1. Термическая обработка ферритной нержавеющей стали: Ферритная нержавеющая сталь, как правило, представляет собой стабильную монокристаллическую ферритную структуру. При нагреве или охлаждении фазовых переходов не происходит. Поэтому механические свойства нельзя регулировать с помощью термической обработки. Ее основная цель — снижение хрупкости и повышение стойкости к межкристаллитной коррозии.
① Хрупкость σ-фазы: Ферритная нержавеющая сталь очень легко образует σ-фазу, представляющую собой богатое хромом металлическое соединение. Она твердая и хрупкая, особенно легко образуется между зернами, что делает сталь хрупкой и повышает чувствительность к межкристаллитной коррозии. Образование σ-фазы связано с составом. Кроме того, Cr, Si, Mn, Mo и др. способствуют образованию σ-фазы; это также связано с процессом обработки, особенно с нагревом и выдержкой 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 ее растворению в твердом растворе.
②Хрупкость при 475℃: При длительном нагреве ферритной нержавеющей стали в диапазоне 400–500℃ проявляются признаки повышения прочности и снижения ударной вязкости, то есть повышения хрупкости. Это наиболее очевидно при 475℃, и называется хрупкостью при 475℃. Это происходит потому, что при этой температуре атомы хрома в феррите перестраиваются, образуя небольшую область, обогащенную хромом, которая когерентна с исходной фазой, вызывая искажение кристаллической решетки, создавая внутренние напряжения, повышая твердость стали и увеличивая ее хрупкость. Одновременно с образованием области, обогащенной хромом, неизбежно образуется область, обедненная хромом, что негативно сказывается на коррозионной стойкости. При повторном нагреве стали до температуры выше 700℃ искажение и внутренние напряжения исчезают, и хрупкость при 475℃ пропадает.
③ Высокотемпературная хрупкость: При нагреве выше 925℃ и быстром охлаждении Cr, C, N и др. образуют соединения, которые осаждаются в зернах и на границах зерен, вызывая повышенную хрупкость и межкристаллитную коррозию. Это соединение можно устранить нагревом до 750–850℃ с последующим быстрым охлаждением.
Процесс термообработки:
① Отжиг: Для устранения σ-фазы, хрупкости при 475℃ и высокотемпературной хрупкости можно использовать отжиг, нагревая при температуре 780–830℃, выдерживая при этом в нагретом состоянии, а затем охлаждая на воздухе или в печи. Для сверхчистой ферритной нержавеющей стали (содержащей C≤0,01%, со строгим контролем Si, Mn, S, P) температуру нагрева при отжиге можно повысить.
② Обработка для снятия внутренних напряжений: После сварки и холодной обработки в деталях могут возникать напряжения. Если отжиг не подходит для конкретных условий, для устранения некоторых внутренних напряжений и повышения пластичности можно использовать нагрев, поддержание высокой температуры и воздушное охлаждение в диапазоне 230–370℃.
2. Термическая обработка аустенитной нержавеющей стали: Влияние легирующих элементов, таких как Cr и Ni, в аустенитной нержавеющей стали приводит к снижению температуры плавления ниже комнатной (-30–70℃). Для обеспечения стабильности аустенитной структуры фазовые переходы выше комнатной температуры при нагреве и охлаждении не происходят. Поэтому основная цель термической обработки аустенитной нержавеющей стали заключается не в изменении механических свойств, а в повышении коррозионной стойкости.
А. Термическая обработка аустенитной нержавеющей стали.
Функция:
① Образование и растворение легирующих карбидов в стали: углерод (C) в стали является одним из легирующих элементов. Помимо упрочняющей роли, он не способствует коррозионной стойкости, особенно когда углерод образует карбиды с хромом (Cr), эффект еще хуже, поэтому необходимо принимать меры для уменьшения его присутствия. По этой причине, учитывая температурные характеристики углерода в аустените, а именно, его растворимость высока при высоких температурах и низка при низких. Согласно данным, растворимость углерода 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 для полного растворения соединения C-Cr, а затем быстро охлаждают, чтобы предотвратить его осаждение, тем самым обеспечивая коррозионную стойкость стали, особенно устойчивость к межкристаллитной коррозии.
