1. Термическая обработка ферритной нержавеющей стали: Ферритная нержавеющая сталь, как правило, имеет стабильную однофазную ферритную структуру. При нагревании и охлаждении фазовые переходы не происходят. Поэтому механические свойства не могут быть изменены термической обработкой. Её основная цель — снижение хрупкости и повышение стойкости к межкристаллитной коррозии.
①хрупкость σ-фазы: ферритная нержавеющая сталь очень легко образует σ-фазу, которая представляет собой богатое Cr металлическое соединение. Она твердая и хрупкая, и особенно легко образуется между зернами, что делает сталь хрупкой и увеличивает чувствительность к межкристаллитной коррозии. Образование σ-фазы связано с составом. Кроме того, Cr, Si, Mn, Mo и т. д. все способствуют образованию σ-фазы; это также связано с процессом обработки, особенно нагревом и поддержанием в диапазоне 540~815 ℃, что дополнительно способствует образованию σ-фазы. Однако образование σ-фазы обратимо. Повторный нагрев до температуры выше температуры образования σ-фазы приведет к повторному растворению в твердом растворе.
2. Хрупкость при 475 ℃: Когда ферритная нержавеющая сталь нагревается в течение длительного времени в диапазоне 400 ~ 500 ℃, она проявляет характеристики повышенной прочности и пониженной вязкости, то есть повышенной хрупкости, что наиболее очевидно при 475 ℃, что называется хрупкостью при 475 ℃. Это происходит потому, что при этой температуре атомы Cr в феррите перестраиваются, образуя небольшую богатую Cr область, которая когерентна с исходной фазой, вызывая искажение решетки, создавая внутренние напряжения, увеличивая твердость стали и увеличивая ее хрупкость. Одновременно с образованием богатой Cr области должна быть область с низким содержанием Cr, что оказывает отрицательное влияние на коррозионную стойкость. При повторном нагреве стали до температуры выше 700 ℃ искажение и внутреннее напряжение устраняются, и хрупкость при 475 ℃ исчезает.
3. Высокотемпературная хрупкость: при нагревании выше 925°C и быстром охлаждении Cr, C, N и др. образуют соединения, которые осаждаются в зернах и на их границах, вызывая повышенную хрупкость и возникновение межкристаллитной коррозии. Эти соединения можно удалить при нагревании до 750–850°C и последующем быстром охлаждении.
Процесс термической обработки:
① Отжиг: Для устранения σ-фазы, хрупкости при 475°C и высокотемпературной хрупкости можно использовать отжиг с нагревом при 780–830°C, выдержкой в тепле и последующим охлаждением на воздухе или в печи. Для сверхчистой ферритной нержавеющей стали (содержание C≤0,01% при строгом контроле содержания Si, Mn, S, P) можно повысить температуру нагрева при отжиге.
② Снятие напряжений: После сварки и холодной обработки в деталях могут возникать напряжения. Если отжиг не подходит в конкретных условиях, можно использовать нагрев, поддержание в тепле и охлаждение на воздухе в диапазоне температур 230–370 °C для снятия внутренних напряжений и повышения пластичности.
2. Термическая обработка аустенитной нержавеющей стали: Влияние легирующих элементов, таких как Cr и Ni, на аустенитную нержавеющую сталь приводит к снижению точки плавления (Ms) ниже комнатной температуры (от -30 до -70 °C). Для обеспечения стабильности аустенитной структуры при нагреве и охлаждении выше комнатной температуры не происходит фазовых переходов. Поэтому основной целью термической обработки аустенитной нержавеющей стали является не изменение механических свойств, а повышение коррозионной стойкости.
А. Обработка на твердый раствор аустенитной нержавеющей стали
Функция:
① Выделение и растворение карбидов сплава в стали: C в стали является одним из легирующих элементов. Помимо того, что он играет определенную упрочняющую роль, он не способствует коррозионной стойкости, особенно когда C образует карбиды с Cr, эффект еще хуже, и следует прилагать усилия для уменьшения его присутствия. По этой причине, согласно характеристикам C в аустените, которые изменяются с температурой, то есть растворимость велика при высокой температуре и мала при низкой температуре. Согласно данным, растворимость C в аустените составляет 0,34% при 1200 ℃, 0,18% при 1000 ℃ и 0,02% при 600 ℃, и еще меньше при комнатной температуре. Поэтому сталь нагревают до высокой температуры, чтобы полностью растворить соединение C-Cr, а затем быстро охлаждают, чтобы оно не успело выпасть в осадок, чтобы обеспечить коррозионную стойкость стали, особенно стойкость к межкристаллитной коррозии.
