不銹鋼的分類及鍛造、熱處理知識

茶香飄萬里 2025-01-01 發(fā)布于山西

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不銹鋼是指在大氣和淡水等弱腐蝕介質(zhì)中不生銹的鋼。它主要是通過在普通鋼中添加一定量的鉻（Cr）等合金元素，使鋼材表面形成一層致密的氧化膜（主要是 Cr?O?），這層膜能夠阻止外界介質(zhì)對鋼材內(nèi)部的進(jìn)一步腐蝕。不銹鋼一般具有良好的耐腐蝕性、較高的強(qiáng)度和韌性，并且外觀光亮，容易清潔。

不銹鋼的分類

1.1 按化學(xué)成分分類

（1）鉻不銹鋼：

以鉻（Cr）為主要合金元素，鉻含量一般在12%-30%之間。例如，鐵素體不銹鋼中的430不銹鋼，鉻含量約為16-18%。它具有良好的耐腐蝕性，特別是在氧化性環(huán)境中。這是因?yàn)殂t能在不銹鋼表面形成一層致密的氧化鉻（Cr?O?）保護(hù)膜，阻止氧氣和其他腐蝕性介質(zhì)進(jìn)一步侵蝕金屬基體。這種不銹鋼成本相對較低，常用于廚房用具如鍋碗瓢盆等的制造。

（2）鉻鎳不銹鋼：

除了鉻外，還含有鎳（Ni）元素，鎳含量通常在8%-25% 左右。典型的代表是奧氏體不銹鋼304，鉻含量約18%，鎳含量約8-10%。鎳的加入使不銹鋼的晶體結(jié)構(gòu)從體心立方（鐵素體結(jié)構(gòu)）轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎剑▕W氏體結(jié)構(gòu)）。這種結(jié)構(gòu)使其具有良好的韌性、可加工性和耐腐蝕性，在建筑裝飾（如不銹鋼幕墻）、化工設(shè)備（如反應(yīng)釜）等眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

（3）鉻錳氮不銹鋼：

用錳（Mn）和氮（N）部分替代鎳來穩(wěn)定奧氏體組織。例如201不銹鋼，它的成本比鉻鎳不銹鋼低，錳含量較高，約7.5%，氮含量約 0.25%，鉻含量約16-18%。這種不銹鋼在一些對耐腐蝕性要求不是極高，但對成本較為敏感的場合使用，如室內(nèi)裝飾條等。

1.2 按金相組織分類

（1）鐵素體不銹鋼：

其金相組織主要是鐵素體，在加熱和冷卻過程中不發(fā)生相變。這種不銹鋼具有良好的耐蝕性、導(dǎo)熱性和抗氧化性。例如409L不銹鋼，它在汽車排氣系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，因?yàn)槠淠軌虺惺芨邷貜U氣的腐蝕和氧化，而且成本相對較低。它的韌性比奧氏體不銹鋼稍差，強(qiáng)度也較低，但在一些不需要承受較大外力的環(huán)境中表現(xiàn)良好。

（2）奧氏體不銹鋼：

金相組織為奧氏體，無磁性或弱磁性。它的耐腐蝕性非常好，在多種化學(xué)介質(zhì)中都能保持穩(wěn)定。如316L不銹鋼，除了含有鉻和鎳外，還含有鉬（Mo）元素，鉬的加入進(jìn)一步提高了其在氯離子等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)中的耐蝕性。這種不銹鋼常用于醫(yī)療器械（如手術(shù)器械）、食品加工設(shè)備（如牛奶管道）等對衛(wèi)生和耐腐蝕性要求極高的領(lǐng)域。

（3）馬氏體不銹鋼：

主要通過淬火和回火等熱處理后獲得馬氏體組織。它具有較高的強(qiáng)度和硬度，同時也有一定的耐腐蝕性。例如420不銹鋼，鉻含量約12-14%，它可以通過熱處理達(dá)到較高的硬度，常用于制造刀具、閥門等需要較高強(qiáng)度和一定耐腐蝕性的部件。

