高肇暉，焦廣勝

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摘要：本文介紹了部分不銹鋼材料的過(guò)熱及過(guò)燒的判定方法及圖譜。從顯微組織和晶界上相的析出物兩個(gè)方面對(duì)各不銹鋼材料的過(guò)熱及過(guò)燒進(jìn)行判定，因?yàn)椴讳P鋼材料的晶粒分為本質(zhì)粗晶和本質(zhì)細(xì)晶，所以單純的從晶粒大小判定過(guò)熱是不全面的。作者對(duì)部分不銹鋼材料進(jìn)行了大量試驗(yàn)和研究，從而得出以晶界析出物和晶粒大小共同判定不銹鋼的過(guò)熱及過(guò)燒更加合理準(zhǔn)確。

 

關(guān)鍵詞：熱處理；晶粒；不銹鋼；過(guò)熱；過(guò)燒

 

1 前言

不銹鋼為航空產(chǎn)品加工中常用的一種材料。按其正火后的顯微組織可分為：奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體-鐵素體不銹鋼、沉淀硬化型不銹鋼。一直以來(lái)，欠缺一類不銹鋼材料在生產(chǎn)中金相組織的判定圖譜。在金相組織觀察中，對(duì)該類材料組織是否產(chǎn)生過(guò)熱、過(guò)燒判定不夠準(zhǔn)確。因此，為了明確是否出現(xiàn)過(guò)熱或過(guò)燒，并配合相應(yīng)的圖譜對(duì)比，將解決判斷的不易性。本論文歸納了常用的一些不銹鋼材料，具體材料如下：

1Cr18Ni9Ti、1Cr11Ni2W2MoV、1Cr12Ni2WMoVNb、1Cr17Ni2、0Cr18Ni9、1Cr13、2Cr13、3Cr13。其中1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9為奧氏體不銹鋼；1Cr11Ni2W2MoV、1Cr12Ni2WMoVNb、1Cr13、2Cr13、3Cr13為馬氏體不銹鋼；1Cr17Ni2為鐵素體不銹鋼。奧氏體-鐵素體不銹鋼、沉淀硬化型不銹鋼。因今年我廠沒(méi)有該種材料庫(kù)存，所以，此次沒(méi)有做這兩類不銹鋼材料的相關(guān)圖譜，待以后收集到這兩種材料在加以補(bǔ)充完善。此次，雖然沒(méi)有收錄我廠所有不銹鋼材料，但根據(jù)不銹鋼的正火后顯微組織的分類，可以通過(guò)相同種類型判定出不銹鋼過(guò)熱、過(guò)燒。

 

1.1 過(guò)熱、過(guò)燒的概念及危害

過(guò)熱一般認(rèn)為，金屬由于加熱溫度過(guò)高或高溫保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而引起晶粒粗大的現(xiàn)象就是過(guò)熱，至于晶粒粗大到什么程度算過(guò)熱，應(yīng)視具體材料而有所不同。

過(guò)熱將引起材料的塑性、沖擊韌性、疲勞性能、斷裂韌性及應(yīng)力腐蝕能力下降。不銹鋼過(guò)熱之后α相（或δ鐵素體）顯著增多。導(dǎo)致剛在淬火時(shí)硬度降低，回火后沖擊韌性下降。在熱加工時(shí)易產(chǎn)生裂紋。另外ζ鐵素體易轉(zhuǎn)變成δ相，使材料出現(xiàn)脆性，晶粒長(zhǎng)大粗化。過(guò)熱可能引起晶間腐蝕。

過(guò)燒：加熱溫度過(guò)高，不僅引起奧氏體晶粒粗大，而且晶界局部出現(xiàn)氧化或熔化，導(dǎo)致晶界弱化等。

過(guò)燒加熱溫度比過(guò)熱更高，但與過(guò)熱沒(méi)有嚴(yán)格的溫度界限。一般以晶粒邊界出現(xiàn)氧化及熔化為特征來(lái)判定過(guò)燒。性能嚴(yán)重惡化，淬火易形成龜裂。

 

