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马氏体不锈钢

通过热处理可以调整其力学性能的不锈钢,通俗地说,是一类可硬化的不锈钢。典型牌号为Cr13型,如2Cr13 ,3Cr13 ,4Cr13等。淬火后硬度较高,不同回火温度具有不同强韧性组合,主要用于蒸汽轮机叶片、餐具、外科手术器械。根据化学成分的差异,马氏体不锈钢可分为马氏体铬钢和马氏体铬镍钢两类。根据组织和强化机理的不同,还可分为马氏体不锈钢、马氏体和半奥氏体(或半马氏体)沉淀硬化不锈钢以及马氏体时效不锈钢等。

标准的马氏体不锈钢是:403、410、414、416、416(Se)、420、430、431、440A、440B和440C型,有磁性;这些钢材的耐腐蚀性来自“铬”,其范围是从11.5至18-,铬含量愈高的钢材需碳含量愈高,以确保在热处理期间马氏体的形成,上述三种440型不锈钢很少被考虑做为需要焊接的应用,且440型成份的熔填金属不易取得。

标准马氏体钢材的改良,含有类如镍、钼、钒等的添加元素,主要是用于将标准钢材受限的容许工作温度提升至高于1100K,当添加这些元素时,碳含量也增加,随着碳含量的增加,在焊接物的硬化热影响区中避免龟裂的问题变成更严重。 [1]

马氏体不锈钢能在退火、和硬化与回火的状态下焊接,无论钢材的原先状态如何,经过焊接后都会在邻近焊道处产生一硬化的马氏体区,热影响区的硬度主要是取决于母材金属的碳含量,当硬度增加时,则韧性减少,且此区域变成较易产生龟裂、预热和控制层间温度,是避免龟裂的最有效方法,为得最佳的性质,需焊后热处理。

马氏体不锈钢是一类可以通过热处理(淬火、回火)对其性能进行调整的不锈钢,通俗地讲,是一类可硬化的不锈钢。这种特性决定了这类钢必须具备两个基本条件:一是在平衡相图中必须有奥氏体相区存在,在该区域温度范围内进行长时间加热,使碳化物固溶到钢中之后,进行淬火形成马氏体,也就是化学成分必须控制在γ或γ+α相区,二是要使合金形成耐腐蚀和氧化的钝化膜,铬含量必须在10.5-以上。按合金元素的差别,可分为马氏体铬不锈钢和马氏体铬镍不锈钢。

马氏体铬不锈钢的主要合金元素是铁、铬和碳。图1-4是Fe-Cr系相图富铁部分,如Cr大于13-时,不存在γ相,此类合金为单相铁素体合金,在任何热处理制度下也不能产生马氏体,为此必须在内Fe-Cr二元合金中加入奥氏体形成元素,以扩大来说,C、N是有效元素,C、N元素添加使得合金允许更高的铬含量。在马氏体铬不锈钢中,除铬外,C是另一个最重要的必备元素,事实上,马氏体铬不锈耐热钢是一类铁、铬、碳三元合金。当然,还有其他元素,利用这些元素,可根据Schaeffler图确定大致的组织。

马氏体不锈钢主要为铬含量在12--18-范围内的低碳或高碳钢。各国广泛应用的马氏体不锈钢钢种有如下3类:

1.低碳及中碳13-Cr钢

2.高碳的18-Cr钢

3.低碳含镍(约2-)的17-Cr钢

马氏体不锈钢具备高强度和耐蚀性,可以用来制造机器零件如蒸汽涡轮的叶片(1Cr13)、蒸汽装备的轴和拉杆(2Cr13),以及在腐蚀介质中工作的零件如活门、螺栓等(4Cr13)。碳含量较高的钢号(4Cr13、9Cr18)则适用于制造医疗器械、餐刀、测量用具、弹簧等。

铁素体不锈钢相似,在马氏体不锈钢中也可以加入其它合金元素来改进其他性能:1.加入0.07-S或Se改善切削加工性能,例如1Cr13S或4Cr13Se;2.加入约1-Mo及0.1- V,可以增加9Cr18钢的耐磨性及耐蚀性;3.加入约1Mo-1W-0.2V,可以提高1Cr13及2Cr13钢的热强性。

马氏体不锈钢与调制钢一样,可以使用淬火、回火及退火处理。其力学性质与调制钢也相似:当硬度升高时,抗拉强度及屈服强度升高,而伸长率、截面收缩率及冲击功则随着降低。

马氏体不锈钢的耐蚀性主要取决于铬含量,而钢中的碳由于与铬形成稳定的碳化铬,又间接的影响了钢的耐蚀性。因此在13-Cr钢中,碳含量越低,则耐蚀性越高。而在1Cr13、2Cr13、3Cr13及4Cr13四种钢中,其耐蚀性与强度的顺序恰好相反。