（4）雙相不銹鋼：

其組織是由奧氏體和鐵素體兩相組成，一般奧氏體相和鐵素體相的比例接近1:1。雙相不銹鋼結(jié)合了奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的強(qiáng)度和韌性，以及優(yōu)異的耐腐蝕性。例如2205雙相不銹鋼，它在海水處理設(shè)備、化工管道等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，因?yàn)樗艿挚孤入x子應(yīng)力腐蝕開裂，強(qiáng)度也比奧氏體不銹鋼高。

1.3 按用途分類

（1）耐大氣腐蝕不銹鋼：

這類不銹鋼主要用于室外環(huán)境，能夠抵抗大氣中的濕度、氧氣、二氧化硫等腐蝕介質(zhì)。如304不銹鋼用于建筑的外立面裝飾，它可以在長期暴露于大氣環(huán)境下保持表面光澤和結(jié)構(gòu)完整性。

（2）耐酸堿不銹鋼：

用于接觸各種酸、堿等化學(xué)物質(zhì)的場合。例如316L不銹鋼在化工行業(yè)中用于處理含有硫酸、鹽酸等酸性介質(zhì)的設(shè)備，其鉬含量使其對氯離子等腐蝕性離子有更好的耐受性。

（3）耐高溫不銹鋼：

能夠在高溫環(huán)境下保持性能穩(wěn)定。如310S不銹鋼，鉻含量約24- 26%，鎳含量約19-22%，它可以在高達(dá)1000℃以上的溫度下使用，常用于高溫爐窯的部件制造，如爐管等。

不銹鋼的鍛造知識

2.1 鍛造前準(zhǔn)備

（1）坯料選擇：

根據(jù)不銹鋼的最終產(chǎn)品形狀和性能要求選擇合適的坯料。坯料可以是棒材、板材或鑄錠等。對于形狀復(fù)雜的零件，可能需要選擇鑄錠進(jìn)行鍛造，以保證材料的均勻性。同時，要考慮坯料的尺寸，應(yīng)留有足夠的加工余量，一般余量在幾毫米到十幾毫米不等，具體取決于零件的尺寸和精度要求。

（2）加熱設(shè)備：

不銹鋼鍛造需要合適的加熱設(shè)備。常用的有電阻爐和燃?xì)鉅t。電阻爐加熱溫度控制準(zhǔn)確，熱效率較高，能夠使不銹鋼坯料均勻受熱。燃?xì)鉅t則加熱速度快，但溫度控制相對復(fù)雜一些。加熱溫度的控制對于不銹鋼鍛造至關(guān)重要，因?yàn)椴煌愋偷牟讳P鋼有不同的始鍛溫度和終鍛溫度范圍。例如，奧氏體不銹鋼的始鍛溫度一般在1150-1200℃左右，終鍛溫度不低于900℃。

2.2 鍛造過程

（1）鍛造方式：

包括自由鍛造和模鍛。自由鍛造靈活性高，適用于單件小批量生產(chǎn)或形狀簡單的大型零件。鍛造工人通過操作鍛造工具如空氣錘、蒸汽 - 空氣錘等，使坯料逐步成型。模鍛則是利用模具使坯料成型，生產(chǎn)效率高，適用于大批量生產(chǎn)形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的零件。例如汽車發(fā)動機(jī)的不銹鋼連桿通常采用模鍛生產(chǎn)。

（2）鍛造比選擇：

鍛造比是衡量鍛造過程中金屬變形程度的指標(biāo)。對于不銹鋼鍛造，合適的鍛造比可以細(xì)化晶粒，提高材料的力學(xué)性能。一般鍛造比在3-5之間比較合適。例如，通過鍛造比為4的鍛造過程，不銹鋼的晶粒可以得到有效細(xì)化，其強(qiáng)度和韌性都會有所提高。但鍛造比過高可能會導(dǎo)致表面裂紋等缺陷產(chǎn)生。

