不锈钢的热处理技术文件.doc

肥粒体型不锈钢之特性及选用(1)热处理条件 肥粒体型不锈钢之热处理,主系使加工产生之加工硬化回复以及消除焊接应力为目的者｡一般都在700~900℃间保持适当时间后空冷之退火处理(annealing)为多｡如图2所示若在过高的温度加热,则一部份将生成沃斯田体而发生某些程度的麻田散体变态而硬化｡此种倾向若Cr量超过14%将会减少,C量若在0.1%左右时,Cr量达22%则淬火硬化性会急剧减少,超过25%Cr时几乎都不发生｡ 根据JIS规格所规定之退火条件及其机械性质如表3所示,方法上可以说比较简单｡但热处理温度过低时易使再结晶不完全,过高而超过900℃以上,则晶粒粗大化显著,会使弯曲､冲击值等韧性降低｡而一旦粗大化的晶粒,其后就无法以热处理方法再微细化,故必需注意在偏高温度的加热｡ 热处理时间一般的标准为直径或厚度每25mm保持一小时程度,但与保持时间相互的关系而言通常以直径或厚度每1mm保持1~3min为计算的指标｡ 冷却一般都采空冷,不过按热处理温度,若有部份沃斯田体化之虑时,至600℃的温度有徐冷的必要｡ 对于高Cr不锈钢(如446型)若冷却速度过慢时会生所谓σ相脆性或475℃脆性而使韧性减低｡故与高温加热同样必需加以注意｡ 极低C､N肥粒体型钢,由于组织是单相肥粒体,不必顾虑淬火硬化性,同时造成高温加热脆性的原因之晶粒粗大化也比430钢小,故热处理条件的限制比其他肥粒体型不锈钢少｡(2)热处理应注意事项(A)高温加热脆性 肥粒体型不锈钢加热时必需极力减少沃斯田体相之生成而使成肥粒体单一安定相,故无法以热处理方法使结晶微细化｡因此900℃以上之高温加热将导至晶粒的粗大化及碳化物之粒界凝集,在常温将变为脆弱｡ 晶粒的粗大化如图107所示较之沃斯田体型不锈钢成长快且晶粒大｡若受5%左右的冷加工率时其晶粒成长将更为迅速,以成份而言Cr量愈多粗大化愈显著｡ 晶粒粗大化不但会造成脆化,同时在冲压或弯曲等冷加工时容易发生表面粗糙及粒界腐蚀｡(B)粒界腐蚀 肥粒体型不锈钢与沃斯田由860℃以上之高温急冷时易生敏感化(Sensitination)而在酸性环境下容易发生粒界腐蚀体型不锈钢不同,｡原因系由于急冷而造成Cr向粒界扩散较C为慢而只有粒界附近之Cr优先于粒界形成M25C8之碳化物,致使粒间近傍形成Cr缺乏区域而造成粒界腐蚀,焊接时焊珠以及其邻接处易生粒界腐蚀｡ 发生敏感化之钢若在650~815℃短时间加热就可恢复,惟大型构造物之加热实际有困难｡(C)475℃脆性 475℃脆性乃含有15%Cr以上之中､高Cr钢在400~500℃的范围,长时间加热时会出现的一种脆化现象,由于在475℃附近最为显著,故称之为475℃脆性｡(3)退火处理 唯一适合肥料铁不锈钢之热处理方法是退火处理,其目的为使材料软化与调整结晶粒,以提高其材料之加工性｡一般所采用之退火方法如表3所示之低温退火法｡这方法是加热至变态点微下之温度,在此温度每25mm经保持一小时后空冷者,可得如图107所示的分散析出有微粒Cr碳化物之肥粒体组织｡图108示SUS430之热压轧板,在各种不同退火加热温度对常温冲击值之影响｡由此可知在700~800℃之退火可得最大之韧性,但900℃以上可产生部分的麻田散体变态,同时肥粒体结晶粒会粗大化因此会显著的脆化｡ 完全不含碳之Fe-Cr合金,由图171之平冲状态图可知,含Cr量超过13%以上时,在全温度范围内呈完全肥粒体组织｡