高功能不銹鋼介紹以及用途

瀏覽:362530    日期:2017/1/19 14:28:05

  鋼的強化通常是為了適應(yīng)社會需求而發(fā)展起來的，其強化的方法很多，在理論方面也有許多說明。強化的要求對具有優(yōu)良耐蝕性的不銹鋼也不例外。鋼的強化可以使板厚減薄，結(jié)構(gòu)件輕量化，壽命也可提高。2000年6月修改了建筑標(biāo)準(zhǔn)法施行令，規(guī)定不銹鋼可用于鋼結(jié)構(gòu)．JIS C 4321建筑結(jié)構(gòu)用不銹鋼作為一般結(jié)構(gòu)材使用己被認(rèn)可。當(dāng)今，由于使用環(huán)境十分苛刻以及節(jié)能和環(huán)保等多方面的問題，要求不銹鋼的強度水平要高且多樣化。

    鋼的變形主要是“位錯”的運動，所謂“位錯”就是指結(jié)晶體內(nèi)存在的缺陷，通常在退火狀態(tài)約存在(1010-1012)／m’個。若阻礙這種位錯的運動就難以發(fā)生變形，因此鋼就被強化。

    這種阻礙位錯運動，使鋼強化的方法有固溶強化。析出強化、加工硬化(位錯強化)、馬氏體相變的強化和晶粒細(xì)化的強化等。

    實際上都是復(fù)合利用各種方法，根據(jù)需要進(jìn)行不銹鋼開發(fā)的。本文將對各強化機理進(jìn)行簡單說明并介紹強化不銹鋼的使用例。

    固溶強化就是在純金屬中固溶進(jìn)合金元素，即在母金屬的晶格的原子間隙進(jìn)入其他的合金元素(侵入型)或替換母金屬的原子(置換型)和使母金屬的晶格發(fā)生歪扭，由于這種歪扭在晶體內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力場，阻礙了位錯運動，而使強度提高。實際上不銹鋼就是鉻和鎳對鐵固溶的合金，可以說已經(jīng)處于固溶強化的狀態(tài)，但是鉻和鎳對鐵的固溶強化作用不是很大，侵入型元素C、N對固溶強化的作用最大。

    在SUS 304中固溶氮而達(dá)到高強度化的材料有SUS 304N1(0．Ⅱ-O．25％N)和SUS 304N2(0．15叫．30％N)。與SUS304的0．04x氮量比較是2-7倍的氮含量，在固溶化狀態(tài)的強度達(dá)到SDS 304的15-2．0倍以上，在JIS G 4305的固溶化狀態(tài)下的力學(xué)性能規(guī)定，SUS 304的屈服強度在205N／~以上，而SUS 304N1在275 N／m／以上，SUS 304N2在345 N／mm／以上。這些加氮的強化鋼被廣泛用于結(jié)構(gòu)用強度構(gòu)件。

    固溶強化不僅使常溫下的強度增加，而且作為提高高溫強度的方法也是有效的。因此，與其他強化方法相比，受焊接的熱影響作用小，是確保焊接處特性的最佳強化方法。

    為了改善利用圖述的加工硬化的SUS 301(17Cr-7Ni)的焊接處的耐蝕性而開發(fā)了低碳型SUS 301L，為了保持焊接處的強度，在該鋼中固溶了o．2q6以下的氮量，該鋼作為鐵道車軌用材非常普及。

    固溶元素對Cr-Ni奧氏體系不鎊鋼

    0．2％屈服強度的影響

    這是在母體金屬中形成析出物(碳化物、氮化物、金屬間化合物等)使其強化的方法，析出物具有阻礙位錯運動的作用。在母相呈微細(xì)彌散分布狀態(tài)，最能提高強度。

    鋼中合金元素的固溶度因溫度而不同，利用這一特點而使鋼析出強化。眾所周知，PH型不銹鋼就是這種析出強化鋼，在JIS C 4304中，根據(jù)固溶化狀態(tài)下的基體組織已注冊的有馬氏體系和半奧氏體系兩種析出硬化型不銹鋼。

    馬氏體系的17-4PH不銹鋼、SUS 630(17Cr-4Ni)約含4．0n Cu，在約1050qC高溫下，銅原子固溶于奧氏體相中，在冷卻過程轉(zhuǎn)變成過飽和
含銅馬氏體組織，此后在450-480攝氏度，經(jīng)1－4小時的析出硬化處理，使富銅析出物在馬氏體基體中彌散析出而強化。其硬度在固溶化熱處理時為350HV．在析出硬化處理時為450HV。SUS 630是強度和耐蝕性(耐蝕性與304系不銹鋼相同)兼?zhèn)涞牟牧?，用于彈簧材，航空結(jié)構(gòu)材、刀具和壓合板的壓板等。

    半奧氏體系的FH不銹鋼是強度與加工性兼?zhèn)涞奶厥怃摲N，在SUS 301中加A1的17-7PH不銹鋼、SUS 631(17Cr-7Ni-1．2A1)在固溶化處理后的常溫下具有加工性優(yōu)良的奧氏體系組織。固溶化處理后，在950攝氏度進(jìn)行10分鐘的熱處理，使碳的固溶量變化，提高馬氏體相變點(Ms點)。接著在Ms點(約－70攝氏度)附近冷卻，形成馬氏體組織(RH950處理)。另外，還有在固溶化處理后用冷加工方法引起馬氏體相變的方法(CH900處理)。形成馬氏體后在510攝氏度附近加熱進(jìn)行析出硬化處理，析出NiAl，在奧氏體狀態(tài)其屈服強度約為280 N/平方毫米，析出硬化處理后達(dá)到1520-1790 N/平方毫米。

