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高功能不銹鋼介紹以及用途
發布時間:2014-07-06 發布者:永泰興 本站瀏覽次數:508次
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鋼的強化通常是為了適應社會需求而發展起來的,其強化的方法很多,在理論方面也有許多說明。強化的要求對具有優良耐蝕性的不銹鋼也不例外。鋼的強化可以使板厚減薄,結構件輕量化,壽命也可提高。2000年6月修改了建筑標準法施行令,規定不銹鋼可用于鋼結構.JISC4321建筑結構用不銹鋼作為一般結構材使用己被認可。當今,由于使用環境十分苛刻以及節能和環保等多方面的問題,要求不銹鋼的強度水平要高且多樣化。鋼的變形主要是"位錯"的運動,所謂"位錯"就是指結晶體內存在的缺陷,通常在退火狀態約存在(1010-1012)/m’個。若阻礙這種位錯的運動就難以發生變形,因此鋼就被強化。這種阻礙位錯運動,使鋼強化的方法有固溶強化。析出強化、加工硬化(位錯強化)、馬氏體相變的強化和晶粒細化的強化等。實際上都是復合利用各種方法,根據需要進行不銹鋼開發的。本文將對各強化機理進行簡單說明并介紹強化不銹鋼的使用例。固溶強化就是在純金屬中固溶進合金元素,即在母金屬的晶格的原子間隙進入其他的合金元素(侵入型)或替換母金屬的原子(置換型)和使母金屬的晶格發生歪扭,由于這種歪扭在晶體內產生應力場,阻礙了位錯運動,而使強度提高。實際上不銹鋼就是鉻和鎳對鐵固溶的合金,可以說已經處于固溶強化的狀態,但是鉻和鎳對鐵的固溶強化作用不是很大,侵入型元素C、N對固溶強化的作用最大。在SUS304中固溶氮而達到高強度化的材料有SUS304N1(0.Ⅱ-O.25%N)和SUS304N2(0.15叫.30%N)。與SUS304的0.04x氮量比較是2-7倍的氮含量,在固溶化狀態的強度達到SDS304的15-2.0倍以上,在JISG4305的固溶化狀態下的力學性能規定,SUS304的屈服強度在205N/~以上,而SUS304N1在275N/m/以上,SUS304N2在345N/mm/以上。這些加氮的強化鋼被廣泛用于結構用強度構件。固溶強化不僅使常溫下的強度增加,而且作為提高高溫強度的方法也是有效的。因此,與其他強化方法相比,受焊接的熱影響作用小,是確保焊接處特性的最佳強化方法。為了改善利用圖述的加工硬化的SUS301(17Cr-7Ni)的焊接處的耐蝕性而開發了低碳型SUS301L,為了保持焊接處的強度,在該鋼中固溶了o.2q6以下的氮量,該鋼作為鐵道車軌用材非常普及。固溶元素對Cr-Ni奧氏體系不鎊鋼 0.2%屈服強度的影響這是在母體金屬中形成析出物(碳化物、氮化物、金屬間化合物等)使其強化的方法,析出物具有阻礙位錯運動的作用。在母相呈微細彌散分布狀態,最能提高強度。鋼中合金元素的固溶度因溫度而不同,利用這一特點而使鋼析出強化。眾所周知,PH型不銹鋼就是這種析出強化鋼,在JISC4304中,根據固溶化狀態下的基體組織已注冊的有馬氏體系和半奧氏體系兩種析出硬化型不銹鋼。馬氏體系的17-4PH不銹鋼、SUS630(17Cr-4Ni)約含4.0nCu,在約1050qC高溫下,銅原子固溶于奧氏體相中,在冷卻過程轉變成過飽和含銅馬氏體組織,此后在450-480攝氏度,經1-4小時的析出硬化處理,使富銅析出物在馬氏體基體中彌散析出而強化。其硬度在固溶化熱處理時為350HV.在析出硬化處理時為450HV。SUS630是強度和耐蝕性(耐蝕性與304系不銹鋼相同)兼備的材料,用于彈簧材,航空結構材、刀具和壓合板的壓板等。半奧氏體系的FH不銹鋼是強度與加工性兼備的特殊鋼種,在SUS301中加A1的17-7PH不銹鋼、SUS631(17Cr-7Ni-1.2A1)在固溶化處理后的常溫下具有加工性優良的奧氏體系組織。固溶化處理后,在950攝氏度進行10分鐘的熱處理,使碳的固溶量變化,提高馬氏體相變點(Ms點)。接著在Ms點(約-70攝氏度)附近冷卻,形成馬氏體組織(RH950處理)。另外,還有在固溶化處理后用冷加工方法引起馬氏體相變的方法(CH900處理)。形成馬氏體后在510攝氏度附近加熱進行析出硬化處理,析出NiAl,在奧氏體狀態其屈服強度約為280N/平方毫米,析出硬化處理后達到1520-1790N/平方毫米。對形狀復雜構件的成形要求加工性,也要求滿足強度的要求。但是,在成形加工時必須注意因硬化處理而發生的尺寸變化。 ☆加工硬化的強化鋼變形時給結晶加上了剪斷應力,在位錯運動的同時,給結晶導入了大量的位錯。加工硬化加工軋制和拔絲這種塑性變形使晶體內的位錯密度增加,是強化鋼的方法。這種加工硬化作用奧氏體系比鐵素體系大得多。在18Cr-8Ni組成的亞穩定奧氏體系,因位錯密度增大的硬化和馬氏體的生成(加工引起相變)容易得到高強度。