不锈钢及其热处理

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不锈钢的分类及主要特性

不锈钢有多种分类方法，如化学成分、功能特征、金相组织和热处理特性等。从热处理方面考虑，按金相组织和热处理特性分更具有实际意义。

1铁素体不锈钢

主要合金元素是Cr，或加入少量稳定铁素体元素，如Al、Mo等，组织为铁素体。强度不高，不能用热处理方法调整性能，有一定塑性，脆性较大。在氧化类介质（如硝酸）中有良好的耐蚀性，在还原介质中耐蚀性较差。

2奥氏体不锈钢

含有较高的Cr，一般大于18%，并含有8%左右的Ni，有的以Mn代Ni，为进一步提高耐蚀性，还有得加入Mo、Cu、Si、Ti、Nb等元素。加热冷却时不发生相变，不能用热处理方法强化，具有较低的强度，高塑性和高韧性。对氧化性介质有强的抗蚀能力，加入Ti、Nb后具有较好的抗晶间腐蚀的能力。

3马氏体不锈钢

马氏体不锈钢主要含12~18％的Cr，并依照需要调整C量，一般在0.1~0.4％，对于制作工具时， C可达0.8~1.0％，有的为提高抗回火稳定性，加入Mo、V、Nb等。 高温加热并以一定速度冷却后，组织基本是马氏体，依据C及合金元素的差异，有的可能会含有少量铁素体、残余奥氏体或合金碳化物。加热和冷却时会发生相变，因此，可以在很大范围内调整组织结构和形态，从而改变性能。耐蚀性不如奥氏体、铁素体及双相不锈钢，在有机酸中有较好的耐蚀性，在硫酸、盐酸等介质中耐蚀性较差。

4铁素体-奥氏体双相不锈钢

一般含Cr为17~30％，Ni含量3~13％，另外加入Mo、Cu、Nb、N、W等合金元素，含C量控制很低，依据合金元素比例不同，有的以铁素体为主，有的以奥氏体为主，构成两相同时存在的双相不锈钢。因其含有铁素体及强化元素，热处理后，强度比奥氏体不锈钢略高，塑、韧性好，基本上不能用热处理手段调整性能。有较高的耐蚀性，特别是在含Cl-介质中、海水中，有较好的耐点蚀和缝隙腐蚀、应力腐蚀的特点。

5沉淀硬化不锈钢

成分特点是除含有C、Cr、Ni等元素外，还含有Cu、Al、Ti等可以时效沉淀析出物的元素。可以通过热处理手段来调节力学性能，但其强化机理不同于马氏体不锈钢。由于其依靠析出沉淀相强化，所以C可以控制很低，因而其耐蚀性优于马氏体不锈钢，与Cr-Ni奥氏体不锈钢相当。

不锈钢的热处理

不锈钢以Cr为主的大量合金元素构成的成分特点，是其具有不锈、耐蚀的基本条件。要想充分发挥合金元素的作用，获得理想的力学和耐蚀性能，还必须通过热处理方法实现。

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铁素体不锈钢的热处理

铁素体不锈钢一般情况下是稳定的单一铁素体组织加热、冷却不发生相变，故不能用热处理方法调整力学性能，其主要目的是减小脆性和提高抗晶间腐蚀能力。

①σ相脆性

铁素体不锈钢极易生成σ相，这是一种富Cr的金属化合物，硬而脆，特别容易在晶间形成，使钢变脆，并增加晶间腐蚀敏感性。σ相形成与成分有关，除Cr外，Si、Mn、Mo等都促进σ相形成;还与加工过程有 关，尤其在540~815℃区间加热、停留，更促进σ相形成。但σ相形成是可逆的，重新加热到高于σ相形成温度会重新溶解于固溶体中。

②475℃脆性

铁素体不锈钢在400~500℃区间长时间加热，会表现出强度升高、韧性下降即脆性增加的特征，尤其在475℃时最明显，称475℃脆性。这是因为，在这个温度下，铁素体内的Cr原子将重新排列，形成富Cr小区域，与母相共格，引起点阵畸变，产生内应力，使钢硬度升高、脆性增大。富Cr区形成的同时，必有贫Cr区出现，这对耐蚀性有不利影响。当将钢重新加热高于700℃温度时，畸变、内应力会消除，475℃脆性消失。

