什么是铁素体型不锈钢

2019-03-0716:16:14什么是铁素体型不锈钢已关闭评论

铁素体不锈钢一般指含铬量在11%~30%,晶体结构为体心立方晶格的铁基合金。有的除铬元素外还添加其他形成和稳定铁素体组织的合金元素,如钼、铝、钛等。铁素体不锈钢含碳量都比较低,小于或等于0.12%,但铸造的铁素体不锈钢ZGCr28的含碳量较高,达0.50%~1.00%。

什么是铁素体型不锈钢

 

一、铁素体不锈钢常见类型

铁素体不锈钢按含铬量的不同,习惯上分为三个类型。

1.低铬铁素体不锈钢

含铬量11%~14%的钢称低铬铁素体不锈钢。其中有的加入铝元素,常见牌号有00Cr12、0Cr13Al。目前,我国标准中的低铬铁素体不锈钢品种较少,主要用于棒材和板材生产中。

2.中铬铁素体不锈钢

含铬量大于14%~19%的钢称中铬铁素体不锈钢,有的还加入钼元素。中铬铁素体不锈钢品种、牌号比较多,用于棒材、锻件、板材等的生产,也用于铸件的生产。常见中铬铁素体不锈钢牌号有1Cr17、Y1Cr17、1Cr17Mo、00Cr18Mo2、ZG1Cr17等。

3.高铬铁素体不锈钢

含铬量大于19%~30%的钢称高铬铁素体不锈钢,有的还加入钼、氮等合金元素,有些板材中还加入钛、铌等元素。高铬铁素体不锈钢也广泛用于棒材、锻件、板材及铸件的生产。常见的高铬铁素体不锈钢牌号有00Cr27Mo、00Cr30Mo2、ZGCr28等。其中,00Cr27Mo、00Cr30Mo2因含碳量低于0.01%,所以要严格控制含氮量,而且硅、锰、硫、磷(P)等要低于中铬、低铬铁素体不锈钢,故又称其为高纯高铬铁素体不锈钢。

二、铁素体不锈钢的特点及应用

铬是铁素体不锈钢的主要元素,它决定了钢的组织和特性,对钢的力学性能和耐腐蚀性能产生较大影响。见图2-1。

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图2-1 铬对铁素体不锈钢性能的影响

铁素体不锈钢的组织是铁素体,这就决定了其力学性能的特点是强度较低,有一定的塑性和韧性。铬元素含量的多少主要对钢的韧性产生的影响较大。铁素体不锈钢不能用热处理方法调整力学性能,因此,在使用上受到一定的限制。

铬含量的增加能提高铁素体不锈钢的耐腐蚀能力。铁素体不锈钢主要适用于氧化性介质,在还原性介质中耐腐蚀性差。其在含有氯化物介质中的抗应力腐蚀开裂能力是突出特点之一,比铬-镍奥氏体不锈钢还优秀,但当出现点腐蚀和晶间腐蚀,则会引发应力腐蚀开裂。铁素体不锈钢对晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀都很敏感,但在降低碳的含量,添加钼元素后会得到改善。

铁素体不锈钢广泛应用于硝酸、硝铵、维尼纶生产中的吸收塔、换热器、贮罐以及阀门、泵等零件中。其强度不太高,韧性较差,应尽量不用于较高压力的容器制造。

三、铁素体不锈钢热处理的作用和目的

铁素体不锈钢一般情况下是稳定的单相铁素体组织,加热和冷却不发生相变,所以,铁素体不锈钢热处理的目的不是改变组织,而是要消除或减弱在各生产工序中可能产生的第二相及其带来的不利影响,这些影响大概可以包括以下几个方面。

1.σ相脆性

铁素体不锈钢,特别是高铬铁素体不锈钢是容易生成σ相的钢种。σ相的形成与钢的成分、组织、加热温度、预先冷加工等因素有关。含铬量越高越易生成σ相,硅、镍、锰、钼促进σ相生成,碳、氮有抑制σ相生成的作用,通常在540~815℃加热就会产生σ相,在700~800℃加热,σ相生成速度最快。

σ相是富铬的金属间化合物,是一种硬而脆的相。所以,σ相的存在会使钢变脆,其通常是在铁素体晶界处析出,还会降低钢的耐腐蚀性能。使用铁素体不锈钢时,应尽量减少σ相的存在。

σ相的生成是可逆的。把钢加热到高于σ相生成温度范围,σ相便会重新溶解到固溶体中,减少对钢的危害。通常把钢加热到900℃以上即可消除σ相。

在有些特定的使用环境中,如用于静载荷或摩擦条件下,可利用σ相对钢起到的强化作用,提高使用效果。

2.475℃脆性

铁素体不锈钢在400~500℃长时间加热后,会表现出强度升高、韧性大幅度下降的特征,因其在475℃左右表现最明显,故常称为475℃脆性。铁素体不锈钢的这种脆性倾向,随钢中含铬量的提高而增大,产生脆性的温度也随含铬量增高而移向较高的温度。

