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熱及過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方面對各不銹鋼材料的過熱及過燒進行判定，因為不銹鋼材料的晶粒分為本質粗晶和本質細晶，所以單純的從晶粒大小判定過熱是不全面的。作者對部分不銹鋼材料進行了大量試驗和研究，從而得出以晶界析出物和晶粒大小共同判定不銹鋼的過熱及過燒更加合理準確。

 

關鍵詞：熱處理；晶粒；不銹鋼；過熱；過燒

 

1 前言

不銹鋼為航空產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，欠缺一類不銹鋼材料在生產中金相組織的判定圖譜。在金相組織觀察中，對該類材料組織是否產生過熱、過燒判定不夠準確。因此，為了明確是否出現過熱或過燒，并配合相應的圖譜對比，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。因今年我廠沒有該種材料庫存，所以，此次沒有做這兩類不銹鋼材料的相關圖譜，待以后收集到這兩種材料在加以補充完善。此次，雖然沒有收錄我廠所有不銹鋼材料，但根據不銹鋼的正火后顯微組織的分類，可以通過相同種類型判定出不銹鋼過熱、過燒。

 

1.1 過熱、過燒的概念及危害

過熱一般認為，金屬由于加熱溫度過高或高溫保溫時間過長而引起晶粒粗大的現象就是過熱，至于晶粒粗大到什么程度算過熱，應視具體材料而有所不同。

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

過燒：加熱溫度過高，不僅引起奧氏體晶粒粗大，而且晶界局部出現氧化或熔化，導致晶界弱化等。

過燒加熱溫度比過熱更高，但與過熱沒有嚴格的溫度界限。一般以晶粒邊界出現氧化及熔化為特征來判定過燒。性能嚴重惡化，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鐵素體是在高溫區域形成的相，一般稱為ζ鐵素體或高溫鐵素體，以區分與低α鐵素體。ζ鐵素體是體心立方晶格，但晶格常數與α鐵素體不同，并表現出較高的脆性。這種相主要是由于加熱溫度過高，高溫中停留過久、化學成分的波動或形成鐵素體與奧氏體的元素達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，晶體結構為正方晶系，在室溫下有磁性，脆而硬。δ相一般在500℃~900℃溫度范圍內長時間時效時析出，較高的含鉻量的質量分數（25%~76%）及ζ鐵素體的存在均會出進δ相的析出。

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

 

2 試樣的熱處理工藝及試驗方法

2.1 熱處理工藝

為了獲得不同材料的過熱、過燒圖譜，針對以上不同材料以及我廠現行的熱處理工藝，選取不同的的熱處理溫度及時間，已達到預期目的。見表1：

 

表1 不銹鋼熱處理參數表

材料	淬火保溫溫度 （工藝要求）	標準狀態	實際狀態	結果
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	過熱
			1300℃×1h；水冷	過燒
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	過熱
			1100℃×3h；油冷	輕微過燒
			1300℃×1h；油冷	過燒
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	過熱
			1300℃×1h；空冷； 780℃×2h； 空冷	過燒
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	過熱
			1250℃；1h；610℃；90min	過燒
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	過熱
			1250℃×1h；水冷	過燒
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	過熱
			1250℃×1h；油冷；650℃×90min；水冷	過燒
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	過熱
			1250℃×1h；油冷；650℃×90min；水冷	過燒
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	過熱
			1250℃×1h；油冷；650℃×90min；水冷	過燒

 

2.2 試樣的制備及腐蝕

2.2.1 試樣的制備

試樣經鑲崁后，采用機械加工方式進行。在試樣加工、磨制過程中均應在冷卻狀態下進行，加工過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，每更換一號砂紙應變換磨制方向（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

試樣應在常溫下，經酸溶液腐蝕足夠時間，以能清晰顯示組織為準，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。其缺點是在500℃~850℃范圍內進行長時間加熱，會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，由于固溶溫度及時間的升高和延長，奧氏體晶粒變得粗大。晶界不但越加平直，且出現頗多的孿晶，組織性能下降。為過熱組織。

 

 

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

 

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，其主要化學成分為：C≤0.07；Ni 8.0～11.0；Cr 17.0～19.0。

 

 

圖9，圖10為單相細小的奧氏體組織，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間的升高和延長，奧氏體晶粒變得粗大。晶界不但越加平直，且出現頗多的孿晶，組織性能下降。為過熱組織。

 

 

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

 

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。塑性、韌性顯著下降。為過熱組織。

 

 

圖19，圖20組織中可發現晶界分布白色多角δ鐵素體，鐵素體塊大量出現，晶界上出現裂紋。為嚴重過燒組織。

 

3.3 馬氏體不銹鋼

馬氏體型不銹鋼，經正火、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。它可以通過熱處理來強化，淬回火后具有良好的強度、塑性、韌性及耐蝕性等，隨著含碳量的增加，會使馬氏體型不銹鋼的耐蝕性下降，而強度、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，因為含碳量低，組織仍處與奧氏體與鐵素體兩相狀態。組織正常。

 

 

圖23，圖24中可發現馬氏體粗大，出現δ鐵素體組織。δ鐵素體的出現是過熱組織的特征。

 

 

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δ鐵素體，降低了鋼的沖擊韌性。為過熱組織。

 

 

圖31，圖32為過燒組織。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δ鐵素體，降低了鋼的沖擊韌性。為過熱組織。

 

 

圖37，圖38為過燒組織。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δ鐵素體，降低了鋼的沖擊韌性。為過熱組織。

 

 

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。奧氏體晶粒急劇長大。輕微過燒組織。

 

 

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。奧氏體晶粒急劇長大。過燒組織。

 

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。回火：780℃×2h空冷。其主要化學成分為，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δ鐵素體，降低了鋼的沖擊韌性。為過熱組織。

 

 

圖51，圖52為過燒組織。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，并出現局部的晶界氧化、顯微裂紋。

 

簡介

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