備表設(shè)備名稱型號(hào)數(shù)量備注金相雙盤拋光機(jī)YMP-2A1樣品經(jīng)砂紙初磨后拋光高溫箱式爐1固溶和時(shí)效處理數(shù)顯絡(luò)氏硬度計(jì)200HRS-1501洛氏硬度的測(cè)試金相顯微鏡1測(cè)316L不銹鋼的顯微組織表2-12.2主要設(shè)備說(shuō)明2.2.1高溫箱式爐電爐爐殼用鋼板經(jīng)折邊焊拉制成，內(nèi)爐襯為碳化硅耐火材料制成 的矩形整體爐襯，爐內(nèi)為密封式結(jié)構(gòu)，電爐的爐口磚，爐門磚采用輕 質(zhì)耐火材料。內(nèi)爐與爐殼之間用耐火纖維、膨脹珍珠

8、巖制品砌筑為保2.2.2數(shù)顯絡(luò)氏硬度計(jì)HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)外觀新穎，界面菜單化，讀數(shù)裝置采用 光柵傳感器及計(jì)算機(jī)控制，硬度示值在液晶屏上直接顯示是機(jī)電一體 化的硬度測(cè)試儀器。該機(jī)能進(jìn)行各種硬度參數(shù)相互自動(dòng)換算，鑒別試 件最小厚度和測(cè)定試驗(yàn)的環(huán)境溫度。內(nèi)置打印機(jī)，讀取相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果。 實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化操作，消除了人為操作和讀數(shù)誤差。適用于硬質(zhì)合金、 淬火鋼、退火鋼、碳鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬等材料的洛氏硬度 檢測(cè)，可廣泛應(yīng)用于計(jì)量、機(jī)械制造、冶金、建材、科研與生產(chǎn)等行 業(yè)和場(chǎng)所。223金相顯微鏡金相顯微鏡用于鑒別和分析各種金屬和合金的組織結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn) 用的是倒置式金相顯微鏡，儀器底座支承面

9、積較大，彎臂堅(jiān)固，儀器 的重心較低，安放平穩(wěn)可靠。目鏡管與支承面呈45。度傾斜，觀察舒 適。第三章工藝流程3.1工藝流程圖對(duì)奧氏體不銹鋼磨金相測(cè)試硬度f(wàn)l圖3-13.2奧氏體不銹鋼磨金相1、由粗到細(xì)的各號(hào)砂紙上磨制，可采用在預(yù)磨機(jī)上進(jìn)行磨制，從粗砂紙到細(xì)砂紙、再換一次砂紙，試樣須轉(zhuǎn) 90角與舊磨良成垂直方向。2、經(jīng)預(yù)磨后的試樣，先在拋光機(jī)上進(jìn)行粗拋光 （？拋光織物為細(xì)絨布、 拋光液為W2.5金剛石拋光膏），然后進(jìn)行精拋光（拋光織物為錦絲絨，拋光 液為 W1.5金剛石拋光膏）。拋光到試樣上的磨痕完全除去而表面像鏡面時(shí) 為止，即粗糙度為Ra0.04以下。3、精拋后的試樣，便可浸入盛于玻璃皿之浸蝕劑

10、中進(jìn)行浸蝕。浸蝕時(shí)， 試樣可不時(shí)地輕微移動(dòng)，但拋光面不得與皿底接觸。4、金相顯微組織檢驗(yàn)3.3硬度的測(cè)測(cè)試3.3.1注意事項(xiàng)1、試件要求光潔；2、了解試件的材料及硬度范圍，選擇合適的硬度標(biāo)度；3、安裝和卸下金剛石時(shí)要小心，防止丟落。試件接觸金剛石時(shí)要緩慢，以 免損壞或脆斷金剛石。3.3.2操作步驟如下1、調(diào)整主試驗(yàn)力的加荷速度，將手柄置于卸荷位置，手把轉(zhuǎn)到1471N的位置., 再將3555HRC勺標(biāo)準(zhǔn)硬塊放在工作臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)手輪使硬度塊頂起主軸，加上初試 驗(yàn)力，拉動(dòng)手柄加主試力，觀察指示表大指針，從開始轉(zhuǎn)動(dòng)到停止的時(shí)間應(yīng)在 4 8s范圍內(nèi)；如不符，可轉(zhuǎn)動(dòng)油針進(jìn)行調(diào)整，反復(fù)進(jìn)行，直到合適為止。2、

11、選擇試驗(yàn)力時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)手把使所選用的試驗(yàn)力對(duì)準(zhǔn)紅點(diǎn)。必須注意的是， 變換試驗(yàn)力時(shí)，手柄必須置于卸荷狀態(tài)（即后極限位置）。3、安裝壓頭時(shí)，應(yīng)注意消除壓頭與主軸端面的間隙。消除方法是：裝上壓 頭，并用螺釘輕固定，然后將標(biāo)準(zhǔn)塊或試件放置于工作臺(tái)上， 旋轉(zhuǎn)手輪加上初試 驗(yàn)力，拉動(dòng)手柄使主試驗(yàn)力加于壓頭上，再將螺釘擰緊即可消除壓頭與主軸端面 間的間隙。3.4固溶處理固溶處理：1050T保溫11min,水冷（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式T=1.5h （T:保溫時(shí)間 /min , h:厚度）。奧氏體不銹鋼通過(guò)固溶處理來(lái)軟化，加熱，保溫一段時(shí)間，使 碳化物和各種合金元素充分均勻地溶解于奧氏體中，然后快速淬水冷卻，碳及其 它合金元