研究表明,铁素体不锈钢在400~500℃这个温度区间长时间加热过程中,铁素体内的铬原子将重新排列,形成许多富铬的小区域,它们与母相共格,引起点阵畸变和内应力,从而使钢的强度升高,韧性降低,见图2-2。

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图2-2 真空冶炼的25%铬钢经图示温度加热100h后机械性能变化

同时,晶体内既然形成了富铬区,也必然存在贫铬区,又加之有内应力存在,使钢的耐腐蚀性也会降低。见图2-3。

铁素体不锈钢高于700℃温度加热时,由于铬原子重新排列引起的畸变和内应力会消除,所以,其带来的对钢的不利影响也随之消除。即475℃脆性在高于这个温度进行加热会被消除。

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图2-3 加热温度对高铬钢在沸腾的50%硝酸中耐腐蚀性的影响

3.高温脆性

当铁素体不锈钢中含有一定量的碳、氮等间隙元素时,加热到950℃以上再冷却下来,可使钢在室温下的塑性和韧性降低,呈现出明显的脆性,一般称为铁素体不锈钢的高温脆性。这种现象经常发生在铸件、焊接件以及在950℃以上加热的工件中。

铁素体不锈钢中高温脆性产生的原因,认为是自高温冷却下来的过程中,钢中的铬与碳和氮形成化合物并在晶内和晶界析出的结果。这种析出物的存在不仅降低钢的韧性,也降低钢的耐腐蚀性。这种不利影响不仅限制了钢在高温下的使用,也对焊接质量产生有害的作用。

铁素体不锈钢的高温脆性可以通过将钢加热到750~850℃,然后以较快速度冷却来消除,使钢的塑性得到恢复。

4.晶间腐蚀

铁素体不锈钢也会产生晶间腐蚀。研究和实践证明,铁素体不锈钢加热到925℃以上,就是以较快速度冷却到室温,也将处于引起晶间腐蚀的敏化状态。这点与奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀的条件是不同的。普通铁素体不锈钢焊接后,焊缝区,特别是紧邻熔合线处即符合这种产生敏化的条件。

铁素体不锈钢产生晶间腐蚀的原因,认为是钢从较高温度冷却下来时,会有含铬的碳化物和氮化物从晶间沉淀析出的结果。而在低于900℃温度加热冷却后,晶间腐蚀倾向明显减弱。这可从许多研究者的大量实验结果得到证实,见表2-1。

表2-1 热处理对于0.095碳-0.077氮-26铬不锈钢晶间腐蚀的影响

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注:介质是Fe2(SO4)3+ 50% H2 SO4

通过研究还证明,对于已经处于晶间腐蚀敏感状态的铁素体不锈钢,一般经过700~800℃短时间加热处理,便可减少或消除晶间腐蚀倾向,这一点也可从表2-1的实验数据中得到验证。

对铁素体不锈钢进行热处理的出发点,就是要消除或减少钢中的σ相脆性、475℃脆性、高温脆性和晶间腐蚀倾向存在而产生的不良效果,同时,尽量减少铸造、焊接、冷加工等加工过程中产生的应力、应变。以保证铁素体不锈钢在使用中具有良好的韧性和耐腐蚀性能,使构件组织、形状和尺寸稳定。

四、铁素体不锈钢热处理工艺

铁素体不锈钢为改善塑性、韧性,保证耐腐蚀性能,消除应力,通常采用退火处理。在我国相关不锈钢标准所列的铁素体不锈钢中,从化学成分控制上可有两种情况,即一般铁素体不锈钢和高纯铁素体不锈钢。后者比前者含碳量更低,严格控制氮含量,对硅、锰、磷、硫等杂质元素的含量控制更严格。所以,在退火工艺上也略显不同。

1.一般铁素体不锈钢的热处理

如前所述,铁素体不锈钢在应用中应避免σ相脆性、475℃脆性、高温脆性及晶间腐蚀敏感倾向的存在,以保证有较好的塑性、韧性、耐腐蚀性和较小的应力。所以,热处理工艺的选择应以此为目标。

(1)退火。

一般铁素体不锈钢的退火温度在700~800℃,以0Cr13Al为例。该钢是在含铬13%左右的基础上加入0.10%~0.30%铝。铝是很强的α相生成元素,钢中加入这个含量的铝使铁素体组织更稳定。按标准规定,0Cr13Al退火温度为780~830℃,保温后空冷或缓冷。这个温度加热可较充分地消除应力,使钢得到软化,改善塑性和韧性,还保证晶粒不被粗化,同时,铬的碳化物、氮化物不会析出,因而提高了钢的耐腐蚀性。

其他牌号的一般铁素体不锈钢的退火加热温度基本上也在这个温度范围,但有的为控制晶粒长大倾向,温度可略低些。含有硒、硫的易切削铁素体不锈钢,为提高切削性能,从机械加工方面考虑,控制钢不被过度软化,其退火温度也要偏低一些。有的为保证合金元素充分固溶,使钢的组织更加均匀,可适当提高一些加热温度,铸造铁素体不锈钢的退火加热温度也应偏高一些。

