奧氏體不銹鋼的基體組織是奧氏體,在加熱和冷卻過(guò)程中不發(fā)生相變,不能通過(guò)熱處理方法調(diào)整組織和改變力學(xué)性能。所以,奧氏體不銹鋼熱處理的主要目的是提高耐腐蝕性能,消除應(yīng)力,或使已經(jīng)加工硬化的材料得到軟化。
一、奧氏體不銹鋼中合金碳化物的析出與溶解
由于奧氏體不銹鋼中鉻-鎳等合金元素的作用,使奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度M.降低到室溫以下,高溫時(shí)穩(wěn)定的奧氏體組織能保持到室溫甚至更低一些溫度而不轉(zhuǎn)變。但是,碳在奧氏體中的溶解度隨溫度的不同而變化。高溫時(shí)溶解度大于低溫時(shí)的溶解度,見(jiàn)圖3-9。
從圖3-9可知,18Cr-8Ni型鋼,在1200℃時(shí)碳的溶解度約為0.34%,在1000℃時(shí)約為0.18%,而該鋼含碳量通常在0.08%以下,因此,在1000℃以上碳全部固溶于奧氏體中。而在600℃時(shí),碳的溶解度約為0.03%,常溫時(shí)更少,所以,從較高溫度緩慢冷卻下來(lái)時(shí),碳便會(huì)以碳化物形式析出。碳原子的原子半徑小,超過(guò)固溶極限的碳不能存在于奧氏體晶粒內(nèi),便會(huì)沿晶粒界析出,這部分碳是不穩(wěn)定的,只能與周圍基體中的鉻形成穩(wěn)定的碳化鉻Cr23C6保存下來(lái)。因?yàn)镃r23C6中含有一部分鐵,所以有時(shí)這種鉻的碳化物就記成(FeCr)23C6.按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)算,碳約與10倍的鉻生成碳化物,因而奧氏體晶粒界處便會(huì)由于碳與鉻的析出而在(FeCr)23C6周圍產(chǎn)生貧鉻區(qū)。另一方面,由于鉻的原子較大,它不能很快地通過(guò)擴(kuò)散移動(dòng)方式補(bǔ)充到貧鉻區(qū)去,使形成的貧鉻區(qū)得以保存下來(lái)。見(jiàn)圖3-10,由于含鉻量達(dá)不到保證耐腐蝕的程度,當(dāng)材料在具有腐蝕條件的環(huán)境下,這個(gè)位置首先受到腐蝕,即沿奧氏體晶粒界處產(chǎn)生腐蝕。
在實(shí)際生產(chǎn)中,奧氏體不銹鋼鑄件的鑄造后冷卻、鍛件的鍛后冷卻及在焊接件近焊縫的某些部位的冷卻過(guò)程中,均可有(FeCr)23C6從奧氏體中析出,使晶界處貧鉻。所以,為保證奧氏體不銹鋼制件的耐腐蝕性,特別是耐晶間腐蝕性,就要將已從奧氏體中析出,并在奧氏體晶粒界造成貧鉻現(xiàn)象的(FeCr)23C6重新溶解到奧氏體中去,即加熱到一定溫度后迅速冷卻下來(lái),讓碳較穩(wěn)定地保留在奧氏體中而不能析出。這就是所說(shuō)的固溶化熱處理,也是奧氏體不銹鋼最主要的熱處理。
奧氏體不銹鋼固溶化熱處理后,應(yīng)該是奧氏體組織。見(jiàn)圖3-11。
二、奧氏體不銹鋼中的σ相
奧氏體不銹鋼在下列情況,有可能出現(xiàn)σ相。
1. 在產(chǎn)生σ相的溫度區(qū)間(500~900℃),長(zhǎng)時(shí)間加熱。
2. 在鉻-鎳奧氏體不銹鋼中加入了形成鐵素體的元素,如鈦、鈮、鉬、硅等。
3. 采用形成鐵素體元素高的焊條施焊的奧氏體不銹鋼焊縫中。
4. 鑄造的18-8奧氏體不銹鋼,特別是含鈦、鈮、硅元素較高的鑄造奧氏體不銹鋼中容易出現(xiàn)σ相,這可能與鑄造不銹鋼中的成分偏析有關(guān)。
以錳、氮代鎳的鉻-錳-鎳-氮系奧氏體不銹鋼中,σ相形成傾向更強(qiáng)一些。
圖3-12是ZG1Cr17Mn9Ni4Mo2CuN 奧氏體不銹鋼中的σ相,圖3-13是圖3-12的局部放大圖。
σ相在奧氏體不銹鋼中的存在會(huì)有不利作用。
首先,σ相是一種硬度很高、塑性低的金屬間相,其存在于奧氏體不銹鋼中,特別是沿晶界析出時(shí),會(huì)對(duì)鋼的塑性產(chǎn)生較大的影響,反映在鋼的沖擊韌性顯著降低。有資料介紹,在含1.36%硅的18Cr-8Ni奧氏體不銹鋼焊縫中,由于σ相的存在,沖擊功可由105J降至20J.σ相的形成還會(huì)伴有碳化物的析出,而且析出的速度很快,在圖3-13中可見(jiàn)沿晶界析出的碳化物。