1.2 不銹鋼中含有的組織和相

不銹鋼中的組織和相有：鐵素體、奧氏體、馬氏體、ζ鐵素體、δ相、碳化物相（K相）。

（1）ζ鐵素體，ζ鐵素體是在高溫區(qū)域形成的相，一般稱為ζ鐵素體或高溫鐵素體，以區(qū)分與低α鐵素體。ζ鐵素體是體心立方晶格，但晶格常數(shù)與α鐵素體不同，并表現(xiàn)出較高的脆性。這種相主要是由于加熱溫度過(guò)高，高溫中停留過(guò)久、化學(xué)成分的波動(dòng)或形成鐵素體與奧氏體的元素達(dá)到不平衡等原因形成的。

（2）δ相是一種Fe、Cr原子比例相等的Fe-Cr金屬間化合物，其分子式近似可用FeCr表示，晶體結(jié)構(gòu)為正方晶系，在室溫下有磁性，脆而硬。δ相一般在500℃~900℃溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效時(shí)析出，較高的含鉻量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（25%~76%）及ζ鐵素體的存在均會(huì)出進(jìn)δ相的析出。

其危害δ相沿晶界分布，鋼的塑性顯著下降。分散分布時(shí)對(duì)韌性危害較小，并有一定的強(qiáng)化作用。δ相增加鋼的缺口敏感性，對(duì)強(qiáng)度、硬度影響不大，對(duì)沖擊韌性影響顯著。δ相顯著地降低鋼的塑性、韌性、抗氧化性、耐晶界腐蝕性能，助長(zhǎng)熱疲勞的產(chǎn)生，δ相形成后使基體貧鉻（或鉬、鎢）因此降低了基體抗腐蝕性，并消弱固溶強(qiáng)化的效果。

 

2 試樣的熱處理工藝及試驗(yàn)方法

2.1 熱處理工藝

為了獲得不同材料的過(guò)熱、過(guò)燒圖譜，針對(duì)以上不同材料以及我廠現(xiàn)行的熱處理工藝，選取不同的的熱處理溫度及時(shí)間，已達(dá)到預(yù)期目的。見(jiàn)表1：

 

表1 不銹鋼熱處理參數(shù)表

材料	淬火保溫溫度 （工藝要求）	標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)	實(shí)際狀態(tài)	結(jié)果
1Cr18Ni9Ti	1050℃~1080℃； 保溫50min~60min； 水冷	1010℃~1150℃； 保溫50min~60min； 水冷	1080℃×1h；水冷	正常
			1080℃×3h；水冷	過(guò)熱
			1300℃×1h；水冷	過(guò)燒
1Cr11Ni2W2MoV	淬火：1000℃±10℃；保溫60min；氣冷或油冷。 回火：550℃~590℃，保溫120min；氣冷或油冷	990℃~1010℃； 保溫60min； 空冷或油冷	1000℃×1h；油冷	正常
			1010℃×2h；油冷	過(guò)熱
			1100℃×3h；油冷	輕微過(guò)燒
			1300℃×1h；油冷	過(guò)燒
1Cr12Ni2WMoVNb	1140℃~1160℃；保溫60min。油冷或空冷； 回火780℃×2h；空冷	1140℃~1160℃； 油冷或空冷	1150℃×1h；空冷； 780℃×2h； 空冷	正常
			1150℃×3.5h；空冷； 780℃×2h；空冷	過(guò)熱
			1300℃×1h；空冷； 780℃×2h； 空冷	過(guò)燒
Cr17Ni2	淬火：1030℃±10℃；保溫60min~90min；油冷。 回火：610℃±10℃，保溫120min；水冷	950℃~1040℃； 保溫60min~90min； 油冷	1020℃；3h；610℃；90min	正常
			1020℃；3h；610℃；90min	過(guò)熱
			1250℃；1h；610℃；90min	過(guò)燒
0Cr18Ni9	1050℃~1080℃；保溫60min；水冷或空冷	1050℃~1100℃； 保溫60min； 水冷或空冷	1050℃×1h；水冷	正常
			1100℃×3.5h；水冷	過(guò)熱
			1250℃×1h；水冷	過(guò)燒
1Cr13	淬火：1030℃±10℃；保溫60min~80min；油冷。 回火：700℃~750℃，保溫120min；水冷	1000℃~1050℃； 保溫60min~80min； 油冷或空冷	1000℃×1h；油冷；610℃×90min；水冷	正常
			1070℃×3h；油冷；610℃×90min；水冷	過(guò)熱
			1250℃×1h；油冷；650℃×90min；水冷	過(guò)燒
2Cr13	淬火：1030℃±10℃；保溫60min~80min；油冷。 回火：700℃~750℃，保溫120min；水冷	1000℃~1050℃； 保溫60min~80min； 油冷或空冷	1000℃×1h；油冷；650℃×90min；水冷	正常
			1070℃×3h；油冷；650℃×90min；水冷	過(guò)熱
			1250℃×1h；油冷；650℃×90min；水冷	過(guò)燒
3Cr13	淬火：1030℃±10℃；保溫60min~80min；油冷。 回火：700℃~750℃，保溫120min；水冷	1000℃~1050℃； 保溫60min~80min； 油冷或空冷	1000℃×45min；油冷	正常
			1050℃×2.5h；油冷	過(guò)熱
			1250℃×1h；油冷；650℃×90min；水冷	過(guò)燒

