高功能不銹鋼介紹以及用途

瀏覽:362474    日期:2017/1/19 14:28:05

  鋼的強(qiáng)化通常是為了適應(yīng)社會(huì)需求而發(fā)展起來(lái)的，其強(qiáng)化的方法很多，在理論方面也有許多說(shuō)明。強(qiáng)化的要求對(duì)具有優(yōu)良耐蝕性的不銹鋼也不例外。鋼的強(qiáng)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(wèn)題，要求不銹鋼的強(qiáng)度水平要高且多樣化。

    鋼的變形主要是“位錯(cuò)”的運(yùn)動(dòng)，所謂“位錯(cuò)”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(gè)。若阻礙這種位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)就難以發(fā)生變形，因此鋼就被強(qiáng)化。

    這種阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使鋼強(qiáng)化的方法有固溶強(qiáng)化。析出強(qiáng)化、加工硬化(位錯(cuò)強(qiáng)化)、馬氏體相變的強(qiáng)化和晶粒細(xì)化的強(qiáng)化等。

    實(shí)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(kāi)發(fā)的。本文將對(duì)各強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明并介紹強(qiáng)化不銹鋼的使用例。

    固溶強(qiáng)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(chǎng)，阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，而使強(qiáng)度提高。實(shí)際上不銹鋼就是鉻和鎳對(duì)鐵固溶的合金，可以說(shuō)已經(jīng)處于固溶強(qiáng)化的狀態(tài)，但是鉻和鎳對(duì)鐵的固溶強(qiáng)化作用不是很大，侵入型元素C、N對(duì)固溶強(qiáng)化的作用最大。

    在SUS 304中固溶氮而達(dá)到高強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)化鋼被廣泛用于結(jié)構(gòu)用強(qiáng)度構(gòu)件。

    固溶強(qiáng)化不僅使常溫下的強(qiáng)度增加，而且作為提高高溫強(qiáng)度的方法也是有效的。因此，與其他強(qiáng)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(qiáng)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(kāi)發(fā)了低碳型SUS 301L，為了保持焊接處的強(qiáng)度，在該鋼中固溶了o．2q6以下的氮量，該鋼作為鐵道車(chē)軌用材非常普及。

    固溶元素對(duì)Cr-Ni奧氏體系不鎊鋼

    0．2％屈服強(qiáng)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(qiáng)化的方法，析出物具有阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用。在母相呈微細(xì)彌散分布狀態(tài)，最能提高強(qiáng)度。

    鋼中合金元素的固溶度因溫度而不同，利用這一特點(diǎn)而使鋼析出強(qiáng)化。眾所周知，PH型不銹鋼就是這種析出強(qiáng)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(cè)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(guò)程轉(zhuǎn)變成過(guò)飽和
含銅馬氏體組織，此后在450-480攝氏度，經(jīng)1－4小時(shí)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(qiáng)化。其硬度在固溶化熱處理時(shí)為350HV．在析出硬化處理時(shí)為450HV。SUS 630是強(qiáng)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(qiáng)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?xún)?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(diǎn)(Ms點(diǎn))。接著在Ms點(diǎn)(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(qiáng)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(duì)形狀復(fù)雜構(gòu)件的成形要求加工性，也要求滿(mǎn)足強(qiáng)度的要求。但是，在成形加工時(shí)必須注意因硬化處理而發(fā)生的尺寸變化。

    ☆加工硬化的強(qiáng)化

    鋼變形時(shí)給結(jié)晶加上了剪斷應(yīng)力，在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，給結(jié)晶導(dǎo)入了大量的位錯(cuò)。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(cuò)密度增加，是強(qiáng)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(cuò)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(qiáng)度。

    利用加工硬化的材料稱(chēng)硬化材，其強(qiáng)度可根據(jù)軋制率的變化按H(硬級(jí))、3／4H和1／2H的強(qiáng)度水平劃分，SUS 301(17Cr-TNi)硬化材在家庭電器機(jī)械的壓簧和汽車(chē)的引擎墊圈、通信機(jī)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(shuō)，可以得到前述的固溶強(qiáng)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(shí)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(shí)，硬度也上升。

    ☆晶粒細(xì)化的強(qiáng)化

    人們?cè)缂褐谰Я４笮∮绊懡饘購(gòu)?qiáng)度。

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

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

    現(xiàn)在，對(duì)鋼鐵材料的晶粒細(xì)化的研究非常盛行，并以“超級(jí)金屬的技術(shù)開(kāi)發(fā)。為題進(jìn)行著開(kāi)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(qiáng)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(qiáng)度，對(duì)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?yuàn)W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(qiáng)化提高了強(qiáng)度，耐點(diǎn)蝕性也得到改善。由于晶粒細(xì)化和固溶強(qiáng)化的復(fù)合作用，使得雙相鋼的屈服強(qiáng)度等強(qiáng)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(qiáng)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(zhuān)用船的管等腐蝕強(qiáng)的環(huán)境。

    ☆馬氏體相變的強(qiáng)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(cuò)，若使碳過(guò)飽和固溶還能提高強(qiáng)度。另方面，經(jīng)過(guò)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(qiáng)度。

    例如，SUS 420J2(13Cr-O．3C)從i000~C的高溫奧氏體區(qū)急冷時(shí)，發(fā)生固溶0．3％C的馬氏體相變，再經(jīng)回火熱處理就會(huì)使碳化物等析出物呈微細(xì)彌散分布。其強(qiáng)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。