②σ-фаза: Если аустенитную сталь долго нагревать в диапазоне 500-900℃ или добавлять в сталь такие элементы, как Ti, Nb и Mo, это способствует осаждению σ-фазы, делая сталь более хрупкой и снижая коррозионную стойкость. Способ устранения σ-фазы заключается в ее растворении при температуре выше возможной температуры осаждения, а затем быстром охлаждении для предотвращения повторного осаждения.
Процесс:
В стандарте GB1200 рекомендуемый диапазон температур нагрева достаточно широк: 1000–1150℃, обычно 1020–1080℃. С учетом конкретного состава марки стали, типа отливки или ковки и т.д., температуру нагрева следует соответствующим образом регулировать в пределах допустимого диапазона. При низкой температуре нагрева карбиды C-Cr не смогут полностью раствориться. При слишком высокой температуре также возникнут проблемы с ростом зерен и снижением коррозионной стойкости.
Метод охлаждения: Охлаждение следует проводить с большей скоростью, чтобы предотвратить повторное осаждение карбидов. В стандартах моей страны и некоторых других стран указано «быстрое охлаждение» после обработки раствором. На основе анализа различной литературы и практического опыта можно определить шкалу «быстрого» охлаждения следующим образом:
Содержание C ≥ 0,08%; содержание Cr > 22%, содержание Ni относительно высокое; содержание C < 0,08%, но эффективный размер > 3 мм, следует использовать водяное охлаждение;
Содержание углерода < 0,08%, размер частиц < 3 мм, возможно воздушное охлаждение;
Для частиц с эффективным размером ≤ 0,5 мм возможно воздушное охлаждение.
B. Стабилизирующая термообработка аустенитной нержавеющей стали
Стабилизирующая термообработка применяется только к аустенитным нержавеющим сталям, содержащим стабилизирующие элементы Ti или Nb, такие как 1Cr18Ni9Ti, 0Cr18Ni11Nb и др.
Функция:
Как упоминалось выше, хром соединяется с углеродом, образуя соединения типа Cr23C6 и выпадая в осадок на границах зерен, что является причиной снижения коррозионной стойкости аустенитной нержавеющей стали. Хром является сильным карбидообразующим элементом. При любой возможности он будет соединяться с углеродом и выпадать в осадок. Поэтому в сталь добавляют элементы Ti и Nb, обладающие большей аффинностью, чем Cr и C, и создаются условия, при которых углерод преимущественно соединяется с Ti и Nb, уменьшая вероятность соединения углерода с хромом, благодаря чему хром стабильно удерживается в аустените, обеспечивая тем самым коррозионную стойкость стали. Стабилизирующая термообработка играет роль в соединении Ti и Nb с углеродом и стабилизации хрома 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 стабилизирующего нагрева обычно выбирается в диапазоне 850-930℃, что позволит полностью растворить Cr23C6, в результате чего Ti или Nb соединятся с C, а Cr останется в аустените.
Метод охлаждения: Как правило, используется воздушное охлаждение, но также может применяться водяное или печное охлаждение, выбор метода зависит от конкретных условий обработки деталей. Скорость охлаждения не оказывает существенного влияния на стабилизирующий эффект. По результатам наших экспериментальных исследований, при охлаждении от стабилизирующей температуры 900℃ до 200℃ скорость охлаждения составляет 0,9℃/мин и 15,6℃/мин соответственно. При этом металлографическая структура, твердость и межкристаллитная коррозионная стойкость практически одинаковы.
C. Обработка аустенитной нержавеющей стали для снятия внутренних напряжений.
Цель: Детали из аустенитной нержавеющей стали неизбежно подвержены напряжениям, таким как технологические напряжения и сварочные напряжения при холодной обработке. Наличие этих напряжений приводит к неблагоприятным последствиям, например, влияет на стабильность размеров; при использовании деталей, подверженных напряжениям, в средах, содержащих хлор, H2S, NaOH и других, возникает коррозионное растрескивание под напряжением. Это внезапное локальное повреждение, возникающее без предпосылок, и оно очень опасно. Поэтому в деталях из аустенитной нержавеющей стали, используемых в определенных условиях эксплуатации, следует минимизировать напряжения, чего можно достичь с помощью методов снятия напряжений.