 

2.2 試樣的制備及腐蝕

2.2.1 試樣的制備

試樣經(jīng)鑲崁后，采用機(jī)械加工方式進(jìn)行。在試樣加工、磨制過(guò)程中均應(yīng)在冷卻狀態(tài)下進(jìn)行，加工過(guò)程禁止采用砂輪打磨試樣。

采用120#、400#、800#、1200#金相砂紙依次磨制，每更換一號(hào)砂紙應(yīng)變換磨制方向（與上一次磨制方向相垂直），直至磨制試樣完成。

拋光采用金剛石2.5W粒度拋光劑進(jìn)行，將拋制好的試樣用水清洗干凈。

 

2.2.2 試樣的腐蝕

試樣應(yīng)在常溫下，經(jīng)酸溶液腐蝕足夠時(shí)間，以能清晰顯示組織為準(zhǔn)，其腐蝕劑配比如下：

FeCl3( 65﹪)  3g

HCl( 42﹪)   10ml

H2O (蒸餾水)  90ml 

 

2.2.3 試樣的觀察

將腐蝕好的試樣放在100×~400×顯微鏡下進(jìn)行觀察，將觀察到的顯微組織與圖譜相比照。

 

3 組織圖譜及分析

3.1 奧氏體不銹鋼

奧氏體不銹鋼具有良好的室溫及低溫韌性、焊接性、耐蝕性及耐熱性。其缺點(diǎn)是在500℃~850℃范圍內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間加熱，會(huì)使鉻的碳化物從奧氏體中析出，易引起晶間腐蝕。

 

3.1.1 1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼

1Cr18Ni9Ti為奧氏體不銹鋼，一般熱處理采用1050℃~1080℃溫度固溶處理。其主要化學(xué)成分為：C≤0.12；Si≤1.00；Mn≤2.00；P≤0.035；  S≤0.030；Ni 8.0～11.0；Cr 17.0～19.0。

 

 

圖1，圖2，圖3為單相細(xì)小的奧氏體組織，具有良好的冷變形性能，有少量孿晶。組織正常。

 

 

圖4，圖5，圖6中，由于固溶溫度及時(shí)間的升高和延長(zhǎng)，奧氏體晶粒變得粗大。晶界不但越加平直，且出現(xiàn)頗多的孿晶，組織性能下降。為過(guò)熱組織。

 

 

圖7，圖8為奧氏體基體上有呈枝晶狀分布的鐵素體，構(gòu)成奧氏體-鐵素體兩相組織。為過(guò)燒組織。

 

3.1.2 0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼

0Cr18Ni9為奧氏體不銹鋼，一般熱處理采用1050℃~1100℃溫度固溶處理，其主要化學(xué)成分為：C≤0.07；Ni 8.0～11.0；Cr 17.0～19.0。

 

 