利用加工硬化的材料稱硬化材,其強度可根據軋制率的變化按H(硬級)、3/4H和1/2H的強度水平劃分,SUS301(17Cr-TNi)硬化材在家庭電器機械的壓簧和汽車的引擎墊圈、通信機械的連接器材等板彈簧制品方面使用非常普及。由加工硬化引起的馬氏體具有磁性,所以SUS301和SUS304的硬化材也有磁性。非磁性的彈簧用材料有含高錳的不銹鋼AISl205(17Cr-15Mn-1.5Ni-O.35N),該鋼是用錳取代了SUS301中的鎳,由于其性質的不同,可以固溶更多的氮。就是說,可以得到前述的固溶強化的效果。在固溶化處理狀態下SUS304的硬度約1801tV,而AISl205的硬度約2701]V,再進行加工時可發現顯著的加工硬化特性。所有鋼種隨著壓下率增加的同時,硬度也上升。 ☆晶粒細化的強化人們早己知道晶粒大小影響金屬強度。鐵素體晶粒大小對退火的軟鋼屈服強度的影響,可以看出晶粒直徑d與屈服強度間有著直線關系,晶粒越細屈服強度越高。這種屈服強度與晶粒大小間的關系稱霍爾佩琪法則,因變形在晶粒內運動的位錯在晶界其運動被阻,所以晶界大量存在的細晶粒材料,其強度很高。前述的固溶強化、析出強化及加工硬化若過分提高強度,則會使韌性受損。所以,有時根據加工、使用條件使強度有一定限制。另一方面,當晶粒細化時不但不損壞韌性,而且還能提高強度。現在,對鋼鐵材料的晶粒細化的研究非常盛行,并以"超級金屬的技術開發。為題進行著開發,通常不銹鋼的晶粒直徑為數十微米,但在這些課題中正在研究一種制造方法,使金屬晶粒有1/100到數百毫微米(nm),例如,晶粒直徑為300nm的奧氏體系不銹鋼其拉伸強度為1100N/mm2,約是通常粒徑材料的2倍。為了能在不損害韌性的前提下得到高強度,對這種方法寄予了很大的希望。在JIS規定的不銹鋼中存在具有微細組織的不銹鋼,這是把不同組織復合的雙相系不銹鋼。 SUS329J4L(25Cr—6Ni—3Mo—N)具有在鐵素體母相中分布著島狀奧氏體相的組織,由于為復合組織故各組織很細微。另外,由于加入了氮使之固溶強化提高了強度,耐點蝕性也得到改善。由于晶粒細化和固溶強化的復合作用,使得雙相鋼的屈服強度等強度特性好于奧氏體系和鐵索體系。抗應力腐蝕裂紋的鐵素體系和高強度奧氏體系的各種特性的不銹鋼,可用于貯水柜、原油、含硫天然氣油井管和液化產品專用船的管等腐蝕強的環境。 ☆馬氏體相變的強化在不銹鋼中具有最高硬度的SUS440(2(13Cr-IC)(640-700[1V)屬于馬氏體系不銹鋼,馬氏體組織的結構非常微細,而且在其內部存在高密度的位錯,若使碳過飽和固溶還能提高強度。另方面,經過最后的回火處理可以得到碳化物等析出物彌散細微分布的組織。馬氏體系不銹鋼用固溶碳量和加火處理可以調整其強度。例如,SUS420J2(13Cr-O.3C)從i000~C的高溫奧氏體區急冷時,發生固溶0.3%C的馬氏體相變,再經回火熱處理就會使碳化物等析出物呈微細彌散分布。其強度可達到約550HV。SUS420J2和SUS420J1(13Cr—0.2C)與SUS410(13Cr-O.1C)一齊用作發電設備和化工設備等結構材料。表1表示稱作高強不銹鋼的代表鋼種的組成、用途及它們的強化機理和強度水平。 鋼種系統 鋼種 概略組成 性質和用途強化機理 硬度HV 奧氏體系 AISI205 17Cr-15Mn-1.5Ni-0.4N 非磁性彈簧、金屬墊圈 固溶強化+加工硬化 SUS301 17Cr-7Ni 鐵道用車軌、一般彈簧 加工硬化 260-420 SUS301L 17Cr-7Ni-N-低C 鐵道用車軌固溶強化+加工硬化 SUS304N1 18Cr-8Ni-N 結構用強度構件 固溶強化 220-250 SUS304N2 18Cr-8Ni-N-Nb 奧氏體-鐵素體系 SUS329J1 25Cr-4.5Ni-2Mo 兼備耐SCC性強度 晶粒細化強化 250-280 SUS329J4L 25Cr-6Ni-3Mo-N-低C 馬氏體系 SUS410 13Cr 一般用途、刀具 馬氏體強化 370-450 SUS420J1 13Cr-0.2C 滑輪機葉片 馬氏體+固溶強化 520-580 SUS420J2 13Cr-0.3C 刀具、噴嘴、閥座、活門、直尺 SUS440C 13Cr-1C 不銹鋼中最高硬度、噴嘴、軸承 640-700 析出硬化系 SUS630 17Cr-4Ni-4Cu-Nb 軸類、滑輪機購件、壓合板壓板、鋼帶 析出+馬氏體強化 400-500 SUS631 17Cr-7Ni-1Ae 彈簧、洗滌機、機器部件、高溫彈簧除表1外各公司還開發了保持耐蝕性的各種高強度材料,這些材料的強度水平是多樣的,必須根據用途選擇耐蝕性、加工性、高溫特性及抗氧化性等最佳組合的不銹鋼。

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