Технологический процесс: При благоприятных условиях обработка раствором и стабилизирующая обработка позволяют лучше устранить напряжения (охлаждение твердым раствором в воде также создает определенные напряжения), но иногда этот метод недопустим, например, для труб в контуре, цельных заготовок без кромок и деталей особо сложной формы, легко деформируемых. В этом случае для снятия части напряжений можно использовать метод снятия напряжений путем нагрева при температуре ниже 450 °C. Если заготовка используется в условиях сильной коррозионной стойкости и необходимо полностью устранить напряжения, следует учитывать при выборе материалов, таких как сталь, содержащая стабилизирующие элементы, или аустенитная нержавеющая сталь со сверхнизким содержанием углерода.
D. Термическая обработка мартенситной нержавеющей стали
Наиболее существенной особенностью мартенситной нержавеющей стали по сравнению с ферритной, аустенитной и дуплексной нержавеющей сталью является возможность регулировки механических свойств в широком диапазоне с помощью методов термической обработки для удовлетворения потребностей различных условий 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
0Cr13, 1Cr13, 1Cr17Ni2 представляют собой мартенсит с небольшим количеством феррита;
2Cr13, 3Cr13, 2Cr17Ni2 — это, по сути, мартенситные структуры;
4Cr13 и 9Cr18 представляют собой легированные карбиды на мартенситной матрице;
0Cr13Ni4Mo и 0Cr13Ni6Mo представляют собой остаточный аустенит в мартенситной матрице.
② Коррозионная стойкость и термообработка мартенситной нержавеющей стали
Термическая обработка мартенситной нержавеющей стали может не только изменять механические свойства, но и оказывать различное влияние на коррозионную стойкость. В качестве примера рассмотрим отпуск после закалки: после закалки до мартенсита используется низкотемпературный отпуск, который обеспечивает более высокую коррозионную стойкость; используется среднетемпературный отпуск при 400-550℃, при котором коррозионная стойкость ниже; используется высокотемпературный отпуск при 600-750℃, при котором коррозионная стойкость повышается.
③ Процесс термообработки и функциональные свойства мартенситной нержавеющей стали
Отжиг: В зависимости от цели и требуемых функций могут использоваться различные методы отжига: если необходимо только снизить твердость, облегчить обработку и снять напряжения, может применяться низкотемпературный отжиг (иногда его также называют неполным отжигом). Температуру нагрева можно выбрать в диапазоне 740–780 ℃, а твердость может быть гарантирована на уровне 180–230 HB при воздушном или печном охлаждении;
Для улучшения ковочной или литейной структуры, снижения твердости и обеспечения низких эксплуатационных характеристик для непосредственного применения может использоваться полный отжиг, обычно с нагревом до 870–900℃, охлаждением в печи после изоляции или охлаждением до температуры ниже 600℃ со скоростью ≤40℃/ч. Твердость может достигать 150–180 HB;
Изотермический отжиг может заменить полный отжиг, позволяя достичь цели полного отжига. Температура нагрева составляет 870–900℃, после нагрева и выдержки в печи она охлаждается до 700–740℃ (см. кривую превращения), температура поддерживается в течение длительного времени (см. кривую превращения), затем печь охлаждается до температуры ниже 550℃, после чего печь извлекается. Твердость может достигать 150–180 HB. Этот изотермический отжиг также является эффективным способом улучшения плохой структуры 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 точки, поддерживают высокую температуру, чтобы карбиды полностью растворились в аустените, а затем охлаждают с соответствующей скоростью для получения закаленной мартенситной структуры.