（3）鍛造后處理

① 清理表面：

鍛造后的不銹鋼表面會有氧化皮、潤滑劑殘留等雜質(zhì)。需要采用酸洗、噴丸等方法進(jìn)行清理。酸洗可以去除氧化皮，一般使用硝酸 - 氫氟酸混合溶液，這種溶液能有效溶解不銹鋼表面的氧化層。噴丸則是利用高速彈丸撞擊表面，去除表面的雜質(zhì)并使表面產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，提高零件的疲勞壽命。

② 檢驗(yàn)質(zhì)量：

要對鍛造后的不銹鋼零件進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。主要包括尺寸精度檢驗(yàn)、表面質(zhì)量檢驗(yàn)和內(nèi)部缺陷檢驗(yàn)。尺寸精度可以使用卡尺、千分尺等工具進(jìn)行測量；表面質(zhì)量通過肉眼觀察或使用探傷設(shè)備檢查是否有裂紋、折疊等缺陷；內(nèi)部缺陷可以采用超聲波探傷、射線探傷等方法，確保零件內(nèi)部沒有孔洞、夾雜等問題。

不銹鋼的熱處理知識

3.1 固溶處理（針對奧氏體不銹鋼）

（1）目的：

固溶處理的主要目的是使碳化物等析出相充分溶解在奧氏體基體中，獲得單相奧氏體組織，從而提高不銹鋼的耐腐蝕性和韌性。例如 304 不銹鋼經(jīng)過固溶處理后，其抗晶間腐蝕能力顯著增強(qiáng)。

（2）工藝過程：

將不銹鋼加熱到高溫（一般在1050-1150℃），保溫一定時間（根據(jù)零件尺寸和裝爐量，一般保溫1-2小時），使合金元素充分溶解，然后快速冷卻（通常采用水冷）。快速冷卻的目的是防止碳化物等在冷卻過程中重新析出，從而保持單相奧氏體組織。

3.2 淬火和回火（針對馬氏體不銹鋼）

（1）淬火目的和工藝：

目的是獲得馬氏體組織，提高不銹鋼的硬度和強(qiáng)度。淬火時，將馬氏體不銹鋼加熱到淬火溫度（如420不銹鋼淬火溫度約為1000-1050℃），保溫適當(dāng)時間后，采用油冷或空冷的方式進(jìn)行冷卻。油冷可以獲得較好的淬火效果，但操作時要注意防火安全；空冷速度相對較慢，適合一些對淬火應(yīng)力要求較低的情況。

（2）回火目的和工藝：

回火是為了消除淬火應(yīng)力，穩(wěn)定組織并提高韌性?；鼗饻囟纫话阍?200 - 600℃之間，根據(jù)具體的性能要求選擇合適的回火溫度。例如，回火溫度為 400℃左右時，可以有效消除淬火應(yīng)力，同時保持較高的硬度和強(qiáng)度，使馬氏體不銹鋼零件在使用過程中不易發(fā)生脆裂。

3.3 穩(wěn)定化處理（針對含鈦或鈮的奧氏體不銹鋼）

（1）目的：

對于含有鈦（Ti）或鈮（Nb）的奧氏體不銹鋼，穩(wěn)定化處理的目的是防止晶間腐蝕。在不銹鋼中，鈦和鈮可以與碳結(jié)合形成穩(wěn)定的碳化物，從而避免鉻與碳結(jié)合形成碳化鉻（Cr??C?），因?yàn)樘蓟t的形成會消耗鉻元素，導(dǎo)致晶間貧鉻，降低不銹鋼的耐腐蝕性。

（2）工藝過程：

將不銹鋼加熱到850-900℃，保溫2-4小時，然后空冷。通過這種處理，鈦或鈮能夠充分與碳結(jié)合，使不銹鋼在后續(xù)的使用過程中不易發(fā)生晶間腐蝕。

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來自：茶香飄萬里 > 《材料及熱處理》

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