2. σ-фаза: Длительный нагрев аустенитной стали в диапазоне температур 500–900 °C или добавление в сталь таких элементов, как Ti, Nb и Mo, способствует выделению σ-фазы, что делает сталь более хрупкой и снижает коррозионную стойкость. Способ устранения σ-фазы заключается в её растворении при температуре выше возможной температуры выделения, а затем быстром охлаждении для предотвращения повторного выделения.
Процесс:
В стандарте GB1200 рекомендуемый диапазон температур нагрева относительно широк: 1000–1150 °C, обычно 1020–1080 °C. С учётом состава конкретной марки стали, будь то литьё или поковка и т.д., температуру нагрева следует корректировать в пределах допустимого диапазона. Низкая температура нагрева препятствует полному растворению карбидов C-Cr. Слишком высокая температура также может привести к проблемам с ростом зерна и снижению коррозионной стойкости.
Метод охлаждения: Охлаждение следует проводить с более высокой скоростью, чтобы предотвратить повторное выделение карбидов. В стандартах моей страны и некоторых других стран указано «быстрое охлаждение» после обработки на твердый раствор. Объединяя различные литературные источники и практический опыт, шкалу «быстрого» охлаждения можно определить следующим образом:
Содержание C ≥ 0,08%; содержание Cr > 22%, содержание Ni относительно высокое; содержание C < 0,08%, но эффективный размер > 3 мм, необходимо водяное охлаждение;
Содержание углерода < 0,08%, размер < 3 мм, можно охлаждать воздухом;
Эффективный размер ≤ 0,5 мм может охлаждаться воздухом.
Б. Стабилизирующая термическая обработка аустенитной нержавеющей стали
Стабилизирующая термическая обработка ограничивается аустенитной нержавеющей сталью, содержащей стабилизирующие элементы Ti или Nb, например, 1Х18Н9Т, 0Х18Н11Б и т. д.
Функция:
Как уже упоминалось, Cr соединяется с C, образуя соединения типа Cr23C6, и выделяется на границах зерен, что является причиной снижения коррозионной стойкости аустенитной нержавеющей стали. Cr является сильным карбидообразующим элементом. Пока есть возможность, он будет соединяться с C и выделяться. Поэтому в сталь добавляют элементы Ti и Nb с более сильным сродством, чем Cr и C, и создают условия, при которых C преимущественно соединяется с Ti и Nb, уменьшая вероятность соединения C с Cr, благодаря чему Cr стабильно удерживается в аустените, обеспечивая тем самым коррозионную стойкость стали. Стабилизирующая термическая обработка играет роль в связывании Ti, Nb с C и стабилизации Cr в аустените.
Процесс:
Температура нагрева: эта температура должна быть выше температуры растворения Cr23C6 (400–825 ℃), ниже или немного выше начальной температуры растворения TiC или NbC (например, диапазон температур растворения TiC составляет 750–1120 ℃), а температура стабилизационного нагрева обычно выбирается в диапазоне 850–930 ℃, что обеспечивает полное растворение Cr23C6, в результате чего Ti или Nb соединятся с C, а Cr продолжит оставаться в аустените.
Метод охлаждения: Обычно используется воздушное охлаждение, а также водяное охлаждение или охлаждение в печи, выбор которого определяется в зависимости от конкретных условий эксплуатации деталей. Скорость охлаждения не оказывает существенного влияния на эффект стабилизации. Согласно результатам наших экспериментальных исследований, при охлаждении от температуры стабилизации 900°C до 200°C скорость охлаждения составляет 0,9°C/мин и 15,6°C/мин. Для сравнения, металлографическая структура, твёрдость и стойкость к межкристаллитной коррозии практически одинаковы.