圖9，圖10為單相細(xì)小的奧氏體組織，具有良好的冷變形性能，有少量孿晶。組織正常。

 

 

圖11，圖12中由于固溶溫度及時(shí)間的升高和延長(zhǎng)，奧氏體晶粒變得粗大。晶界不但越加平直，且出現(xiàn)頗多的孿晶，組織性能下降。為過(guò)熱組織。

 

 

圖13，圖14為奧氏體基體上有呈枝晶狀分布的鐵素體，構(gòu)成奧氏體-鐵素體兩相組織。晶界上分布著（CrFe）23C6碳化物。為過(guò)燒組織。

 

3.2 鐵素體不銹鋼

鐵素體不銹鋼，由于含碳量低，其顯微組織是鐵素體，故稱為鐵素體型不銹鋼。它具有良好的耐蝕性和抗氧化性。

1Cr17Ni2為鐵素體不銹鋼，一般熱處理采用1140℃~1160℃；油冷。回火：610℃±10℃，保溫120min；水冷。其主要化學(xué)成分為：C≤0.11～0.17；Si≤0.80；Mn≤0.80；P≤0.035；  S≤0.030；Ni 1.50～2.50；Cr 16.0～18.0。

 

 

圖15，圖16組織為回火馬氏體和極少量殘余奧氏體，基體上分布的白色塊狀為鐵素體。正常組織。

 

 

圖17，圖18組織中鐵素體含量增加，淬火組織粗大，原奧氏體晶界清晰可見(jiàn)。塑性、韌性顯著下降。為過(guò)熱組織。

 

 

圖19，圖20組織中可發(fā)現(xiàn)晶界分布白色多角δ鐵素體，鐵素體塊大量出現(xiàn)，晶界上出現(xiàn)裂紋。為嚴(yán)重過(guò)燒組織。

 

3.3 馬氏體不銹鋼

馬氏體型不銹鋼，經(jīng)正火、淬火后的顯微組織為馬氏體或馬氏體+鐵素體，所以稱為馬氏體型不銹鋼。它可以通過(guò)熱處理來(lái)強(qiáng)化，淬回火后具有良好的強(qiáng)度、塑性、韌性及耐蝕性等，隨著含碳量的增加，會(huì)使馬氏體型不銹鋼的耐蝕性下降，而強(qiáng)度、硬度、耐磨性及切削性顯著提高。

 

3.3.1 1Cr13馬氏體不銹鋼

1Cr13為馬氏體不銹鋼，一般熱處理采用1000℃~1050℃；保溫60~90min油冷或空冷。回火：725℃±25℃，保溫120min；水冷。其主要化學(xué)成分為：C≤0.15；Si≤1.00；Mn≤1.00；  P≤0.035；S≤0.030；Cr 11.5～13.5 。

 

 

圖21，圖22基體為馬氏體及塊狀分布的鐵素體，鐵素體在集體上均勻分布，因?yàn)楹剂康?，組織仍處與奧氏體與鐵素體兩相狀態(tài)。組織正常。

 

 

圖23，圖24中可發(fā)現(xiàn)馬氏體粗大，出現(xiàn)δ鐵素體組織。δ鐵素體的出現(xiàn)是過(guò)熱組織的特征。

 

 

圖25，圖26中組織為粗大的板條狀馬氏體，晶界上分布著大量δ鐵素體，淬火馬氏體本針葉間形成90℃夾角。為過(guò)燒組織。

 

3.3.2 2Cr13馬氏體不銹鋼

2Cr13為馬氏體不銹鋼，一般熱處理采用1000℃~1050℃；保溫60~90min油冷或空冷。回火：725℃±25℃，保溫120min；水冷。其主要化學(xué)成分為：C≤0.16～0.25；Si≤1.00； Mn≤1.00；P≤0.035；S≤0.030；Ni≤0.60；Cr 12.0～14.0。

 

 

圖27，圖28中組織為淬火針葉狀馬氏體和極少量的殘余奧氏體。為正常組織。

 

 

