【文章內(nèi)容簡介】 良好的塑性、韌性、焊接性和耐蝕性能，在氧化性和還原性介質(zhì)中耐蝕性均較好，用來制作耐酸設(shè)備，如耐蝕容器及設(shè)備襯里、輸送管道、耐硝酸的設(shè)備零件等。奧氏體不銹鋼一般采用固溶處理，即將鋼加熱至1050～1150℃，然后水冷，以獲得單相奧氏體組織。奧氏體鐵素體雙相不銹鋼：兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的優(yōu)點，并具有超塑性。奧氏體和鐵素體組織各約占一半的不銹鋼。在含C較低的情況下，Cr含量在18%~28%，Ni含量在3%~10%。有些鋼還含有Mo、Cu、Si、Nb、Ti，N等合金元素。該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點，與鐵素體相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時還保持有鐵素體不銹鋼的475℃脆性以及導(dǎo)熱系數(shù)高，具有超塑性等特點。與奧氏體不銹鋼相比，強(qiáng)度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕有明顯提高。雙相不銹鋼具有優(yōu)良的耐孔蝕性能，也是一種節(jié)鎳不銹鋼。 馬氏體不銹鋼：強(qiáng)度高，但塑性和可焊性較差。馬氏體不銹鋼的常用牌號有1Cr13Cr13等，因含碳較高，故具有較高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但耐蝕性稍差，用于力學(xué)性能要求較高、耐蝕性能要求一般的一些零件上，如彈簧、汽輪機(jī)葉片、水壓機(jī)閥等。這類鋼是在淬火、回火處理后使用的。 不銹鋼的主要作用不銹鋼不易產(chǎn)生腐蝕、點蝕、銹蝕或磨損。不銹鋼還是建筑用金屬材料中強(qiáng)度最高的材料之一。由于不銹鋼具有良好的耐腐蝕性，所以它能使結(jié)構(gòu)部件永久地保持工程設(shè)計的完整性。含鉻不銹鋼還集機(jī)械強(qiáng)度和高延伸性于一身，易于部件的加工制造，可滿足建筑師和結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的需要。 不銹鋼從20世紀(jì)初發(fā)明至今不足百年的時間，但其發(fā)展和應(yīng)用的勢頭卻異常迅猛。特別是從 20世紀(jì)60年代末以來，全世界不銹鋼的產(chǎn)量基本保持年均4％的增長率，不銹鋼的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大到了國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。不銹鋼之所以能得到如此迅猛的發(fā)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(yōu)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(chǎn)過程中一直處于十分重要的地位。不銹鋼的熱處理是為了改變其物理性能、力學(xué)性能、殘余應(yīng)力及恢復(fù)由于預(yù)先加工和加熱受到嚴(yán)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(jìn)行進(jìn)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(jìn)行相應(yīng)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(dǎo)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(yán)重； 爐內(nèi)氣氛控制很重要，要防止出現(xiàn)滲碳、滲氮及脫碳和過氧化現(xiàn)象；不銹鋼的表面光澤對產(chǎn)品的使用及價格有決定性的影響，熱處理時產(chǎn)生的氧化鐵皮，將嚴(yán)重影響表面光澤；要確保避免不銹鋼表面的劃傷：熱處理時產(chǎn)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。 奧氏體不銹鋼的代表鋼種是188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(fā)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(jié)晶的同時，使在加工中產(chǎn)生的碳化物。相分解物固溶到奧氏體中，然后快速冷卻，使碳呈固溶狀態(tài)的奧氏體保持到常溫，這―處理過程即為固溶處理。