C. Обработка аустенитной нержавеющей стали для снятия напряжений
Назначение: Детали из аустенитной нержавеющей стали неизбежно подвержены напряжениям, таким как технологическое напряжение и сварочное напряжение при холодной обработке. Наличие этих напряжений может привести к негативным последствиям, таким как влияние на размерную стабильность; коррозионное растрескивание под напряжением возникает при использовании деталей, подверженных напряжению, в средах, содержащих Cl, H₂S, NaOH и других. Это внезапное локальное повреждение без предвестников и крайне опасно. Поэтому детали из аустенитной нержавеющей стали, используемые в определённых условиях эксплуатации, должны минимизировать напряжения, что может быть достигнуто методами снятия напряжений.
Процесс: При благоприятных условиях обработка твердым раствором и стабилизация позволяют лучше снять напряжения (охлаждение в воде с твердым раствором также приводит к определённым напряжениям), но иногда этот метод недопустим, например, в случае труб в контуре, готовых деталей без полей и деталей особо сложной формы, которые легко деформируются. В этом случае для снятия некоторых напряжений можно использовать метод снятия напряжений нагревом при температуре ниже 450 °C. Если деталь используется в условиях сильной коррозии и напряжения необходимо полностью снять, это следует учитывать при выборе материалов, таких как сталь, содержащая стабилизирующие элементы, или сверхнизкоуглеродистая аустенитная нержавеющая сталь.
D. Термическая обработка мартенситной нержавеющей стали
Наиболее важной особенностью мартенситной нержавеющей стали по сравнению с ферритной, аустенитной и дуплексной нержавеющей сталью является возможность регулирования механических свойств в широком диапазоне с помощью методов термической обработки в соответствии с различными условиями эксплуатации. Различные методы термической обработки также по-разному влияют на коррозионную стойкость.
① Организационное состояние мартенситной нержавеющей стали после закалки
В зависимости от химического состава
0Х13, 1Х13, 1Х17Н2 – мартенсит + небольшое количество феррита;
2Х13, 3Х13, 2Х17Н2 — в основном мартенситные организации;
4Cr13 и 9Cr18 — карбиды сплавов на мартенситной матрице;
0Cr13Ni4Mo и 0Cr13Ni6Mo представляют собой остаточный аустенит на мартенситной матрице.
② Коррозионная стойкость и термическая обработка мартенситной нержавеющей стали
Термическая обработка мартенситной нержавеющей стали может не только изменить механические свойства, но и по-разному повлиять на коррозионную стойкость. Например, отпуск после закалки: после закалки в мартенсит используется низкотемпературный отпуск, который повышает коррозионную стойкость; среднетемпературный отпуск при 400–550 °C снижает коррозионную стойкость; высокотемпературный отпуск при 600–750 °C повышает коррозионную стойкость.
③ Процесс термической обработки и функции мартенситной нержавеющей стали
Отжиг: в зависимости от цели и выполняемой функции могут использоваться различные методы отжига: низкотемпературный отжиг (также называемый неполным отжигом) может применяться только для снижения твёрдости, облегчения обработки и снятия напряжений. Температура нагрева может варьироваться в диапазоне 740–780 °C, а твёрдость может быть гарантирована на уровне 180–230 HB охлаждением на воздухе или в печи.
Для улучшения структуры поковки или литья, снижения твёрдости и обеспечения низких эксплуатационных характеристик при прямом применении может использоваться полный отжиг, обычно нагреваемый до 870–900 °C, охлаждаемый в печи после изоляции или охлаждаемый до температуры ниже 600 °C со скоростью ≤40 °C/ч. Твёрдость может достигать 150–180 HB;
Изотермический отжиг может заменить полный отжиг, достигая цели полного отжига. Температура нагрева составляет 870–900 °C, после чего печь охлаждается до 700–740 °C и выдерживается в течение длительного времени (см. кривую превращения), после чего печь охлаждается до температуры ниже 550 °C и вынимается из печи. Твёрдость может достигать 150–180 HB. Изотермический отжиг также является эффективным способом улучшения структуры стали после ковки и повышения механических свойств после закалки и отпуска, особенно ударной вязкости.
Закалка: Основная цель закалки мартенситной нержавеющей стали — упрочнение. Сталь нагревают до температуры выше критической, поддерживают в тепле, чтобы карбид полностью растворился в аустените, а затем охлаждают с необходимой скоростью для получения закаленной мартенситной структуры.