12、素來(lái)不及析出，獲得純奧氏體組織，固溶處理的作用有3點(diǎn)。1、使鋼絲組織和成分均勻一致，這對(duì)原料尤其重要，因?yàn)闊彳埦€材各段的軋制溫度和冷卻速度不一樣，造成組織結(jié)構(gòu)不一致。在高溫下原子活 動(dòng)加劇，c相溶解，化學(xué)成分趨于均勻，快速冷卻后就獲得均勻的單相組織。2、消除加工硬化，以利于繼續(xù)冷加工。通過(guò)固溶處理，歪扭的晶格 恢復(fù)，伸長(zhǎng)和破碎的晶粒重新結(jié)晶，內(nèi)應(yīng)力消除，鋼絲抗拉強(qiáng)度下降，伸長(zhǎng) 率上升。3、恢復(fù)不銹鋼固有的耐蝕性能。由于冷加工造成碳化物析出，晶格 缺陷，使不銹鋼耐蝕性能下降。固溶處理后鋼絲耐蝕性能恢復(fù)到最佳狀態(tài)。奧氏體不銹鋼具有良好耐腐蝕性的原因是其基體的電極電位高，不容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，但通常

13、經(jīng)過(guò)各種熱加工后，會(huì)在其內(nèi)部生成一種含鉻 很高的碳化物：Cr23C6,它會(huì)導(dǎo)致周圍基體組織中鉻（有n/8規(guī)律）的含量大 幅度降低,從而使基體的電極電位下降，其耐腐蝕性也大大降低進(jìn)行固溶處 理的目的就是消除已出現(xiàn)的 Cr23C6,使它重新溶入奧氏體中,改善奧氏體不 銹鋼的耐腐蝕性能。3.5時(shí)效處理時(shí)效處理650r，保溫三小時(shí)，水冷。為了消除精密量具或模具、零 件在長(zhǎng)期使用中尺寸、形狀發(fā)生變化，常在低溫回火后（低溫回火溫度 150-250 C）精加工前，把工件重新加熱到 100-150 C,保持5-20小時(shí)，這 種為穩(wěn)定精密制件質(zhì)量的處理，稱為時(shí)效。對(duì)在低溫或動(dòng)載荷條件下的鋼材構(gòu)件進(jìn)行時(shí)效處理，以

14、消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定鋼材組織和尺寸，尤為重要。奧氏體不銹鋼的時(shí)效處理 650時(shí)效后的奧氏體晶界包括平直晶界和鋸齒狀晶界，平直晶界上析出的M23C6碳化物和600時(shí)效析出的晶界碳化物具有相同的特征，在鋸齒狀?yuàn)W氏體晶界出的M23C6碳化物與兩側(cè)晶粒平行第四章測(cè)試的數(shù)據(jù)及相圖4.1奧氏體不銹鋼未處理前4.1.1未處理時(shí)的硬度序號(hào)12345均值硬度（HRC22.722.220.322.325.222.54表4-14.1.2未處理時(shí)的相圖10*1010*40圖4.14.2奧氏體不銹鋼的固溶處理4.2.1固溶處理的硬度序號(hào)12345均值硬度（HRC5.15.24.05.04.94.84表4-2422固溶處理

15、的相圖10*10圖4.24.3奧氏體不銹鋼的時(shí)效處理4.3.1時(shí)效處理的硬度1、中間區(qū)域硬度序號(hào)12345均值硬度（HRC6.28.17.16.66.96.98邊緣區(qū)域的硬度表4-3序號(hào)12345均值硬度（HRC4.82.41.51.82.02.5表4-4432時(shí)效處理的相圖10*10第五章結(jié)論5.1不銹鋼經(jīng)固溶處理SUS316L不銹鋼經(jīng)固溶處理后的組織是一種介穩(wěn)或不穩(wěn)定的奧氏體，在受熱情況下，將會(huì)發(fā)生擴(kuò)散控制的脫溶沉淀。固溶處理：1050C保溫11min，然后水淬處理“經(jīng)過(guò)此固溶處理后其試樣內(nèi)部組織均勻、晶粒大小適中、鐵素體含量減少，力學(xué)性能明顯改善。固溶后拉伸試樣斷口呈現(xiàn)明顯的韌性斷裂，韌

16、性明顯高于熱軋態(tài)產(chǎn)品”。提高不銹鋼固溶處理溫度、加快冷卻速度，可以減輕產(chǎn)生晶 間腐蝕的傾向，改善抗腐蝕性，若固溶處理溫度過(guò)高，將會(huì)降低鋼的抗拉強(qiáng)度和 硬度。5.2不銹鋼經(jīng)時(shí)效處理600r和650r時(shí)效后,在奧氏體晶粒內(nèi)部與晶內(nèi)缺陷處也發(fā)生 M23C6碳化 物的沉淀，碳化物為細(xì)棒狀，尺寸較?。慌c固溶處理相比，不銹鋼時(shí)效處理之后 的硬度更高、從晶界向晶內(nèi)有針狀組織生產(chǎn)、晶內(nèi)有些較規(guī)則的析出物、這是由 于發(fā)生了時(shí)效硬化。在同一時(shí)效處理時(shí)間下。不銹鋼的硬度隨時(shí)效溫度的升高而 先增大后減小，時(shí)效溫度為900E時(shí)的硬度值最大，表明此時(shí)為不銹鋼時(shí)效處理 時(shí)析出硬化相的最敏感溫度。在相同條件下，隨著時(shí)效處理時(shí)間的延長(zhǎng)，不銹鋼 的硬度明顯下降。參考文獻(xiàn):1 甘俊民、316L鋼及其應(yīng)用J石油化工設(shè)備技術(shù)，1992, 13(4) :57-602 宋仁伯，項(xiàng)建英，侯東坡，等, 316L不