但是无法避免混入少量的碳及其他不纯物之工业用材料,或如SUH之高Cr钢,在高温会生成沃斯田体相,所以可藉急冷产生麻田散体,因此热处理时应避免900℃以上之过热｡ 肥粒体系不锈钢,除此之外尚有475℃脆性｡这是将含有Cr量超过15%以上之SUS430或SUS446加热至425~525℃之温度范围时,在常温附近容易变脆,尤其含Cr量愈高愈容易产生(图110),其原因为由于高Cr肥粒体相之分离所致,因此高Cr之SU446若退火后施以徐冷时,则会产生475℃之脆化现象,所以必须作急冷｡ 此外,在SUS430材,对加工为目的之薄板,为预防所谓Lowping之表面缺陷发生最好施作完全退火处理,即加热至变态点以上之温度后以15~30℃/hr之速度徐冷｡温度下降至600℃以下时空冷亦无妨,图111示SUS430之T.T.T曲线｡表47 肥粒体系不锈钢之种类(JIS G 4303~07,G 4312~1967)钢类记号类似钢种化 学 成 分 (%)CSiMnPSNiCr其他SUS430SUS405SUS4464304054460.12以下0.08以下0.20以下0.75以下1.00以下1.00以下1.00以下1.00以下1.50以下0.040以下0.040以下0.040以下0.030以下0.030以下0.030以下---16.00~18.0011.50~14.5023.00~27.00A10.10~0.030N0.25以下表3 肥粒体系不锈钢之退火处理图107 肥粒体系不锈钢之退火组织图109 Fe-Cr状态图图108 SUS430热压延板之退火温度对 韧性之变化(39 min加热,水冷)图110 高Cr肥粒体系不锈钢之475℃脆化 图111 AISI 430(SUS 24相当)之T.T.T曲线 一般麻田散型不锈钢之热处理过程为,退火→粗加工→淬火､回火→研磨加工→成品｡若需要做表面硬化处理时可在研磨加工后施之｡表49为麻田散体型不锈钢之标准热处理条件,表50所示则为其机械性质｡表49 麻田散体型不锈钢之热处理条件*400~550C的回火处理,韧性差应避免之｡50~100℃ 15~30℃/hr (可球化) 图113 麻田散体型不锈钢之退火方法(1)退火 退火处理的目的主要在于机械切削性的改善,提高抽制､抽线､冷锻等冷加工性以及淬火后的韧性改善等｡ 麻田散体型不锈钢由于有自硬性,故必须注意退火后的冷却速度｡热加工的状态会自行硬化,故欲作机械加工､冷加工者,灰冷或徐冷后再重新施以退火处理｡亦有需在冷加工过程中间使其软化者,故应按照钢种,目的而选择退火条件｡ 退火方法可分为完全退火,恒温退火及低温退火三种｡其方法如图113所示,碳化物的球化处理可采用前二法,冷加工过程的中间软化或锻造､机械加工后之应力消除则采用低温退火｡(A)完全退火 在A1变态点以上50~100℃的高温下,以1hr/25mm的比率加热后,以15~30℃/hr的速度冷却至Ar1变态点以下的退火法｡过共析组成的麻田散体型不锈钢有球化的效果｡ 含Ni之431钢以此法退火并无效果,根据JIS的规定,一旦施以淬火,再在A1变态点稍下方加热的二段退火法(第1次:750℃急冷,第2次:650℃急冷)｡ 440C及420J2等过共析钢完全退火后碳化物较容易球化｡(B)恒温退火 上述的完全退火法,需要很长的时间,为了节省时间而采用的方法即为恒温退火法｡恒温退火法乃利用TTT曲线,选择变态速度最大的温度范围,即TTT曲线的鼻(nose)温度,使其完成恒温变态,而后可以比较快的冷却速度冷却的缩短热处理时间的方法｡