③高温脆性

加热到925℃以上，并以快速冷却下来时，Cr、C、N等形成化合物在晶内、晶界析出，引起脆性增加和晶间腐蚀的发生。这种化合物可在750~850℃温度加热后快冷予以消除。

热处理工艺：

①退火

• 为了消除σ相、475℃脆性及高温脆性，可采用退火处理，在780~830℃加热、保温、然后空冷或炉冷。

•  对于超纯铁素体不锈钢（含C≤0.01％，严格控制Si、Mn、S、P），退火加热温度可提高一些。

②去应力处理

在焊接和冷加工后，零部件可能产生应力，如果具体情况不宜采用退火处理，可以在230~370℃范围内加热、保温、空冷，可消除部分内应力，改善塑性。

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奥氏体不锈钢热处理

奥氏体不锈钢中Cr、Ni等合金元素作用结果使Ms点降至室温以下（-30到-70℃）。保证奥氏体组织稳定，所以，加热、冷却时，在室温以上不发生相变。因此，奥氏体不锈钢热处理主要目的不是改变机械性能，而是提高耐蚀性。

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奥氏体不锈钢的固溶化处理

作用：

①钢中合金碳化物的析出与溶解

钢中C是所含合金元素之一，其除能起到一点强化作用之外，对耐蚀性是不利的，特别是C与Cr形成碳化物时，作用更坏，应力求减少它的存在。为此，依据C在奥氏体中随温度不同而变化的特性，即在高温时溶解度大，低温时溶解度小。有资料报导，C在奥氏体中的溶解度在1200℃时为0.34％；1000℃时为0.18％，而600℃时为0.02％，室温时则更少。所以将钢加热到高温，使C-Cr化合物充分溶解，再快速冷却，让其来不及析出，保证钢的耐蚀性，特别是耐晶间腐蚀性。

②σ相

奥氏体钢如果在500-900℃区间长时间加热，或钢中加入Ti、Nb、Mo等元素时，都会促进σ相析出，使钢增加脆性和降低耐蚀性，消除σ相的手段也是在高于其可能析出温度使其溶解，再快速冷却，防止再析出。

工艺：

在GB1200标准中，推荐加热温度范围较宽：1000~1150℃，通常采用1020-1080℃。考虑具体牌号成分，是铸件还是锻件等情况，在允许范围内，适当调节加热温度。加热温度低，C-Cr碳化物不能充分溶解，温度太高，也存在晶粒长大，降低耐蚀性问题。

冷却方式：应以较快速度冷却，防止碳化物再析出。在我国及其它一些国家标准中，标明固溶化后“快冷” ，综合不同文献资料和实践经验，“快”的尺度可按如下情况掌握：

• 含C量≥0.08%的;含Cr量>22％、Ni量较高的；含C量虽<0.08％，但有效尺寸>3mm的，应水冷;

• 含C量<0.08％、尺寸<3mm，可风冷;

• 有效尺寸≤0.5mm的可空冷。

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奥氏体不锈钢的稳定化热处理

稳定化热处理只限于含稳定化元素Ti或Nb的奥氏体不锈钢，如1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni11Nb等。

作用：

如前所述，Cr与C结合成Cr23C6型化合物，并在晶界析出，是引起奥氏体不锈钢耐蚀性下降的原因。Cr是强碳化物形成元素，只要有机会，就与C结合并析出 ，所以钢中填加比Cr与C亲合力更强的元素Ti、Nb，并创造条件，使C优先与Ti、Nb结合，减少C与Cr结合的机会，使Cr稳定的保留在奥氏体中，因此保证了钢的耐蚀性。稳定化热处理，起到的就是使Ti、Nb与C结合，使Cr稳定于奥氏体中的作用。

工艺：

加热温度：这个温度应高于Cr23C6的溶解温度（400-825℃），低于或略高于TiC或NbC的开始溶解温度（如TiC的溶解温度区间为750-1120℃），稳定化加热温度一般选在850-930℃，这会使Cr23C6充分溶解，使Ti或Nb再与其中C结合，而Cr则继续保留在奥氏体中。