按照我国的相关标准,常见牌号的铁素体不锈钢的化学成分见表2-2,热处理工艺制度和可达到的性能标准见表2-3。

表2-2 常见铁素体不锈钢的化学成分

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注:(1)允许含有不大于0.60% Ni;

 (2)可加入不大于0. 60%Mo;

 (3)允许含有不大于0. 5 0%Ni;不大于0. 2 0%Cu,而Ni+Cu不大于0. 50%。

表2-3 常见铁素体不锈钢的热处理制度及力学性能

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注:棒材力学性能只适用于不大于75mm尺寸。

铁素体不锈钢的退火加热保温时间一般按30min+δ×1min/ mm计算,δ为有效厚度,mm。

(2)去应力退火。

铁素体不锈钢在焊接和冷加工后,应进行消除应力处理,以消除应力和改善塑性。依据具体情况,可采用较低温度(230~370℃),也可以采用较高温度,在700~760℃保温后,以不大于50℃/h速度缓冷至600℃后空气冷却,这时,消除应力会更彻底一些,但要有σ相少量析出的危险。消除应力处理的保温时间可为1.5~2h或更多。

2.高纯铁素体不锈钢的热处理

高纯铁素体不锈钢指含碳量通常不大于0.01%,特殊要求控制氮含量不大于0.015%,而且硅、锰、磷、硫等杂质元素控制含量也低于一般铁素体不锈钢,见表2-2中00Cr30Mo2和00Cr27Mo。高纯铁素体不锈钢的成分特点使碳、氮及杂质元素给钢带来的不利作用得到改善和减弱,特别是其高温脆性倾向减小,耐腐蚀性能提高,晶间腐蚀的敏感性降低。

因此,高纯铁素体不锈钢的退火温度可以高于一般铁素体不锈钢的退火温度,在较高的温度下进行,通常采用加热保温温度为900~1050℃,保温后快冷。高纯铁素体不锈钢退火后的机械性能见表2-3。

高纯铁素体不锈钢的焊后和冷加工后去应力工艺可同于一般铁素体不锈钢。

这里需要提出注意的一个问题,在我国及其他一些国家的材料标准中,对某些材料的热处理冷却方法标示上略有不同。有的明确标示水冷或油冷或空冷,而有的则标示快冷或缓冷。这种快冷或缓冷的标示方法值得讨论。比如空气冷却,对于一些小截面的零件或高合金马氏体不锈钢,冷却效果已达到快冷效果,而对于较大截面的零件或碳钢,普通合金钢却只能达到缓冷的效果。本书在资料引用时不做改动。但读者在实际应用时,应根据具体材料成分、尺寸大小、形状复杂程度、热处理目的、欲达到的热处理效果和可能出现的热处理缺陷等因素确定实际冷却方法。如缓冷可采用埋灰(砂)冷、坑冷、炉冷或限速冷却,快冷可采用空冷、风冷、油冷、水冷或其他介质冷却等。

三、铁素体不锈钢热处理可能产生的缺陷和预防措施

尽管铁素体不锈钢热处理方法比较简单,但操作不当也可能产生热处理缺陷。

1.晶间腐蚀的敏化倾向

含碳量大于0.01%的一般铁素体不锈钢,退火温度超过850℃以上,由于晶界析出物的产生,会增加晶间腐蚀的敏感性。在实际生产中,有时为提高退火生产进度或者考虑设备利用率,与其他材料混装热处理,可能会忽略铁素体不锈钢的特殊性,提高了退火温度,结果降低了钢的热处理效果。因此,对于铁素体不锈钢的退火应严格执行工艺,控制加热温度。

2.脆性

铁素体不锈钢较高温度加热会产生高温脆性,在600~400℃保温或缓冷会有σ相脆性和475℃脆性产生的可能性。所以,应注意控制加热温度不能过高,又要避免在脆性区温度停留,在600℃以下应空冷为好。

3.晶粒长大

铁素体不锈钢的晶粒度也有随加热温度的升高而长大的倾向,对钢的塑韧性不利。从这一角度考虑,铁素体不锈钢热处理时也应尽量采用较低温度,并防止过热产生。

4.表面贫铬

在氧化性气氛中,铁素体不锈钢高温、短时加热,会使钢表面的铬优先氧化而贫铬。有的研究证明,含18%铬的铁素体不锈钢在788℃加热保持5min,钢表面形成的氧化膜中的含铬量可达21.5%,说明了铬的优先氧化现象,这必然使钢的表面铬量降低,会降低耐腐蚀性。如果长时间加热,氧化膜增厚到一定程度,阻止了氧的进一步侵入,使基体中的铬有机会向贫铬层扩散,贫铬层就会被消除。

所以,对于没有加工余量的制件,工艺条件又可能产生钢件表面贫铬时,可采用光亮退火或真空退火的工艺方法,避免产生铁素体不锈钢的表面贫铬现象。

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