Выбор температуры нагрева: Основной принцип заключается в обеспечении образования аустенита, а также в полном растворении карбидов сплава в аустените и гомогенизации; также невозможно сделать зерна аустенита грубыми или иметь феррит или остаточный аустенит в структуре после закалки. Это требует, чтобы температура нагрева при закалке не была слишком низкой или слишком высокой. Температура нагрева при закалке мартенситной нержавеющей стали немного различается в зависимости от материала, и рекомендуемый диапазон широк. Согласно нашему опыту, обычно достаточно нагрева в диапазоне 980~1020 ℃. Конечно, для специальных марок стали, особого контроля компонентов или особых требований температура нагрева должна быть соответствующим образом снижена или повышена, но принцип нагрева не должен нарушаться.
Способ охлаждения: В связи с особенностями состава мартенситной нержавеющей стали, аустенит относительно стабилен, кривая С смещена вправо, а критическая скорость охлаждения относительно низкая, поэтому для достижения эффекта закалки мартенсита можно использовать охлаждение маслом и охлаждение воздухом. Однако для деталей, требующих большой глубины закалки и высоких механических свойств, особенно ударной вязкости, следует использовать охлаждение маслом.
Отпуск: После закалки мартенситная нержавеющая сталь приобретает мартенситную структуру с высокой твёрдостью, хрупкостью и высоким внутренним напряжением, поэтому её необходимо отпускать. Мартенситная нержавеющая сталь в основном используется при двух температурах отпуска:
Отпуск при температуре 180–320 °C. Образуется отпущенная мартенситная структура, сохраняющая высокую твёрдость и прочность, но низкую пластичность и вязкость, а также обладающая хорошей коррозионной стойкостью. Низкотемпературный отпуск может применяться, например, для инструментов, подшипников, износостойких деталей и т. д.
Отпуск при температуре 600–750 °C позволяет получить отпущенную мартенситную структуру. Сталь обладает хорошими комплексными механическими свойствами, такими как прочность, твёрдость, пластичность и вязкость. Отпуск можно проводить при нижней или верхней предельной температуре в зависимости от требований к прочности, пластичности и вязкости. Эта структура также обладает хорошей коррозионной стойкостью.
Отпуск при температуре 400–600 °C обычно не применяется, поскольку при этом из мартенсита выделяются высокодисперсные карбиды, что приводит к отпускной хрупкости и снижению коррозионной стойкости. Однако пружины, например, из стали 3Cr13 и 4Cr13, можно отпускать при этой температуре, достигая твёрдости HRC 40–45, сохраняя при этом хорошую эластичность.
Охлаждение после отпуска, как правило, осуществляется на воздухе, но для сталей, склонных к отпускной хрупкости, таких как 1Х17Н2, 2Х13, 0Х13Н4М и др., рекомендуется использовать охлаждение в масле после отпуска. Кроме того, следует отметить, что отпуск следует проводить в течение времени после закалки: не более 24 часов летом и не более 8 часов зимой. Если отпуск невозможно провести в срок, соответствующий температуре процесса, следует также принять меры по предотвращению образования статических трещин.
E. Термическая обработка ферритно-аустенитной дуплексной нержавеющей стали
Дуплексная нержавеющая сталь – молодой представитель семейства нержавеющих сталей, разработанный позднее, но её характеристики широко известны и ценятся. Благодаря своему составу (высокое содержание Cr, низкое содержание Ni, Mo, N) и структурным свойствам дуплексная нержавеющая сталь обладает более высокой прочностью и пластичностью, чем аустенитная и ферритная нержавеющая сталь; коррозионной стойкостью, эквивалентной аустенитной нержавеющей стали; более высокой стойкостью к точечной коррозии, щелевой коррозии и коррозии под напряжением, чем любая нержавеющая сталь в среде Cl- и морской воде.
Функция:
① Устранение вторичного аустенита: при высоких температурах (например, литье или ковка) количество феррита увеличивается. При температуре выше 1300 °C он может образовывать однофазный феррит. Этот высокотемпературный феррит нестабилен. При дальнейшем старении при более низкой температуре выделяется аустенит. Этот аустенит называется вторичным. Содержание Cr и N в этом аустените меньше, чем в нормальном аустените, поэтому он может стать источником коррозии, поэтому его следует удалять термической обработкой.