冷却方式：一般采用空冷，也可采用水冷或炉冷，这应根据零件具体情况确定。冷却速度对稳定化效果无大影响。从我们试验研究结果看，从稳定化温度900℃冷却到200℃时，冷却速度为0.9℃/min和15.6℃/min，相比，金相组织、硬度、耐晶间腐蚀能力基本相当。

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奥氏体不锈钢消除应力处理

目的：

用奥氏体不锈钢制造的零件，不可避免的存在应力，如冷加工时的加工应力、焊接应力等。这些应力的存在会带来不利影响，如：对尺寸稳定性的影响;存在应力的零部件在含Cl-介质、在H2S、NaOH等介质使用时，会发生应力腐蚀开裂，这是一种发生在局部、未有前兆的突发性破坏，是十分有害的。因此，在某些工况条件下使用的奥氏体不锈钢制件要最大限度的降低应力，这可通过去应力方法完成。

工艺：

在条件允许的情况下，采用固溶化处理、稳定化处理都可以较好的消除应力（固溶水冷还会产生一定应力），但，有时不允许采用这种方法，如回路中的管件、没有余量的完工件、形状特别复杂的易变形零件等，这时可采用450℃以下温度加热的去应力方法，也可消除部分应力。如果工件是在强应力腐蚀环境中使用，必须彻底消除应力，则在选用材料时，就应予以考虑，如采用含稳定元素的钢，或采用超低碳奥氏体不锈钢。

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马氏体不锈钢的热处理

马氏体不锈钢相对于铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢最突出的特点就是可以通过热处理方法，在很大范围内调整机械性能，以满足不同使用条件需要。不同的热处理方式对耐蚀性也有不同影响。

①马氏体不锈钢淬火后的组织状态

依据化学成分不同

• 0Cr13、1Cr13、1Cr17Ni2为马氏体+少量铁素体;

• 2Cr13、3Cr13、2Cr17Ni2基本上是马氏体组织;

• 4Cr13、9Cr18为马氏体基体上有合金碳化物;

• 0Cr13Ni4Mo、0Cr13Ni6Mo为马氏体基体上有残余奥氏体。

②马氏体不锈钢的耐蚀性与热处理

马氏体不锈钢热处理不仅可改变机械性能，对耐蚀性也有不同作用。以淬火后回火为例：淬火成马氏体后，采用低温回火，具有较高耐蚀性；采用400-550℃中温回火，耐蚀性较低；采用600-750℃高温回火，耐蚀性又有提高。

③马氏体不锈钢热处理工艺方法及作用

退火

根据要达到的目的、作用不同，可采用不同退火方式:

• 只要求降低硬度、便于加工、消除应力，可采用低温退火（有的也叫不完全退火）加热温度可选740~780℃，空气冷却或炉冷硬度可保证180~230HB；

• 要求改善锻造或铸造组织，更低的硬度及保证不高的性能直接应用，可采用完全退火一般加热870~900℃，保温后炉冷，或以≤40℃/h速度冷却至600℃以下出炉。硬度可达150~180HB；

• 等温退火，其可以代替完全退火，达到完全退火的目的作用。加热温度870~900℃，加热保温后炉冷至700~740℃（可参照转变曲线），较长时间保温（参照转变曲线），再炉冷至550℃以下出炉。硬度可达150-180HB。这种等温退火，还是改善锻后不良组织，提高淬火、回火后力学性能，特别是冲击韧性的有效方式。

淬火

马氏体不锈钢淬火的主要目的是强化。将钢加热至临界点温度以上，保温，使碳化物充分溶解到奥氏体中，再以适当的冷却速度冷却，获得淬火马氏体组织。

• 加热温度选择：基本原则是保证奥氏体形成，并使合金碳化物充分溶解到奥氏体中，均匀化；还不能使奥氏体晶粒粗大或淬火后组织中存在铁素体或残留奥氏体。这就要求淬火加热温度不能过低，也不能过高。马氏体不锈钢淬火加热温度，不同资料介绍、推荐的范围略有差异，并且，温度范围较宽。根据我们经验，一般选在980~1020℃范围加热即可。当然，对于特殊钢号、特殊成分控制或有特殊要求时，应适当降低或提高加热温度，但不能违背加热原则。

