沉淀硬化奧氏體耐熱鋼

這類鋼的代表性的中國牌號(hào)為Fe-15Cr-25Ni型，其強(qiáng)化元素為1.25%Mo、2%Ti、<0.4?、0.001%～0.01%B。鈦含量必須超過1.4%才能產(chǎn)生了γ'相的沉淀，但鈦量較高而鋁量極低的鋼析出的γ'相不穩(wěn)定，會(huì)逐步轉(zhuǎn)變成η-Ni3Ti，故少量的鋁起穩(wěn)定γ’-Ni3(Ti，A1)相的作用，以保持沉淀強(qiáng)化效應(yīng)。在GHl32鋼中最適宜的鈦含量為2.15%，即使鈦在1.75%～2.35%范圍內(nèi)變化，鋼的高溫強(qiáng)度也有較大波動(dòng)，要控制能形成γ'-Ni3(Ti，A1)相的有效鈦含量極為重要，防止與氮、氧生成TiN和TiO而使有效鈦丟失。

沉淀硬化奧氏體耐熱鋼GH132鋼的持久強(qiáng)度

固溶處理是使γ'相重新溶解，為時(shí)效作準(zhǔn)備，消除鍛軋的加工組織，使奧氏體成分均勻化。固溶溫度從980℃升高，奧氏體晶粒長大，析出相溶解更充分，奧氏體成分更均勻，在時(shí)效時(shí)有更好的沉淀強(qiáng)化效果。固溶處理一般采用980～1000℃，保溫2h后油冷。固溶處理溫度過高將引起奧氏體晶粒粗大，塑性降低，缺口敏感性增大。固溶處理后在704～760℃溫度范圍時(shí)效處理可達(dá)到沉淀強(qiáng)化最大效果。時(shí)效析出相γ'-Ni3(Ti，A1)呈球狀，與奧氏體形成共格。這是一種富鈦貧鋁的γ'相，鈦主要是形成第二相的強(qiáng)化元素，而鋁只起穩(wěn)定γ'-Ni3(Ti，A1)的作用，使鋼的高溫強(qiáng)度能保持較長時(shí)間而不致軟化。時(shí)效的熱處理制度為700～720℃時(shí)效16h后空冷。

沉淀硬化奧氏體耐熱鋼GHl32鋼的缺口敏感性

GH132鋼是在奧氏體晶界析出的胞狀沉淀所造成的。胞狀沉淀相一種是M23C6，另一種是η-Ni3Ti。為防止在晶界產(chǎn)生胞狀沉淀，一方面要降低鋼中的硅，同時(shí)加入釩和硼。

15/35型鉻鎳奧氏體耐熱鋼比15/25型鋼有更高的高溫強(qiáng)度。由于含35%鎳，可溶解更多的鎢、鉬、鈦、鈮等強(qiáng)化元素，并使奧氏體基體穩(wěn)定，不產(chǎn)生致脆的金屬間化合物σ相和x相等。這種耐熱鋼經(jīng)過固溶和時(shí)效處理后，強(qiáng)化相γ'-Ni3(Ti，A1)隨鋼中鈦、鋁含量增高而增加，鋼的高溫強(qiáng)度也增加，其強(qiáng)化效果與γ'相的數(shù)量呈正比。

是一種Fe-15Cr-35Ni型奧氏體耐熱鋼，含第二相強(qiáng)化元素2.3%鈦、2.4%鋁，含固溶強(qiáng)化元素2%鎢、2%鉬，晶界強(qiáng)化元素<0.015%硼、<0.03%鈰，Ti Al=4.7%，Al/Ti約為1，可用于700～750℃燃?xì)鉁u輪部件。

復(fù)雜合金化的耐熱鋼用鎢、鉬和鉻綜合強(qiáng)化，促使在高溫下鋼中形成σ相、Laves相和μ相，因而使鋼的組織不穩(wěn)定，甚至產(chǎn)生脆化傾向，這是由于細(xì)小的σ相和μ相在晶界析出所造成。因此，通過鋼基體的電子空位數(shù)的控制來調(diào)整鋼的成分或細(xì)化晶粒，以減少脆化相的析出數(shù)量和晶界密集程度。

沉淀硬化奧氏體耐熱鋼與鎳基高溫合金相比，由于有較差的組織穩(wěn)定性，不可能使強(qiáng)化相γ’相的數(shù)量超過20%，且γ’相穩(wěn)定的最高溫度的限制，以及析出微量脆性相的傾向，因而限制了它的高溫強(qiáng)化效果和進(jìn)一步提高使用溫度。只能在750℃和750℃以下作為高強(qiáng)度耐熱鋼使用。 2100433B