Выбор температуры нагрева: Основной принцип заключается в обеспечении образования аустенита и полного растворения легирующих карбидов в аустените и его гомогенизации; также невозможно, чтобы зерна аустенита были крупными, или чтобы в структуре после закалки присутствовал феррит или остаточный аустенит. Это требует, чтобы температура закалки не была слишком низкой или слишком высокой. Температура закалки мартенситной нержавеющей стали незначительно варьируется в зависимости от материала, и рекомендуемый диапазон широк. По нашему опыту, обычно достаточно нагрева в диапазоне 980–1020 ℃. Конечно, для специальных марок стали, специального контроля компонентов или особых требований температуру нагрева следует соответствующим образом понизить или повысить, но принцип нагрева не должен нарушаться.
Метод охлаждения: В силу особенностей состава мартенситной нержавеющей стали, аустенит относительно стабилен, кривая C смещается вправо, а критическая скорость охлаждения относительно низка, поэтому для достижения эффекта закалки мартенсита можно использовать масляное и воздушное охлаждение. Однако для деталей, требующих большой глубины закалки и высоких механических свойств, особенно ударной вязкости, следует использовать масляное охлаждение.
Отпуск: После закалки мартенситная нержавеющая сталь приобретает мартенситную структуру с высокой твердостью, высокой хрупкостью и высоким внутренним напряжением, и должна быть отпущена. Мартенситная нержавеющая сталь в основном используется при двух температурах отпуска:
Отпуск при температуре 180–320℃. Получается отпущенная мартенситная структура, сохраняющая высокую твердость и прочность, но обладающая низкой пластичностью и ударной вязкостью, а также хорошей коррозионной стойкостью. Например, низкотемпературный отпуск может использоваться для инструментов, подшипников, износостойких деталей и т. д.
Отпуск при температуре 600–750℃ позволяет получить отпущенную мартенситную структуру. Она обладает хорошими комплексными механическими свойствами, такими как прочность, твердость, пластичность и ударная вязкость. Отпуск может проводиться при нижней или верхней предельной температуре в зависимости от требований к прочности, пластичности и ударной вязкости. Эта структура также обладает хорошей коррозионной стойкостью.
Отпуск при температурах 400–600℃ обычно не используется, поскольку отпуск в этом диапазоне температур приводит к осаждению высокодисперсных карбидов из мартенсита, что вызывает хрупкость при отпуске и снижает коррозионную стойкость. Однако пружины, такие как пружины из стали 3Cr13 и 4Cr13, могут быть отпущены при этой температуре, и твердость по Роквеллу (HRC) может достигать 40–45, обеспечивая хорошую эластичность.
Обычно после отпуска используется воздушное охлаждение, но для марок стали, склонных к хрупкости при отпуске, таких как 1Cr17Ni2, 2Cr13, 0Cr13Ni4Mo и др., лучше всего использовать масляное охлаждение. Кроме того, следует отметить, что отпуск необходимо проводить своевременно после закалки: не более 24 часов летом и не более 8 часов зимой. Если отпуск невозможно провести вовремя в соответствии с температурой процесса, следует также принять меры для предотвращения образования статических трещин.
Е. Термическая обработка феррито-аустенитной дуплексной нержавеющей стали.
Дуплексная нержавеющая сталь — относительно новый представитель семейства нержавеющих сталей, разработанный относительно недавно, но её характеристики широко признаны и высоко ценятся. Состав (высокое содержание Cr, низкое содержание Ni, Mo, N) и организационные особенности дуплексной нержавеющей стали обеспечивают ей более высокую прочность и пластичность, чем у аустенитной и ферритной нержавеющих сталей; коррозионную стойкость, эквивалентную аустенитной нержавеющей стали; более высокую устойчивость к точечной, щелевой и коррозионной стойкости, чем у любой другой нержавеющей стали в хлорированной среде и морской воде.
Функция:
① Удаление вторичного аустенита: В условиях высоких температур (например, при литье или ковке) количество феррита увеличивается. При температуре выше 1300℃ может образовываться однофазный феррит. Этот высокотемпературный феррит нестабилен. При дальнейшем старении при более низкой температуре происходит осаждение аустенита. Этот аустенит называется вторичным аустенитом. Содержание Cr и N в этом аустените меньше, чем в обычном аустените, поэтому он может стать источником коррозии, и его следует удалять термической обработкой.