圖29，圖30基體上為淬火板條狀馬氏體極少量殘余奧氏體。得到粗大的淬火馬氏體組織，淬火馬氏體本針葉間形成90℃夾角，晶界出現(xiàn)δ鐵素體，降低了鋼的沖擊韌性。為過(guò)熱組織。

 

 

圖31，圖32為過(guò)燒組織。組織中保持原馬氏體向的晶粒粗大，還有大量分布在晶界上的δ鐵素體，并出現(xiàn)局部的晶界氧化、顯微裂紋。

 

3.3.3 3Cr13馬氏體不銹鋼

3Cr13為馬氏體不銹鋼，一般熱處理采用1000℃~1050℃；保溫60~90min油冷或空冷。回火：725℃±25℃，保溫120min；水冷。其主要化學(xué)成分為：C≤0.26～0.35；  Si≤1.00；  Mn≤1.00；  P≤0.035；  S≤0.030；Ni≤0.60  Cr 12.0～14.0。

 

 

圖33，圖34中組織為淬火針葉狀馬氏體和極少量的殘余奧氏體。為正常組織。

 

 

圖35，圖36基體上為淬火板條狀馬氏體極少量殘余奧氏體。得到粗大的淬火馬氏體組織，淬火馬氏體本針葉間形成90℃夾角，晶界出現(xiàn)δ鐵素體，降低了鋼的沖擊韌性。為過(guò)熱組織。

 

 

圖37，圖38為過(guò)燒組織。組織中保持原馬氏體向的晶粒粗大，還有大量分布在晶界上的δ鐵素體，并出現(xiàn)局部的晶界氧化、顯微裂紋。

 

3.3.4 1Cr11Ni2W2MoV馬氏體不銹鋼

1Cr11Ni2W2MoV為馬氏體不銹鋼，一般熱處理采用淬火：1000℃±10℃，保溫60min；水冷或油冷。回火：550℃~590℃，保溫120min；水冷或油冷。其主要化學(xué)成分為，C：0.10～0.16；Si≤0.6；Mn≤0.6；P≤0.03；S≤0.025；Ni1.5~1.8；Cr 10.5～12.0。

 

 

圖39，圖40中組織為：淬火針葉狀馬氏體極少量的殘余奧氏體。為正常組織 。

 

 

圖41，圖42基體上為淬火板條狀馬氏體極少量殘余奧氏體。得到粗大的淬火馬氏體組織，淬火馬氏體本針葉間形成90℃夾角，晶界出現(xiàn)δ鐵素體，降低了鋼的沖擊韌性。為過(guò)熱組織。

 

 

圖43，圖44中的組織保持了原馬氏體向的晶粒粗大，少量分布在晶界上的δ鐵素體。奧氏體晶粒急劇長(zhǎng)大。輕微過(guò)燒組織。

 

 

圖45，圖46中組織為魏氏組織，保持了原馬氏體向的晶粒粗大，還有大量分布在晶界上的δ鐵素體。奧氏體晶粒急劇長(zhǎng)大。過(guò)燒組織。

 

3.3.5 1Cr12Ni2WMoVNb馬氏體不銹鋼

1Cr12Ni2WMoVNb為馬氏體不銹鋼，一般熱處理采用淬火：1140℃~1160℃；油冷或空冷?；鼗穑?80℃×2h空冷。其主要化學(xué)成分為，C：0.11～0.17；Si≤0.60；Mn≤0.60；P≤0.03；S≤0.025；Ni1.8~2.2；Cr 11.0～12.0。

 

 

圖47，圖48中的組織為淬火針葉狀馬氏體極少量的殘余奧氏體。為正常組織。

 

 

圖49，圖50基體上為淬火板條狀馬氏體極少量殘余奧氏體。得到粗大的淬火馬氏體組織，淬火馬氏體本針葉間形成90℃夾角，晶界出現(xiàn)δ鐵素體，降低了鋼的沖擊韌性。為過(guò)熱組織。

 

 

圖51，圖52為過(guò)燒組織。組織中保持原馬氏體向的晶粒粗大，還有大量分布在晶界上的δ鐵素體，并出現(xiàn)局部的晶界氧化、顯微裂紋。

 

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