沉淀硬化奧氏體耐熱鋼碳化物沉淀硬化奧氏體耐熱鋼

以碳化物形成元素釩、鈮和鉬形成的MC和M23C6型碳化物作為強(qiáng)化相，使用溫度650℃。為保證足夠高的高溫強(qiáng)度，必須有足夠高的碳化物體積分?jǐn)?shù)，故這類鋼的碳含量應(yīng)保持在0.4%左右。代表性的中國牌號(hào)為GH36，它是一種節(jié)鎳型的Fe-13Cr-8Ni-8Mn鋼，并含有強(qiáng)化元素鉬、釩和鈮。其中鉬主要是起固溶強(qiáng)化作用，鉬含量約為1.4%。釩和鈮含量分別約為1.4%和0.4%，王要起沉淀強(qiáng)化作用。GH36鋼中最主要的碳化物是Vc，其中溶有部分鈮和鉬，隨鋼中釩含量增加，鋼的高溫強(qiáng)度增加，VC析出量最多時(shí)(670~750℃)與最大硬度相符，其顆粒從幾個(gè)nm到20nm。第二種碳化物是M23C6，其成分為(Cr，F(xiàn)e，V，Mo)23C6復(fù)合碳化物，最高形成溫度為900℃。鉬的溶入促進(jìn)了M23C6的強(qiáng)化效應(yīng)。第三種碳化物為NbC溶有部分釩和鉬，鈮雖有固溶強(qiáng)化作用，但過量易生成一次粗大的NbC或Nb(C，N)夾雜物，不利于鋼的強(qiáng)化。VC和M23C6只有在相當(dāng)高溫度下才能溶解，所以固溶溫度在1120～1140℃保溫80min。時(shí)效處理采用二次時(shí)效熱處理制度，即650~670℃時(shí)效14～16h后升溫到770～800℃時(shí)效14~20h，然后空冷。此時(shí)鋼中主要強(qiáng)化相為1%左右的彌散分布的VC和3%左右顆粒稍大的M23C6以及0.3%左右的難溶解的NbC或Nb(C，N)。為限制NbC或Nb(C，N)出現(xiàn)，應(yīng)控制低的氮含量和N3gN的碳含量和不太高的氮含量，氮含量增加不僅使鋼的強(qiáng)度低，而且持久塑性也顯著下降。為改善鋼的性能，加入少量鋁(約0.3%)以固定氮，減少Nb(C，N)夾雜物，可以更好發(fā)揮釩和鈮的強(qiáng)化作用。同時(shí)加入微量鎂(0.003%～0.005%)可強(qiáng)化晶界，提高鋼的持久塑性。

此外，還有鐵一鉻一鎳一鈷基的碳化物沉淀硬化型耐熱鋼如美國的S-590(含有0.4%碳、21%鉻、20%鎳、20%鈷、4%鎢、4%鉬、4%鈮)，其沉淀強(qiáng)化相為NbC。另一類型是借溫加工來促進(jìn)碳化物沉淀強(qiáng)化的中國耐熱鋼G18B(含有0．4%碳、13%鉻、13%鎳、10%鈷、2.5%鎢、2%鉬、3%鈮)，其沉淀強(qiáng)化相亦為NbC。

沉淀硬化奧氏體耐熱鋼金屬間化合物沉淀硬化奧氏體耐熱鋼

以金屬間化合物γ’-Ni3(Ti，A1)作為主要沉淀強(qiáng)化相，用于溫度在650～750℃甚至更高的溫度運(yùn)轉(zhuǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)部件。由于加入大量鐵素體型強(qiáng)化元素如鎢、鉬、鈦、鋁和鈮等，為保證基體奧氏體組織的穩(wěn)定性，加入了大量的鎳，其基體根據(jù)鎳含量不同可分為Fe-15Cr-25Ni、Fe-15Cr-35Ni等，加入鈦和鋁主要是為形成γ’-Ni3(Ti，A1)金屬間化合物，以便經(jīng)過時(shí)效處理產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化。圖為cr15Ni25鋼加入鈦和鋁所形成的各種金屬間化合物。其中能作為沉淀強(qiáng)化相的是溶有鈦和鋁的γ’-Ni3(Ti，A1)相，長時(shí)間后γ’-Ni3(Ti，A1)相會(huì)轉(zhuǎn)變成η-Ni3Ti相而出現(xiàn)胞狀沉淀組織，使沉淀強(qiáng)化效果消失。一般A1/Ti小于1，鋁有穩(wěn)定γ’-Ni3(Ti，A1)的作用。過量的鋁又會(huì)形成Ni2A1Ti和Ni(A1，Ti)相，易聚集長大，不能作為沉淀強(qiáng)化相。這類鋼中γ’相的體積分?jǐn)?shù)不超過20%，因而限制了進(jìn)一步提高鋼高溫強(qiáng)度。進(jìn)一步合金化還單獨(dú)或同時(shí)加入鎢和鉬以固溶強(qiáng)化來提高其高溫強(qiáng)度和使用溫度。鎢和鉬除有形成Laves相傾向外，還可能形成σ相和μ相，使鋼失去組織穩(wěn)定性，甚至造成脆化效應(yīng)。通過調(diào)整成分或細(xì)化晶粒減輕σ相在晶界密集程度，是保證鋼在高溫長期使用安全的重要措施。鉬能改善由鈦引起的低塑性和缺口敏感性。鋼中加入晶界強(qiáng)化元素硼、鋯、鈰、鎂等，其中硼含量不宜過高，否則在晶界易形成硼化物低熔點(diǎn)共晶而產(chǎn)生熱脆。這些微量元素可改善鋼的持久塑性和強(qiáng)度，消除缺口敏感性。硅作為殘留元素在鋼中存在，當(dāng)其含量在上限時(shí)易生成Ni14Ti9Si6的G相，消耗主要強(qiáng)化元素鈦及奧氏體形成元素鎳，且G相性脆，要嚴(yán)格控制其生成。由于這類鋼的組織穩(wěn)定性較差，γ’-Ni3(Ti，A1)易生成η-Ni3Ti的不利轉(zhuǎn)變和微量脆性相析出傾向，限制了鋼在較高溫度下的強(qiáng)化，只能在650～750℃的中溫范圍使用。