② Исключить карбиды типа Cr23C6: Двухфазная сталь при температуре ниже 950℃ образует осадок Cr23C6, что повышает хрупкость и снижает коррозионную стойкость, поэтому его следует исключить.
③ Устранить нитриды Cr2N и CrN: Поскольку в стали присутствует элемент N, он может образовывать нитриды с хромом, что влияет на механическую прочность и коррозионную стойкость, поэтому 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, поэтому их следует устранять.
Технологический процесс: Аналогично аустенитной стали, применяется термическая обработка, нагрев до температуры 980–1100 ℃, а затем быстрое охлаждение, как правило, водяное.
F. Термическая обработка нержавеющей стали с дисперсионным упрочнением.
Нержавеющая сталь с дисперсионным упрочнением относительно поздно получила развитие. Это тип нержавеющей стали, который был протестирован, изучен и усовершенствован в практическом применении. Среди нержавеющих сталей, появившихся ранее, ферритная и аустенитная нержавеющие стали обладают хорошей коррозионной стойкостью, но их механические свойства нельзя регулировать методами термообработки, что ограничивает их применение. Мартенситная нержавеющая сталь позволяет регулировать механические свойства в более широком диапазоне с помощью методов термообработки, но её коррозионная стойкость низка.
Функции:
Она имеет более низкое содержание углерода (обычно ≤0,09%), более высокое содержание хрома (обычно ≥14%), а также молибдена, меди и других элементов, что обеспечивает ей более высокую коррозионную стойкость, сравнимую даже с аустенитной нержавеющей сталью. Благодаря обработке раствором и старению можно получить структуру с фазой дисперсионного упрочнения, осажденной на мартенситной матрице, что обеспечивает более высокую прочность, а прочность, пластичность и ударную вязкость можно регулировать в определенном диапазоне в зависимости от температуры старения. Кроме того, метод термической обработки с предварительным образованием твердого раствора и последующим дисперсионным упрочнением позволяет получить базовую форму с низкой твердостью после обработки твердым раствором, а затем упрочнить ее старением, что снижает затраты на обработку и превосходит мартенситную сталь.
Классификация:
①Нержавеющая сталь с мартенситным дисперсионным упрочнением и ее термическая обработка: Характеристики нержавеющей стали с мартенситным дисперсионным упрочнением таковы: начальная температура Ms аустенитно-мартенситного превращения выше комнатной температуры. После нагрева, аустенитизации и быстрого охлаждения образуется пластинчатая мартенситная матрица. После старения из пластинчатой мартенситной матрицы выпадают мелкие частицы меди, что приводит к упрочнению.
②Термическая обработка полуаустенитной нержавеющей стали: Температура Ms этой стали обычно немного ниже комнатной температуры, поэтому после обработки твердым раствором и охлаждения до комнатной температуры получается аустенитная структура с очень низкой прочностью. Для повышения прочности и твердости матрицы необходимо повторно нагреть ее до 750-950℃ и поддерживать высокую температуру. На этом этапе в аустените происходит осаждение карбидов, снижается стабильность аустенита, и температура Ms повышается выше комнатной температуры. При повторном охлаждении получается мартенситная структура. Некоторые также могут добавить холодную обработку (обработку при отрицательных температурах), а затем выдержать сталь для получения упрочненной стали с осаждениями в мартенситной матрице.
Видно, что после соответствующей обработки мартенситной нержавеющей стали с дисперсионным упрочнением механические свойства полностью достигают характеристик мартенситной нержавеющей стали, а коррозионная стойкость эквивалентна коррозионной стойкости аустенитной нержавеющей стали. Следует отметить, что, хотя мартенситную нержавеющую сталь и нержавеющую сталь с дисперсионным упрочнением можно упрочнить методами термической обработки, механизм упрочнения различен. Благодаря своим характеристикам нержавеющая сталь с дисперсионным упрочнением высоко ценится и широко используется.
Дата публикации: 06 февраля 2025 г.