• 冷却方式：因马氏体不锈钢的成分特征，使奥氏体较稳定，C曲线右移，临界冷却速度较小，所以用油冷、空冷即可获得淬火马氏体的效果。但对于要求淬透深度大、力学性能特别是冲击韧性高的零件，应采用油冷。

回火

马氏体不锈钢淬火后，得到马氏体组织，其硬度高、脆性大、内应力大，必须经回火处理。马氏体不锈钢基本上在二种回火温度下使用：

• 180~320℃之间回火。获得回火马氏体组织，保持高的硬度、强度，但塑、韧性低，且有较好的耐蚀性。如刀具、轴承、耐磨件等可采用低温回火。

• 600~750℃之间回火，获得回火索氏体组织。具有一定的强度、硬度、塑性、韧性等良好的综合机械性能，可依据对强度、塑、韧性的要求程度不同，采用下限或上限温度回火。这种组织也具有良好的耐蚀性。

• 400~600℃之间温度的回火，一般情况下不采用，因为，在这个温度区间回火，从马氏体中析出弥散度很高的碳化物，产生回火脆性，降低耐蚀性.但，弹簧，如3Cr13、4Cr13钢制弹簧，可在这个温度回火，HRC可达40~45，具有较好的弹性。

回火后的冷却方式，一般可采用空冷，但对有回火脆性倾向的钢号，如1Cr17Ni2、2Cr13、0Cr13Ni4Mo等，最好采用回火后油冷。另外，需要注意的问题是，淬火后需及时回火，夏季不要超过24小时，冬季不要超过8小时，如不能及时按工艺温度回火，也应采取措施防止静置裂纹的产生。

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铁素体-奥氏体双相不锈钢的热处理

双相不锈钢是不锈钢家族中年轻一员，发展较晚，但其具有的特征得到广泛认同和重视。双相不锈钢的成分特点（高Cr、低Ni、加Mo、N）和组织特点，使其具有比奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢高的强度、塑性;相当于奥氏体不锈钢的耐蚀性;在cl-介质、海水中比任何不锈钢都高的抗点蚀、抗缝隙腐蚀和抗应力腐蚀破坏的能力。

作用：

①消除二次奥氏体

在较高温度条件下（如铸造或锻造），铁素体量增多，在1300℃以上时，可成单相铁素体，这种高温铁素体是不稳定的，在以后较低温度下时效，会有奥氏体析出，这种奥氏体叫二次奥氏体。这种奥氏体中的Cr、N量少于正常奥氏体，故其可能成为腐蚀源，所以应通过热处理予以消除。

②消除Cr23C6型碳化物

双相钢在950℃以下会析出Cr23C6增加脆性、降低耐蚀性，应予以消除。

③消除氮化物Cr2N、CrN

因钢中有N元素，可与Cr生成氮化物，影响力学和耐蚀性能，应消除。

④消除金属间相

双相钢的成分特征，会促进一些金属间相的形成，如σ相、γ相，其降低耐蚀性，增加脆性，应予以消除。

工艺：

与奥氏体钢相似，采用固溶化处理，加热温度980~1100℃，之后快冷，一般采用水冷。

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沉淀硬化不锈钢热处理

沉淀硬化不锈钢相对发展较晚，是在人类实践中经过试验、总结、创新的不锈钢种。先期出现的不锈钢中，铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢有较好的耐蚀性，但不能通过热处理方法调整机械性能，限制了它的作用。而马氏体不锈钢可以运用热处理方法，在较大范围内调整机械性能，但耐蚀性较差。

特点：

其具有较低的C量（一般≤0.09％），较高的Cr量（一般≥14％以上），另加Mo、Cu等元素，这就使其具有较高的耐蚀性，甚至可同奥氏体不锈钢相当。通过固溶和时效处理，可以获得在马氏体基体上析出沉淀硬化相的组织，因而有较高的强度，并可根据时效温度的调整，在一定范围内调整强度、塑、韧性。另外，先固溶，再依沉淀相析出强化的热处理方式，可以在固溶处理后，硬度较低的情况下加工基本成型，再经时效强化，降低了加工成本，优于马氏体钢。

