奧氏體不銹鋼的熱處理研究

1、第一章 綜述1.1奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼1913年在德國問世。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%、Ni8%10%、C約0.1%時(shí)，具有穩(wěn)定的奧氏體組織1。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)展起來的高Cr-Ni系列鋼。奧氏體不銹鋼無磁性而且具有高韌性和塑性，但強(qiáng)度較低，不可能通過相變使之強(qiáng)化，僅能通過冷加工進(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國內(nèi)外奧氏體不銹鋼牌號對比GB(中國)ASTM(美國)

2、JIS(日本)DIN(德國)1Cr17Mn6Ni5N201SUS2011Cr18Mn8Ni5N202SUS202X8CrMnNi1891Cr18Mn10Ni5Mo3N2Cr13Mn9Ni41Cr17Ni7301SUS301X12CrNi17.71Cr17Ni8SUS301J1X12CrNi17.71Cr18Ni9302SUS302X12CrNi18.8 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、Ti等元素發(fā)展起來的高Cr-N

3、i系列鋼。奧氏體不銹鋼無磁性而且具有高韌性和塑性，但強(qiáng)度較低，不可能通過相變使之強(qiáng)化，僅能通過冷加工進(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（Cr-Ni）不銹鋼成分改型合金，是

4、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3。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，無熱處理硬化現(xiàn)象，無磁性、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生產(chǎn)有很好的指導(dǎo)意義4。1.5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程中不發(fā)生相變, 固溶處理就是把奧氏體不銹鋼加熱到1050 -1

5、100, 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 -950 的鍛件空冷到室溫, 然后再重新加熱到1000 -1050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 , 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)完全浸沒水中, 用水循環(huán), 且水溫不可超過60 。水冷過程中, 應(yīng)時(shí)刻注意水溫, 跟班檢驗(yàn)使用低溫測溫儀及時(shí)測量水溫。1.

6、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)

7、效。 時(shí)效處理是把材料有意識地在室溫或較高溫度存放較長時(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。第二章 設(shè)備2.1 主要設(shè)備表設(shè)備名稱型號數(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洛氏硬度的測試金相顯微鏡 1測316L不銹鋼的顯微組織表2-12.2 主要設(shè)備說明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、膨脹珍珠巖制品砌筑為保溫層。2.2.2數(shù)顯絡(luò)氏硬度計(jì) HRS-150

8、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，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)和場所。2.2.3 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

9、面呈45度傾斜，觀察舒適。 第三章 工藝流程3.1工藝流程圖測試硬度對奧氏體不銹鋼磨金相測試硬度時(shí)效處理650，保溫3h，水冷測試硬度對奧氏體不銹鋼磨金相固溶處理：1050 保溫11min，水冷對奧氏體不銹鋼磨金相圖3-13.2奧氏體不銹鋼磨金相1、由粗到細(xì)的各號砂紙上磨制，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

10、以下。3、精拋后的試樣，便可浸入盛于玻璃皿之浸蝕劑中進(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硬度的測測試 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的標(biāo)準(zhǔn)硬塊放在工作臺上,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48s范圍內(nèi)；如不符，可轉(zhuǎn)動(dòng)

11、油針進(jìn)行調(diào)整，反復(fù)進(jìn)行，直到合適為止。2、選擇試驗(yàn)力時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)手把使所選用的試驗(yàn)力對準(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：1050 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）。奧氏體不銹鋼通過固溶處理來軟化，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

12、冷卻，碳及其它合金元素來不及析出，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，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。通過固溶處理，歪扭的晶格恢復(fù)，伸長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)

13、腐蝕,但通常經(jīng)過各種熱加工后,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5 。 3.5時(shí)效處理時(shí)效處理650，保溫三小時(shí)，水冷。為了消除精密量具或模具、零件在長期使用中尺寸、形狀發(fā)生變化，常在低溫回火后（低溫回火溫度150-250）精加工前，把工件重新加熱到100-150，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，以消除殘

14、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6。 第四章 測試的數(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12345均值硬度（HRC）22.722.220.322.325.222.54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12345均值硬度（HRC）5.15.24.05.04.94.84表4-24.2.

15、2固溶處理的相圖 10*10 40*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12345均值硬度（HRC）6.28.17.16.66.96.98表4-32、邊緣區(qū)域的硬度序號12345均值硬度（HRC）4.82.41.51.82.02.5表4-44.3.2時(shí)效處理的相圖 10*1010*40圖4.3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：1050 保溫11min，然后水淬處理“經(jīng)過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

16、，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600和650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, 尺寸較小；與固溶處理相比，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900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，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，316