奧氏體不銹鋼加熱溫度主要是依據(jù)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℃，在1000℃則需要長達(dá)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(xì)化晶粒，如果晶粒過大，會使材料的抗拉強(qiáng)度明顯下降。就加熱時間而言，不銹鋼的導(dǎo)熱率低（特別是在低溫時），升到高溫后（700―800℃）導(dǎo)熱率才有提高。所以，對于斷面大的奧氏體不銹鋼都需要預(yù)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(dǎo)致固溶時間過長，美國阿姆科公司曾制定過一個經(jīng)典的加熱時間表（見表3表32）。 表31奧氏體不銹鋼固溶處理保溫時間厚度，mm＜＜＜＜＞保溫時間，min515306060表32奧氏體不銹鋼固溶處理加熱時間工作直徑或厚度，mm到固溶化的升溫時間在固溶化溫度的保溫時間1/2h10～20min3/4h511h51761h761001h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(fā)生敏化，所以必須進(jìn)行快速冷卻。由于奧氏體不銹鋼導(dǎo)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(fā)生敏化。所以在實際生產(chǎn)中，斷面較大的材料一般考慮采用加入Ti、Nb等元素的穩(wěn)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(wěn)定化奧氏體不銹鋼（如 32347等）可以不需要水淬或其它快速冷卻措施進(jìn)行快冷。 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(qiáng)磁性。其典型的代表鋼種是430。美國在60年代以降低不銹鋼成本為目標(biāo)開發(fā)的廉價不銹鋼種409，廣泛地應(yīng)用于汽車、摩托車的消音器和下水管道等，也是屬于鐵素體鋼。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(fā)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33為鐵素體不銹鋼的參考退火溫度。表33鐵素鐵不銹鋼的參考退火溫度中國 GB 4237美國 AISI ASTM日本 JISG 4303退火溫度，℃1Cr17430SUS 430750～85000Cr12410LSUS 410L700～8200Cr13Al405SUS 405780～8301Cr15429SUS 429780～8501Cr17Mo434SUS 434780～850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(nèi)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(nèi)停留時間過長，很容易發(fā)生475℃脆性現(xiàn)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(qiáng)度增加50％，屈服強(qiáng)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(qū)晶粒粗大且脆）。 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(tài)快冷（淬火）轉(zhuǎn)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(nèi)調(diào)整其強(qiáng)度和韌性，因此，馬氏體不銹鋼既可以作結(jié)構(gòu)鋼用，也可以作工具鋼。馬氏體不銹鋼作為工具鋼用時，處于淬火狀態(tài)。為進(jìn)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(kuò)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(dāng)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(nèi)部因膨脹差而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。馬氏體鋼是熱裂紋敏感性鋼種，該鋼種在低溫時導(dǎo)熱率低，快速加熱時極易產(chǎn)生裂紋，因此在處理大斷面材料時，應(yīng)該先預(yù)熱，然后再快速升溫。在作結(jié)構(gòu)鋼用時，應(yīng)在淬火的基礎(chǔ)上進(jìn)行回火（調(diào)質(zhì)狀態(tài)）。馬氏體不銹鋼有回火脆性，回火溫度一般不應(yīng)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(jié)構(gòu)鋼的一個重要力學(xué)指標(biāo)沖擊值會下降。