图115所示为数种代表性麻田散体型不锈钢的TTT曲线(S曲线)的鼻温度､变态开始时间及变态终了时间｡C,Ni高之钢种变态终了的时间较长｡(C)低温退火 低温退火乃冷加工过程的中间软化或锻造､机械加工后之应力消除用的退火方法｡加热温度低(A1变态点下方)且加热时间短为特征｡图114 12%Cr-C系(左)及18%Cr-C系(右)及剖断状态图图115 主要麻田散体系不锈钢之T.T.T.曲线(2)淬火､回火处理 麻田散体系不锈钢之淬火､回火条件如表所示｡依钢种及用途之不同,其加热温度范围各异｡(A)淬火:铬碳化物不易固溶在沃斯田体内,所以麻田散体系不锈钢淬火所须之加热温度必须高于变态点以上之相当高温｡主要钢种之淬火硬度曲线如图142所示,一般在1000℃附近可得最高硬度,但淬火温度愈高,回火后之硬度也高,相反的韧性含降低(图116)｡因此要求回火后希望有最大延性之构造用者,则选作低温侧之淬火,另一面,要求高硬度之刃物用者,则选作高温侧之淬火｡若淬火温度比指定温度高时,则在高碳钢可生成残留沃斯田铸,在低碳钢则如图117所示的不但由于生成σ-Ferrite的可降低淬火硬度,亦会导致结晶粒之粗大化或表面脱碳等之缺陷,所以必须特别注意不得过热｡SUS440等虽然自适当温度淬火亦无法避免沃斯田体之残留,但放置在当温时会逐渐的产生麻田散体变态,因此难免有尺寸之变化,极端时会发生龟裂｡为防止这些缺点之对策为淬火后速即作深冷处理或回火处理为宜｡最适宜的加热炉为选用盐浴炉,为减少变形应避免急热,一旦在变态下之温度(低温退火温度)作预热为宜｡尤其大断面之材料可在此前之500℃上下多加一次之预热亦甚适宜｡在淬火温度之保持时间以25mm径或厚保持30分为标准｡保持时间过长,则会出现如同在高温过热同样之缺陷｡高铭麻田散体钢之自硬性甚佳,所以油冷即可充分硬化,但高碳或含镍系之小断面零件或易于变形之复杂形状零件则以空冷为宜｡(B)回火:一在淬火状态,虽然其强度及耐蚀性较佳,但凹沟韧性较低,且易发生应力腐蚀龟裂,因此很少直接使用,必须施以回火处理｡回火处理可分为如使用刃物类零件,以缓和内部应变为目的之低温(退)火及适用于构造用钢,以注重强韧性之高温回火之二种｡麻田散体系不锈钢经淬火后之机械性质及回火温度对耐蚀性之影响示如图118及图119,由于在约500℃之回火所产生微粒碳化物之析出导致之二次硬化会降低冲击抵抗与耐蚀性,所以原则上回火温度不选用此附近之温度｡刃物用之低温回火在150~200℃作2hr以上之加热后空冷之｡另一方面使用于构造用钢之高温回火是加热至近于变态点之约700℃上下之指定温度范围1hr以上,然后急冷(水冷､油冷或送风空冷)之｡其淬火硬度及回火材之机械性质示如表6,此外SUS420及SUS420在高温之回火温度对机械性质之关系示如图181｡此系统之钢皆有回火脆性｡因此回火的温度及冷却速度必须适当选择｡回火的第一脆性有其一定之温度范围(400~550℃)必须避免之,耐蚀性较差的回火温度大致与第一回火脆性之范围相同｡其次为避免发生回火第二脆性,回火后必需急冷｡构造用材料非常重视韧性,因此回火后的冷却速度必需按照所要求的机械性质而调节｡(C)残留沃斯田体与深冷处理:残留沃斯田体乃不安定组织,常成为时效龟裂或尺寸之经时变化的原因,故轴承､仪表类等精密零件或刀具等为了使残留沃斯田体的麻田散体化淬火后随即施以深冷处理｡含碳量低者残留沃斯田体生成量也少｡图116 淬火温度对AISI 410(相当于SUS 51) 图118 SUS 420淬火钢之回火温度高温回火后的机械性质之影响 。