Crl5Ni25鋼加入鈦和鋁形成的各種金屬間化合物

沉淀硬化機(jī)理是因?yàn)榻饘俨牧现械诙嗔Ｗ訌倪^飽和固溶體里析出而引起應(yīng)變，從而引起金屬點(diǎn)陣的強(qiáng)化。造成最大強(qiáng)化是在形成可見的第二相粒子之前，這個(gè)階段稱為析出的孕育階段。在這個(gè)階段，要析出來形成第二相的原子，傾向于成群地堆積，它們與母相保持連續(xù)的共格聯(lián)系，就在這個(gè)時(shí)候發(fā)生了最大的應(yīng)變，從而產(chǎn)生了最大的強(qiáng)化。

沉淀硬化處理有兩個(gè)作用。①消除馬氏體的應(yīng)力，增加韌性、塑性和耐蝕性。②通過析出金屬間化合物而增加硬化效果。

不銹鋼的沉淀硬化是復(fù)雜的熱處理過程。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沉淀硬化處理加熱時(shí)，馬氏體中的鋁以Ni-Al金屬間化合物的形式析出，析出的數(shù)量取決于反應(yīng)的時(shí)間和溫度。但是當(dāng)析出群長到臨界尺寸時(shí)，在兩相之間形成了界面而與母相失去了共格關(guān)系，從而減弱了點(diǎn)陣的應(yīng)變，降低了強(qiáng)度，這種現(xiàn)象叫“過時(shí)效現(xiàn)象” 。

沉淀硬化不銹鋼是20世紀(jì)40年代由美國鋼鐵公司等相繼開發(fā)出的鋼種。其經(jīng)過沉淀硬化熱處理后強(qiáng)度高，塑性和耐蝕性優(yōu)于其他不銹鋼。

沉淀硬化不銹鋼根據(jù)其基體的金相組織可以分為馬氏體型、半奧氏體型和奧氏體型3類。

（1）馬氏體型

馬氏體型沉淀硬化不銹鋼通常是在馬氏體狀態(tài)下供應(yīng)，經(jīng)過簡單的時(shí)效處理進(jìn)行沉淀硬化。馬氏體沉淀硬化不銹鋼的性能可以通過馬氏體形成與沉淀硬化機(jī)理中的一種或兩種共同作用來獲得，它是沉淀硬化不銹鋼中應(yīng)用最廣泛的鋼種。

（2）半奧氏體型

半奧氏體型不銹鋼的基體是奧氏體且含5%～20%的δ鐵素體，硬化前通過特殊熱處理，使奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體然后進(jìn)行時(shí)效處理。半奧氏體不銹鋼可以加工成各種產(chǎn)品，但主要用于平軋薄板和帶材，此沉淀硬化不銹鋼在閥門產(chǎn)品中一般不采用。

（3）奧氏體型

奧氏體型不銹鋼是在奧氏體狀態(tài)下供應(yīng)，這類鋼極少采用 。

沉淀硬化（Precipitationhardening）（析出強(qiáng)化）是指金屬在過飽和固溶體中溶質(zhì)原子偏聚區(qū)和（或）由之脫溶出微粒彌散分布于基體中而導(dǎo)致硬化的一種熱處理工藝。如奧氏體沉淀不銹鋼在固溶處理后或經(jīng)冷加工后，在400～500℃或700～800℃進(jìn)行沉淀硬化處理，可獲得很高的強(qiáng)度。即某些合金的過飽和固溶體在室溫下放置或者將它加熱到一定溫度，溶質(zhì)原子會(huì)在固溶點(diǎn)陣的一定區(qū)域內(nèi)聚集或組成第二相，從而導(dǎo)致合金的硬度升高的現(xiàn)象。

沉淀硬化熱處理：沉淀硬化的熱處理工藝過程為固溶處理 時(shí)效處理；沉淀硬化機(jī)制為彌散強(qiáng)化。