在加工产品的时候,为了提高马氏体不锈钢产品的强度和硬度,会增加碳含量,从而导致产品的塑性和耐蚀性下降。所以通常马氏体不锈钢加工出来的产品的耐蚀性较差。 [1]

马氏体不锈钢根据化学成分不同可分为马氏体铬钢和马氏体铬镍钢两类;根据组织和强化机理的不同则可分为马氏体和半奥氏体沉淀硬化不锈钢以及马氏体时效不锈钢等。

(1)马氏体铬钢。钢中除含铬外还含一定量的碳。含量决定钢的耐蚀性,碳含量越高则强度、硬度和耐磨性越高。此类钢的正常组织为马氏体,有的还含有少量的奥氏体、铁素体或珠光体。主要用于制造对强度、硬度要求高,而对耐腐蚀性能要求不太高的零件、部件以及工具、刀具等。典型钢号有2Crl3、4Crl3、9Crl8等。

(2)马氏体铬镍钢。包括马氏体沉淀硬化不锈钢、半奥氏体沉淀硬化不锈钢和马氏体时效不锈钢等,都是高强度或超高强度不锈钢。此类钢碳含量较低(低于0.10-),并含有镍,有些牌号还含有较高的钼、铜等元素,所以此种钢在具有高强度的同时,强度与韧性的配合以及耐蚀性、焊接性等均优于马氏体铬钢。Crl7Ni2是最常用的一种低镍马氏体不锈钢。马氏体沉淀硬化不锈钢通常还含有Al、Ti、Cu等元素,它是在马氏体基体上通过沉淀硬化作用析出Ni3A1、Ni3Ti等弥散强化相而进一步提高钢的强度,如Crl7Ni4Cu4等牌号;而半奥氏体(或称半马氏体)沉淀硬化不锈钢,由于淬火状态仍为奥氏体组织,所以淬火态仍可进行冷加工成型,然后通过中间处理、时效处理等工艺进行强化,这样就可以避免马氏体沉淀硬化不锈钢中的奥氏体淬火后直接转变为马氏体,导致随后加工成型困难的缺点。常用的钢种有0Crl7Ni7AI、0Crl5Ni7M02A1等。此类钢强度较高,一般达1200~1400MPa,常用于制作对耐蚀性能要求不太高但需要高强度的结构件,如飞机蒙皮等。

马氏体时效不锈钢,是在超低碳马氏体时效钢的基础上加入高于10-的铬制成的,既保有马氏体时效钢的良好综合性能,又提高了耐蚀性。此类钢碳含量低于0.03-,铬含量为10-~15-,镍含量为6-~1 1-(或钴含量为10-~20-),并加入Mo、Ti、Cu等强化元素。 [2]

不锈钢的型号,按成分可分为Cr系(400系列)、Cr-Ni系(300系列)、Cr-Mn-Ni(200系列)及析出硬化系(600系列)。

200 系列铬-镍-锰 奥氏体不锈钢(能否用于食品存在争议)

300 系列铬-镍 奥氏体不锈钢

型号301延展性好,用于成型产品。也可通过机械加工使其迅速硬化。焊接性好。抗磨性和疲劳强度优于304不锈钢。

型号302耐腐蚀性同304,由于含碳相对要高因而强度更好。

型号303通过添加少量的硫、磷使其较304更易切削加工。

型号304通用型号;即18/8不锈钢。GB牌号为0Cr18Ni9。

型号309较之304有更好的耐温性。

型号316继304之後,第二个得到最广泛应用的钢种,主要用于食品工业和外科手术器材,添加钼元素使其获得一种抗腐蚀的特殊结构。由于较之304其具有更好的抗氯化物腐蚀能力因而也作“船用钢”来使用。SS316则通常用于核燃料回收装置。18/10级不锈钢通常也符合这个应用级别。[1]

型号321除了因为添加了钛元素降低了材料焊缝锈蚀的风险之外其他性能类似304。

400 系列铁素体和马氏体不锈钢

型号408耐热性好,弱抗腐蚀性,11-的Cr,8-的Ni。

型号410马氏体(高强度铬钢),耐磨性好,抗腐蚀性较差。

型号416添加了硫改善了材料的加工性能。

型号420“刃具级”马氏体钢,类似布氏高铬钢这种最早的不锈钢。也用于外科手术刀具,可以做的非常光亮。

型号430铁素体不锈钢,装饰用,例如用于汽车饰品。良好的成型性,但耐温性和抗腐蚀性要差。

型号440高强度刃具钢,含碳稍高,经过适当的热处理後可以获得较高屈服强度,硬度可以达到58HRC,属于最硬的不锈钢之列。最常见的应用例子就是“剃须刀片”。常用型号有三种:440A、440B、440C,另外还有440F(易加工型)。

500 系列耐热铬合金钢。

600 系列马氏体沉淀硬化不锈钢。

型号630最常用的沉淀硬化不锈钢型号,通常也叫17-4;17-Cr,4-Ni。

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