沉淀硬化不锈钢

由于耐蚀性、强度和沉淀硬化处理后的低变形,顶级合金组的应用增加。

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在本栏目中,我们将讨论沉淀硬化钢及其物理冶金。

沉淀硬化不锈钢是一类可以通过热处理硬化到显著强度水平的不锈钢。这些合金于1946年首次引入[1],以满足高强度、耐腐蚀、能够在高温下工作的合金的需求。从最初的创造开始,无数不同的合金被创造出来。这些合金现在广泛应用于航空航天、船舶、汽车、造纸、核、石化和其他应用。当需要高强度、耐腐蚀和高韧性的组合时,可以使用这些合金。沉淀硬化是通过添加铜、钼、铝和钛来实现的。这些合金通常在工厂进行固溶热处理,在车间制造(成形和加工),然后进行时效以达到所需的机械性能。时效硬化阶段析出硬质金属间化合物,显著提高硬度和强度。

沉淀硬化不锈钢分为三大类合金:马氏体合金;semi-austenitic;和奥氏体。各组普通合金的典型化学成分如表1所示。

表1:一些沉淀硬化不锈钢的典型成分。

马氏体析出硬化不锈钢

这些不锈钢通常用作棒材或锻件,但也可作为铸件、薄板或板。由于在固溶热处理过程中形成了未篡改的马氏体组织,这些合金的冷成形比较困难。在这种条件下的合金具有较低的延展性和较高的强度。通过单一时效处理的硬化将产生从1170 MPa到1376 MPa (170-200 Ksi)的屈服强度。这些合金可在高达482°C(900°F)的温度下使用。

半奥氏体沉淀硬化不锈钢

这些合金主要以薄片形式生产,因为固溶热处理后的奥氏体组织提供了极好的成形性。固溶热处理后的机械变形使奥氏体由固溶热处理转变为马氏体组织。冷冻也能促进马氏体的转变。在温度下时效允许沉淀硬化机制发生。

奥氏体沉淀硬化不锈钢

这组合金的力学性能低于其他两组沉淀硬化不锈钢,但具有良好的抗蠕变性能,并保持其性能的温度高达704°C(1300°F)。在650°-750°C时效过程中发生沉淀。

物理冶金学

沉淀硬化不锈钢主要有两种不同的晶体组织——铁素体和奥氏体。铁素体为体心立方组织,奥氏体为面心立方组织。铬、钼、钒和铌是铁氧体稳定剂。镍、锰、铜和钴是奥氏体的稳定剂。

在较高的温度下,合金元素的溶解度增加,这意味着马氏体起始温度和结束温度可以由固溶热处理温度控制。在高固溶温度下,合金中奥氏体含量增加,马氏体起始温度降低。在较低的固溶热处理温度下,合金中奥氏体含量较低(固溶量较少),冷却后转变为马氏体。这些合金称为半奥氏体沉淀淬火合金。合金含量对合金类型的影响如图1所示。

图1合金含量对沉淀硬化不锈钢[1]相变温度的影响。
图1合金含量对沉淀硬化不锈钢[1]相变温度的影响。

这些不锈钢中主要的沉淀硬化元素是铝、钛和铜。硬化这些合金有三个基本步骤。虽然不同的组之间存在差异,但他们都遵循相同的方案。

首先是固溶热处理。和铝合金一样,选择这个温度是为了溶解所有的溶质原子。时间和温度的选择取决于合金元素的存在。如前所述,可以通过调节时间和温度来改变马氏体相变。

其次,必须建立一个过饱和的固体解决方案。这是通过淬火来实现的。如果合金在淬火时转变为马氏体,由于合金元素在马氏体中的溶解度有限,就会发生更大的过饱和。这意味着周围的基体有较大的合金含量和较大的过饱和。这种马氏体反应可以通过冷冻到低于马氏体结束温度来完成。

最后一步是沉淀硬化或时效。由于温度的影响扩散速度很慢,自然老化不会发生。当温度升高时,扩散发生,细小的沉淀沿着基体的晶体平面发生。一个高度应变的基体,与基体和沉淀之间发生不匹配。

和铝一样,析出相的大小和形貌可以由不同的时间和温度控制。在低温下长时间暴露会产生许多细小的沉淀,这反过来又增加了强度。中间温度仍然可以达到最大强度,但周期较短。在高温下,析出相与基体失去相干性。析出相剪切,降低了基体与析出相之间的应变,使组织发生过时效。

马氏体PH不锈钢

这种材料通常在1037°±13°C(1900°F)下进行固溶热处理,并在轧机处淬火。产品形式有棒材、板材、薄板和钢坯。这种固溶热处理和淬火热处理称为“条件a”。在这种条件下,材料很容易加工成所需的形状。加工后,零件要经过时效处理,达到所要求的性能。沉淀硬化不锈钢的优点之一是能够在条件A中轻松加工零件,并在中等温度下使其老化到最终强度。这类合金在时效期间因硬化而产生的典型收缩极小。从条件A老化到900°F,产生的收缩是0.0004-0.0006英寸每英寸。老化条件A在1150°F下的收缩是0.0009-0.0012英寸每英寸[2]。

半奥氏体沉淀硬化不锈钢

这些钢在固溶处理条件下为奥氏体,通过机械加工或热处理转变为马氏体。在老化过程中会发生额外的强化。在老化之前还需要一个额外的奥氏体调理步骤。从调节步骤快速冷却后,在-100°F制冷有助于实现所需的峰值强度。这些合金有一个更复杂的热处理周期和机械加工,以达到非常高的强度。空间不允许充分讨论奥氏体条件、时效和机械变形之间的相互作用。

奥氏体沉淀硬化钢

在这些合金中,有足够的奥氏体稳定剂(如镍)来维持奥氏体结构。马氏体起始温度降低,使其低于室温或室温。这类合金含有钛和铝,在沉淀硬化过程中通过形成Ni3 (Al,Ti)来硬化。

这类合金的热处理包括在982°C(1800°F)的固溶处理,并迅速冷却(通常是油或聚合物淬火)至条件a,然后合金被制造,随后在704°C(1300°F)时效16小时,然后风冷[4]。这些合金的屈服强度(620 MPa)远低于马氏体或半奥氏体合金。

结论

在本专栏中,我们介绍了不同类型的沉淀硬化不锈钢,并简要讨论了在更广泛的沉淀硬化不锈钢等级内的三种合金组的热处理和物理冶金。

这些合金因其耐蚀性、强度和(重要的是)沉淀硬化处理后的低变形而在应用中不断增长。

参考文献

  1. C. J. Slunder, A. F. Hoenie和A. M. Hall,“析出硬化不锈钢的热处理和机械处理”,NASA,华盛顿特区,1967。
  2. AK Steel International, ARMCO PH 13-8 MO Stainless Steel products Data Bulletin, Barcelona, Spain, 2019。
  3. 阿勒格尼技术国际,不锈钢17-4沉淀硬化合金,匹兹堡,宾夕法尼亚州,2006。
  4. L. Zubeck,“沉淀硬化钢等级的技术评论”,弹簧,no。2006年1月,第14-16页。
  5. 阿勒格尼技术,AM350技术数据表,匹兹堡,宾夕法尼亚州,2012。
  6. AK钢,17-7 PH不锈钢,西切斯特,OH, 2020。