    對形狀復(fù)雜構(gòu)件的成形要求加工性，也要求滿足強度的要求。但是，在成形加工時必須注意因硬化處理而發(fā)生的尺寸變化。

    ☆加工硬化的強化

    鋼變形時給結(jié)晶加上了剪斷應(yīng)力，在位錯運動的同時，給結(jié)晶導(dǎo)入了大量的位錯。加工硬化加工軋制和拔絲這種塑性變形使晶體內(nèi)的位錯密度增加，是強化鋼的方法。這種加工硬化作用奧氏體系比鐵素體系大得多。

    在18Cr-8Ni組成的亞穩(wěn)定奧氏體系，因位錯密度增大的硬化和馬氏體的生成(加工引起相變)容易得到高強度。

    利用加工硬化的材料稱硬化材，其強度可根據(jù)軋制率的變化按H(硬級)、3／4H和1／2H的強度水平劃分，SUS 301(17Cr-TNi)硬化材在家庭電器機械的壓簧和汽車的引擎墊圈、通信機械的連接器材等板彈簧制品方面使用非常普及。由加工硬化引起的馬氏體具有磁性，所以SUS 301和SUS 304的硬化材也有磁性。

    非磁性的彈簧用材料有含高錳的不銹鋼AISl205(17Cr-15Mn-1．5Ni-O．35N)，該鋼是用錳取代了SUS 301中的鎳，由于其性質(zhì)的不同，可以固溶更多的氮。就是說，可以得到前述的固溶強化的效果。在固溶化處理狀態(tài)下SUS 304的硬度約1801tV，而AISl 205的硬度約2701]V，再進(jìn)行加工時可發(fā)現(xiàn)顯著的加工硬化特性。所有鋼種隨著壓下率增加的同時，硬度也上升。

    ☆晶粒細(xì)化的強化

    人們早己知道晶粒大小影響金屬強度。

    鐵素體晶粒大小對退火的軟鋼屈服強度的影響，可以看出晶粒直徑d與屈服強度間有著直線關(guān)系，晶粒越細(xì)屈服強度越高。這種屈服強度與
晶粒大小間的關(guān)系稱霍爾佩琪法則，因變形在晶粒內(nèi)運動的位錯在晶界其運動被阻，所以晶界大量存在的細(xì)晶粒材料，其強度很高。

    前述的固溶強化、析出強化及加工硬化若過分提高強度，則會使韌性受損。所以，有時根據(jù)加工、使用條件使強度有一定限制。另一方面，當(dāng)晶粒細(xì)化時不但不損壞韌性，而且還能提高強度。

    現(xiàn)在，對鋼鐵材料的晶粒細(xì)化的研究非常盛行，并以“超級金屬的技術(shù)開發(fā)。為題進(jìn)行著開發(fā)，通常不銹鋼的晶粒直徑為數(shù)十微米，但在這些課題中正在研究一種制造方法，使金屬晶粒有1／100到數(shù)百毫微米(nm)，例如，晶粒直徑為300nm的奧氏體系不銹鋼其拉伸強度為1100 N／mm2，約是通常粒徑材料的2倍。為了能在不損害韌性的前提下得到高強度，對這種方法寄予了很大的希望。

    在JIS規(guī)定的不銹鋼中存在具有微細(xì)組織的不銹鋼，這是把不同組織復(fù)合的雙相系不銹鋼。

    SUS329J4L(25Cr—6Ni—3Mo—N)具有在鐵素體母相中分布著島狀奧氏體相的組織，由于為復(fù)合組織故各組織很細(xì)微。另外，由于加入了氮使之固溶強化提高了強度，耐點蝕性也得到改善。由于晶粒細(xì)化和固溶強化的復(fù)合作用，使得雙相鋼的屈服強度等強度特性好于奧氏體系和鐵索體系?？箲?yīng)力腐蝕裂紋的鐵素體系和高強度奧氏體系的各種特性的不銹鋼，可用于貯水柜、原油、含硫天然氣油井管和液化產(chǎn)品專用船的管等腐蝕強的環(huán)境。

    ☆馬氏體相變的強化

    在不銹鋼中具有最高硬度的SUS 440(2(13Cr-IC)(640-700[1V)屬于馬氏體系不銹鋼，馬氏體組織的結(jié)構(gòu)非常微細(xì)，而且在其內(nèi)部存在高密度的位錯，若使碳過飽和固溶還能提高強度。另方面，經(jīng)過最后的回火處理可以得到碳化物等析出物彌散細(xì)微分布的組織。馬氏體系不銹鋼用固溶碳量和加火處理可以調(diào)整其強度。

    例如，SUS 420J2(13Cr-O．3C)從i000~C的高溫奧氏體區(qū)急冷時，發(fā)生固溶0．3％C的馬氏體相變，再經(jīng)回火熱處理就會使碳化物等析出物呈微細(xì)彌散分布。其強度可達(dá)到約550HV。SUS 420J2和SUS 420J1(13Cr—0．2C)與SUS 410(13Cr-O．1C)一齊用作發(fā)電設(shè)備和化工設(shè)備等結(jié)構(gòu)材料。