② Исключите карбид типа Cr23C6: в двухфазной стали при температуре ниже 950 ℃ выделяется карбид Cr23C6, что повышает хрупкость и снижает коррозионную стойкость, поэтому его следует исключить.
③ Устраните нитриды Cr2N и CrN: поскольку в стали присутствует элемент N, он может образовывать нитриды с Cr, что влияет на механическую и коррозионную стойкость, и его следует устранить.
4. Устранение интерметаллических фаз: характеристики состава дуплексной стали способствуют образованию некоторых интерметаллических фаз, таких как σ-фаза и γ-фаза, которые снижают коррозионную стойкость и повышают хрупкость, и их следует устранять.
Процесс: Подобно аустенитной стали, применяется обработка на твердый раствор, нагрев до температуры 980~1100 ℃, а затем быстрое охлаждение, обычно водяное охлаждение.
F. Термическая обработка дисперсионно-твердеющей нержавеющей стали
Дисперсионно-твердеющая нержавеющая сталь появилась относительно поздно. Это тип нержавеющей стали, который был испытан, обобщен и усовершенствован в человеческой практике. Среди нержавеющих сталей, появившихся ранее, ферритная и аустенитная нержавеющая сталь обладают хорошей коррозионной стойкостью, но механические свойства невозможно регулировать методами термической обработки, что ограничивает их применение. Мартенситная нержавеющая сталь может регулировать механические свойства в более широком диапазоне методов термической обработки, но ее коррозионная стойкость низкая.
Функции:
Он имеет более низкое содержание C (обычно ≤0,09%), более высокое содержание Cr (обычно ≥14%), а также Mo, Cu и других элементов, что обеспечивает ему более высокую коррозионную стойкость, сравнимую даже с аустенитной нержавеющей сталью. Благодаря обработке на твердый раствор и старению может быть получена структура с фазой дисперсионного твердения, выделенной на мартенситной матрице, поэтому она имеет более высокую прочность, а прочность, пластичность и вязкость можно регулировать в определенном диапазоне в соответствии с регулированием температуры старения. Кроме того, метод термической обработки сначала твердого раствора, а затем дисперсионного упрочнения может быть обработан в основную форму при низкой твердости после обработки на твердый раствор, а затем упрочнен старением, что снижает стоимость обработки и лучше, чем у мартенситной стали.
Классификация:
① Мартенситно-твердеющая нержавеющая сталь и её термическая обработка: Характеристики мартенситно-твердеющей нержавеющей стали: начальная температура Ms превращения аустенита в мартенсит выше комнатной температуры. После нагревания для аустенизации и более быстрого охлаждения образуется реечная мартенситная матрица. После старения из реечной мартенситной матрицы выделяются мелкие частицы Cu, что повышает её прочность.
②Термическая обработка полуаустенитной нержавеющей стали: температура плавления (Ms) этой стали обычно немного ниже комнатной температуры, поэтому после обработки на твердый раствор и охлаждения до комнатной температуры получается аустенитная структура с очень низкой прочностью. Для повышения прочности и твердости матрицы ее необходимо снова нагреть до 750–950 °C и поддерживать в тепле. На этом этапе в аустените выделяются карбиды, устойчивость аустенита снижается, а температура плавления (Ms) повышается до температуры выше комнатной. При последующем охлаждении получается мартенситная структура. Некоторые стали также могут подвергаться холодной обработке (обработке при отрицательных температурах) с последующим старением для получения упрочненной стали с выделениями в мартенситной матрице.
Видно, что после соответствующей обработки дисперсионно-твердеющей мартенситной нержавеющей стали механические свойства полностью достигают характеристик мартенситной нержавеющей стали, а коррозионная стойкость эквивалентна свойствам аустенитной нержавеющей стали. Следует отметить, что, хотя мартенситная и дисперсионно-твердеющая нержавеющая сталь могут быть упрочнены методами термической обработки, механизм упрочнения различен. Благодаря своим свойствам дисперсионно-твердеющая нержавеющая сталь получила высокую оценку и широкое применение.
Время публикации: 06 февраля 2025 г.