分类：

①马氏体型沉淀硬化不锈钢及其热处理

马氏体型沉淀硬化不锈钢特征是：奥氏体向马氏体转变的开始温度Ms在室温以上。加热奥氏体化并以较快的速度冷却后，获得板条状马氏体基体，时效后从板条马氏体基体上析出Cu的细质点而强化。

例：在GB1220标准中，典型牌号为：0Cr17Ni4Cu4Nb（PH17-4）

成分（%）如下：C≤0.07、Ni:3~5、Cr:15.5~17.5、Cu:3~5、Nb:0.15~0.45；Ms点约120℃；Mz点约30℃。

固溶处理：

加热温度为1020-1060℃，保温后水冷或油冷，组织为板条状马氏体，硬度320HB左右。加热温度不宜过高，如果大于1100℃，会使组织中铁素体量增多、Ms点下降、残留奥氏体增多、硬度下降，热处理效果不好。

时效处理：

依据时效温度不同，沉淀析出物的弥散度、粒度不同，而有不同的机械性能。

GB1220标准中规定，不同时效温度时效后性能

	σb(N/mm2)	σs(N/mm2)	δ(％)	Ψ(%)	HB
1040℃固溶					≤363
480℃×4h	≥1310	≥1180	≥10	≥40	≥375
550℃×4h	≥1060	≥1000	≥12	≥45	≥331
580℃×4h	≥1000	≥865	≥13	≥45	≥302
620℃×4h	≥930	≥725	≥16	≥50	≥277

②半奥氏体型不锈钢热处理

这种钢的Ms点一般略低于室温，所以固溶化处理冷却到室温后，得到奥氏体组织,强度很低，为提高基体强度、硬度，需要再次加热到750-950℃，保温，这个阶段，奥氏体中会析出碳化物，奥氏体稳定性降低，Ms点提高至室温以上，再冷却时，得到马氏体组织。有的还可以增加冷处理（零下处理），之后，再时效使钢最终获得马氏体基体上有沉淀析出物的强化钢。

例：在GB1220标准中，推荐的这种沉淀不锈钢牌号是0Cr17Ni7Al（PH17-7）

成分（%）：C≤0.09、Cu≤0.5、Ni:6.5~7.5、Cr:16~18、Al：0.75~1.5;

固溶+调整+时效处理

• 固溶化加热温度1040℃，加热保温后水冷或油冷得到奥氏体，硬度为150HB左右;

• 调整处理温度为760℃，保温后空冷，使奥氏体中合金碳化物析出，降低奥氏体稳定性，提高Ms点到50-90℃左右，冷却后获得板条马氏体，此时硬度可达290HB左右;

• 再经560℃时效，Al及化合物沉淀析出，钢材强化，硬度可达340HB左右。

固溶+调整+冷处理+时效

• 固溶处理加热1040℃，水冷，获得奥氏体组织;

• 调整处理温度955℃，提高Ms点，冷却后获得板条马氏体;

• 冷处理-73℃×8h，减少组织中残留奥氏体，获取最大限度的马氏体;

• 时效处理温度为510-560℃，使Al析出，强化处理后，硬度可达336HB

固溶+冷变形+时效

• 固溶处理温度为1040℃，水冷，获得奥氏体组织;

• 冷变形，利用冷加工变形强化原理，使奥氏体在Md点转变成马氏体，这个冷加工变形量要大于30-50％;

• 时效处理：在490℃左右加热时效，使Al析出沉淀硬化。

• 有报导显示，固溶奥氏体经57％冷轧变形，硬度达430HB，σb达1372 N/mm2，再经490℃时效，硬度达485HB，σb达1850 N/mm2。

可见，沉淀硬化马氏体不锈钢经过正确处理后，机械性能完全可以达到马氏体不锈钢性能，而耐蚀性却与奥氏体不锈钢相当。这里需要指出的是，马氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢虽然都是可通过热处理方法强化，但强化机理是不同的。由于沉淀硬化不锈钢的特点，使其得到重视和广泛应用。

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