另外,由于鉻-鎳奧氏體不銹鋼中的σ相是含有較高鉻量的鉻-鐵金屬間化合物,其在晶界形成時(shí),同樣在其周圍局部地區(qū)形成貧鉻區(qū),會(huì)在腐蝕介質(zhì)中引起晶間腐蝕,特別是在強(qiáng)氧化介質(zhì)中,使材料的晶間腐蝕更敏感。同樣的原因,也會(huì)使材料在含Cl-介質(zhì)中的點(diǎn)腐蝕傾向加重。
鉻-鎳奧氏體不銹鋼中的σ相在加熱到高于其形成溫度后,會(huì)重新溶解。一般認(rèn)為,加熱溫度大于920℃,之后快速冷卻,σ相就不會(huì)析出。在實(shí)際生產(chǎn)中,采用固溶化熱處理即可達(dá)到目的。
三、奧氏體不銹鋼中的δ鐵素體
奧氏體不銹鋼在某些情況下會(huì)產(chǎn)生δ鐵素體,即高溫鐵素體。
1. 在鑄造的鉻-鎳奧氏體不銹鋼中,因鑄態(tài)化學(xué)成分的不均勻性,在鐵素體形成元素偏聚區(qū),易生成δ鐵素體,見(jiàn)圖3-14。
2. 含有較多鐵素體形成元素的奧氏體不銹鋼,如含鉬、硅、鈦、鈮的奧氏體不銹鋼中,會(huì)存在一定的δ鐵素體。
3. 某些奧氏體不銹鋼的焊縫組織中,可能存在δ鐵素體。見(jiàn)圖3-15.
4. 奧氏體不銹鋼中的δ鐵素體的含量還與固溶化溫度有關(guān),見(jiàn)圖3-16.
δ鐵素體在奧氏體不銹鋼中的存在,會(huì)產(chǎn)生不同的作用,有些是有利的,有些是有害的。
有利的作用如下:
1. 奧氏體不銹鋼中存在有5%~20%的δ鐵素體時(shí),可以減少或防止產(chǎn)生晶間腐蝕。因?yàn)閵W氏體不銹鋼中含有鐵素體后,就產(chǎn)生了一部分鐵素體-奧氏體之間的界面,研究證明,這個(gè)界面(也是兩相的相界面)比奧氏體-奧氏體界面的界面能低,使(FeCr)23C6優(yōu)先在鐵素體-奧氏體界面上析出,又因?yàn)殍F素體中含鉻量比奧氏體中含鉻量高,且鉻原子在鐵素體中的移動(dòng)速度較快,所以,自鐵素體中移動(dòng)過(guò)來(lái)的鉻原子很快補(bǔ)充到(FeCr)23C6,附近的貧鉻部位,使該處的鉻得以較快恢復(fù)到不會(huì)產(chǎn)生腐蝕的濃度,從而不易產(chǎn)生晶間腐蝕。也有人認(rèn)為,鐵素體的存在增加了晶面和相界面的面積,這就降低了單位面積上的碳化物濃度,也是減少材料晶間腐蝕敏感性的原因。
2. 含有8鐵素體的奧氏體不銹鋼比純奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度要高。這是因?yàn)閺那?qiáng)度的位錯(cuò)理論分析,鐵素體具有體心立方晶格結(jié)構(gòu),奧氏體具有面心立方晶格結(jié)構(gòu),而體心立方晶格比面心立方晶格的晶格(位錯(cuò))阻力大,即屈服強(qiáng)度高,從而使含有一定量8鐵素體的奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度比具有單一奧氏體組織的奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度也提高了。
3. 一定量δ鐵素體的存在,在低應(yīng)力條件下(低于材料屈服強(qiáng)度),可以降低奧氏體不銹鋼對(duì)應(yīng)力腐蝕的敏感性。這首先是因?yàn)殍F素體晶格(位錯(cuò))阻力大,晶?;票葕W氏體困難,同時(shí),鐵素體還可以對(duì)奧氏體起到陰極保護(hù)作用的結(jié)果。
4. 奧氏體不銹鋼焊接時(shí),當(dāng)焊縫中有少量δ鐵素體時(shí),可使奧氏體晶粒長(zhǎng)大受到阻礙,打亂柱狀晶方向,細(xì)化晶粒,促進(jìn)雜質(zhì)均勻分布,從而減少焊接熱裂紋形成的可能性。
當(dāng)然,δ鐵素體的存在,有時(shí)也會(huì)有不利作用。主要表現(xiàn)如下:
a. 鐵素體與奧氏體電位不同,在某些條件下會(huì)增加腐蝕傾向。
b. 兩種組織的變形能力不同,在壓力加工時(shí)易形成裂紋。
c. 在高溫下長(zhǎng)期工作后,鐵素體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生σ相,引起脆性及某些條件下的晶間腐蝕傾向增大。