需注意的是馬氏體不銹鋼在淬火后，應(yīng)盡快回火，如不能盡快回火，材料易產(chǎn)生裂紋。奧氏體、鐵素體、馬氏體三類不銹鋼雖然應(yīng)用面較廣，但作為結(jié)構(gòu)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(qiáng)度較低，只有200N/mm2左右，不宜作為結(jié)構(gòu)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(qiáng)度，但其耐蝕性較差。對于那些要求最佳抗蝕性能與最大強(qiáng)度的用途，開發(fā)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(zhuǎn)變冷卻。其特點是：完全退火狀態(tài)較軟，易于再加工。 通過適當(dāng)?shù)臅r效處理可獲得要求的力學(xué)性能。 具有與同類不銹鋼一樣的耐蝕性，提高了抗應(yīng)力腐蝕斷裂的性能。 轉(zhuǎn)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(jìn)行固溶處理，在材料加熱到1000～1100℃后快冷，然后根據(jù)不同的力學(xué)性能要求，在不同溫度下進(jìn)行時效處理，如621℃、565℃、510℃時效。 論文的目的和意義不銹鋼的固溶滲氮技術(shù)在現(xiàn)實的生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。這篇論文主要是通過各個方面對不銹鋼的固溶滲氮處理作了充分的闡述，能夠使大家充分了解到不銹鋼的固溶滲氮遠(yuǎn)離以及應(yīng)用。使之能在正常的生產(chǎn)中運行，也為該項技術(shù)打下了堅實的理論基礎(chǔ)。 2 奧氏體不銹鋼固溶滲氮奧氏體不銹鋼的高塑性、高耐蝕性、良好的焊接性能、韌性和和低溫韌性、無磁性、易加工的優(yōu)點，使其在石油、化工、食品及醫(yī)藥等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，但由于奧氏體不銹鋼的硬度偏低(HV200—250)、耐磨性較差，使用受到一定的限制．為了提高輿氏體不銹鋼的硬度和耐磨性，應(yīng)用較多的是對奧氏體不銹鋼表面進(jìn)行氮化處理。傳統(tǒng)的不銹鋼氮化工藝雖然提高了不銹鋼的硬度，卻在氮化層中析出了氮化物，由于氮化物在奧氏體晶界擇優(yōu)生長，消耗了鉻，導(dǎo)致奧氏體基體中的鉻減少，結(jié)果使不銹鋼的耐蝕性下降 。采用固溶滲氮工藝不但提高了奧氏體不銹鋼的硬度和耐磨性，而且提高了其耐蝕性能。 試驗材料及方法 試驗材料304奧氏體不銹鋼和904 L奧氏體不銹鋼化學(xué)成分見表1．從304 板材上切取尺寸為30mm x 10mm x 4 mm的試樣作為滲氮試樣，從9O4 L棒材上切取尺寸為直徑lO mm10 mm的試樣作為滲氮試樣．由于奧氏體不銹鋼的表面有一層致密的具有保護(hù)護(hù)性的鈍化膜（Cr2O3，NiO2等），阻礙了氮原子的滲入，因此，氮化前將試樣表面磨至500砂紙，以去除鈍化膜。 試驗方法固溶滲氮實驗在圖41所示的裝置中進(jìn)行。將磨制好的試樣放入一端焊接密封好的不銹鋼管中，鋼管的另一端連接純氮氣瓶。將鋼管的密封端伸入到管式電阻爐中，利用插入爐中的熱電偶測定固溶滲氮溫度。本文對固溶滲氮工藝進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，工藝參數(shù)的變化范圍為：固溶滲氮溫度900℃一1150℃，滲氮時間2h一16h．對試樣的冷卻方式采用水冷，為了觀察表面氮化物的析出情況，還對1000℃，1 MPa,8h氮化工藝下的試樣進(jìn)行了隨爐冷卻．將氮化試樣的橫截面用砂紙依次磨1200 ，拋光后，用王水腐蝕．在型號為JSM一6360LV的掃描電鏡下觀察試樣橫截面的金相組織．用HX1型顯微硬度計測定試樣橫截面的顯微硬度，實驗載荷為0．98 N．從表面至心部每隔100μm打三個點取其平均值．部分試樣用D／Max38型x射線衍射儀進(jìn)行物相分析．采用EPMA1600型電子探針在橫截面上從表面向內(nèi)部逐點分析氮含量(電子束直徑為5μm，兩點間距離為50 μm～200μm)．圖41 固溶滲氮裝置采用CP5—1綜合腐蝕測試儀與三電極體系對氮化后的試樣進(jìn)行耐蝕性的測量，所用溶液為1 mol／L的稀硫酸。工作電極即待研究試樣，輔助電極為超純鉑片，參比電極為飽和甘汞電極，實驗所得電位均相對于飽和甘汞電極電位(SCE)，綜合腐蝕測試儀的電位量程為一2000 mV～+2000 mV。以60 mV／min的速度進(jìn)行陽極極化掃描．為了比較氮化前后的耐蝕性能，切取氮化前后面積相同的試樣進(jìn)行耐蝕試驗．為了避免縫隙腐蝕發(fā)生，采用圖42所示的封樣方法。試樣均用砂紙依次打磨至