從上面的分析可見(jiàn),奧氏體不銹鋼中存在一定量的δ鐵素體,在不同情況下的作用是不同的,所以,可以根據(jù)具體情況的需要,通過(guò)成分和熱處理的調(diào)整,控制奧氏體不銹鋼中δ鐵素體的含量。
四、充分發(fā)揮奧氏體不銹鋼中穩(wěn)定化元素的作用
鈦或鈮作為穩(wěn)定化元素加入奧氏體不銹鋼中,會(huì)提高其抗晶間腐蝕的能力,這是因?yàn)樗鼈兣c碳的結(jié)合能力強(qiáng)于鉻,使鋼中的碳盡量形成TiC、NbC,減少鉻與碳結(jié)合形成(FeCr)23C6并從晶界析出的機(jī)會(huì),使鉻能較好地存在于固溶體中,保持鉻的有效濃度,不產(chǎn)生貧鉻區(qū)。但是,雖然奧氏體不銹鋼中含有了足夠量的鈦或鈮,在進(jìn)行固溶化處理時(shí),在(FeCr)23C6溶解的同時(shí),TiC,NbC也會(huì)溶解,奧氏體中飽和了大量的碳,在以后的450~800℃區(qū)間加熱時(shí),由于鈦或鈮的原子半徑大于鉻的原子半徑,鈦或鈮比鉻擴(kuò)散困難,結(jié)果還會(huì)形成大量的鉻的碳化物??梢?jiàn),只進(jìn)行固溶化熱處理,鈦或鈮不能充分發(fā)揮作用。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),如果把含有穩(wěn)定化元素的奧氏體不銹鋼重新加熱到(FeCr)23C6能溶解,而TiC或NbC不能溶解的溫度,此時(shí),從(FeCr)23C6分解出來(lái)的碳又會(huì)被鈦或鈮化合成TiC或NbC,從而最大限度地發(fā)揮了鈦或鈮的作用。使鉻沒(méi)有與碳結(jié)合的機(jī)會(huì)并保持在奧氏體中,這種熱處理方法就是含穩(wěn)定化元素奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定化熱處理(也叫穩(wěn)定化退火)。
五、奧氏體不銹鋼制件的應(yīng)力及危害
當(dāng)物體受到外力作用發(fā)生變形時(shí),其內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)一種抵抗變形的力;物體在加熱膨脹和冷卻收縮過(guò)程中受到阻礙時(shí),在內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力;材料在加熱或冷卻過(guò)程中,如果有組織轉(zhuǎn)變時(shí),也會(huì)產(chǎn)生相變應(yīng)力。
因此,奧氏體不銹鋼在制造成零部件的生產(chǎn)加工過(guò)程中,都不可避免地產(chǎn)生應(yīng)力,并殘留在零部件中。
鑄造時(shí),由于鑄件形狀、各部位尺寸不同,冷卻速度和冷卻順序不同,會(huì)產(chǎn)生鑄造應(yīng)力;鍛造、軋制時(shí),會(huì)因?yàn)樽冃渭白冃瘟坎煌仍虍a(chǎn)生鍛造應(yīng)力;在機(jī)械切削加工時(shí),因切削力產(chǎn)生應(yīng)力;在焊接時(shí),工件不同部位的不同時(shí)加熱、不同時(shí)冷卻以及焊件各部位形狀、尺寸不均勻而產(chǎn)生焊接應(yīng)力;復(fù)雜件、大型件、截面不均勻件在熱處理快速加熱或冷卻過(guò)程中產(chǎn)生熱應(yīng)力等,這些應(yīng)力的存在,除會(huì)引起變形外,對(duì)奧氏體不銹鋼的另一個(gè)不良作用是會(huì)在某些使用環(huán)境、條件下發(fā)生應(yīng)力腐蝕。所以,對(duì)奧氏體不銹鋼制造的零部件應(yīng)注意消除殘留應(yīng)力。
具有殘留應(yīng)力的制件和金屬,由于能量提高,原子處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài),當(dāng)將其加熱到一定溫度,就會(huì)較快地恢復(fù)到平衡狀態(tài),使應(yīng)力得以消除。
適當(dāng)?shù)責(zé)崽幚砭褪菧p小或消除奧氏體不銹鋼殘留應(yīng)力的重要手段之一。通常叫消除應(yīng)力熱處理。