不锈钢的热处理特点及工艺制度

不锈钢从20世纪初发明至今不足百年的时间，但其发展和应用的势头却异常迅猛。 特别是从20世纪60年代末以来，全世界不锈钢的产量基本保持年均 4％的增长率，不锈钢的应用范围逐步扩大到了国民经济的各个领域。不锈钢之所以能得到如此迅猛的发 展，一个重要的因素是其具有耐蚀、耐热性。不锈钢热处理工艺的优劣对不锈钢的耐蚀、 耐热性有很大影响，而且对不锈钢的加工性能起着决定性的作用。因此，不锈钢的热处 理工艺在不锈钢的生产过程中一直处于十分重要的地位。

1. 不锈钢热处理的特点

不锈钢的热处理是为了改变其物理性能、力学性能、残余应力及恢复由于预先加工和加热受到严重影响的抗腐蚀能力，以便得到不锈钢的最佳使用性能或者使不锈钢能够 进行进一步的冷、热加工。所谓的热处理就是针对不同组织、不同类型的不锈钢进行相 应的退火、淬火与回火、正火等处理。
不锈钢是一种特殊的钢种，钢中的镍、铬含量很高，由于镍、铬等合金化元素的存 在，其热处理具有普通钢热处理所不具备的特点：
加热温度较高，加热时间也相对较长。
不锈钢的导热率低，在低温时温度均匀性差。
奥氏体型不锈钢高温膨胀较严重。
炉内气氛控制很重要，要防止出现渗碳、渗氮及脱碳和过氧化现象。
不锈钢的表面光泽对产品的使用及价格有决定性的影响，热处理时产生的氧化 铁皮，将严重影响表面光泽。
要确保避免不锈钢表面的划伤及防 II：热处理时产生变形。不锈钢按其组织可 以分为奥氏体、马氏体和铁素体三类（此外还有沉淀硬化型、铁素体奥氏体型 等），这三类不锈钢的热处理无论是处理方法还是目的都不尽相同。
① 奥氏体型不锈钢
这类不锈钢应用最广泛，使用量也最大。其特点是在常温下为奥氏体组织，不发生相变，不能通过热处理使其硬化，但可以用冷加工进行硬化。常用热处理方法是固溶处理。
② 铁素体型不锈钢
这类不锈钢一般没有 ν-α 转变，在高温和常温下都是铁素体组织，没有相变。但是当钢中含有一定量的碳、氮等奥氏体形成元素时，在高温下也能形成奥氏体组织，此类钢不能通过热处理使之强化，只能进行退火处理，消除内应力，便于进一步加工。
③ 马氏体型不锈钢
这类不锈钢有明显的相变点，在高温下为奥氏体组织，冷却时可以发生马氏体相变，转变为马氏体组织而硬化。因为其含铬高，淬透性好，可以采用淬火、回火等多种热处 理方法。
本文就应用较为广泛的三类不锈钢分别论述其热处理方法及特点。

2. 奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢的代表钢种是 18-8 钢（304），因为是奥氏体组织，所以具有无磁性 且没有淬硬性等特点。由于该钢种不发生相变，其热处理就是加热到高温（一般在1000℃以上），奥氏体再结晶的同时，使在加工中产生的碳化物和。相分解物固溶到奥 氏体中，然后快速冷却，使碳呈固溶状态的奥氏体保持到常温，这―处理过程即为固溶 处理。表 1 为奥氏体不锈钢的参考退火温度。

表 1：奥氏体不锈钢参考退火温度 

奥氏体不锈钢加热温度主要是依据碳化物的固熔速度而确定的，有资料指出像 304钢的碳化物在 1065℃时固溶需要 3 分钟，在 1176℃需要 1．5 分钟，在 1000℃则需要 长达 10 分钟。从这个角度而言，加热温度越高越好，但加热温度偏高同时又可能引起 晶粒过分长大、氧化铁皮增厚等缺陷。因为奥氏体型不锈钢无法通过相变来细化晶粒， 如果晶粒过大，会使材料的抗拉强度明显下降。
就加热时间而言，不锈钢的导热率低（特别是在低温时），升到高温后（700―800℃） 导热率才有提高。所以，对于断面大的奥氏体不锈钢都需要预热到 700～800℃，然后 再快速升温，对于断面小的奥氏体不锈钢（如带钢）如果升温速度过慢，碳化物会充分析出，就会导致固溶时间过长，美国阿姆科公司曾制定过一个经典的加热时间表（见表2、表 3）。 由于不锈钢中的铬形成的铬基氧化物在酸洗中较难去除，因此在热处理时要控制铬基氧化物的形成，对于有特殊要求的不锈钢，可采用光亮退火形式进行热处理。
表 2：奥氏体不锈钢固溶处理保温时间

表 3：奥氏体不锈钢固溶处理加热时间

为防止已固溶的碳化物析出，冷却速度也很重要，特别是在 600～700℃时，碳化物析出较多而发生敏化，所以必须进行快速冷却。由于奥氏体不锈钢导热率低，对于断 面较大的材料，无论怎样快冷，中心部位的冷却程度仍然很慢，往往因碳化物析出较多 而发生敏化。所以在实际生产中，断面较大的材料一般考虑采用加入 Ti、Nb 等元素的 稳定化奥氏体不锈钢，因为 Ti、Nb 等元素对碳亲和力较大，这类稳定化奥氏体不锈钢（如 321、347 等）可以不需要水淬或其它快速冷却措施进行快冷。

3. 铁素体不锈钢

铁素体不锈钢是以铬为主要合金元素，其含量为 12％～30％Cr。此类钢为单相组 织，没有相变，具有强磁性。其典型的代表钢种是 430。美国在 6 0 年代以降低不锈钢 成本为目标开发的廉价不锈钢种 409，广泛地应用于汽车、摩托车的消音器和下水管道 等，也是属于铁素体刁；锈钢这一类。
该钢种无淬透性，同奥氏体钢一样不能通过热处理使其硬化，而且由于加热引起的 晶粒长大比奥氏体钢既快且晶粒度又大。因此在热处理时为避免晶粒长大以及发生奥氏体相变，加热温度不宜过高，―般退火最高加热温度不超过 850℃。表 4 为铁素体不锈钢的参考退火温度。
表 4：铁素铁不锈钢的参考退火温度

铁素体不锈钢在退火处理时，一定要缩短在 370～550℃温度范围内的停留时间，特别是对于高铬的铁素体不锈钢。材料如果在此温度范围内停留时间过长，很容易发生475℃脆性现象，即硬度增高，延伸率大幅下降，甚至为零，同时材料的耐蚀性也降低。 有实验表明：27Cr 钢在 475℃加热 100 小时后，材料在常温时的抗拉强度增加 50％， 屈服强度增加 l50％，而延伸率为零。此外该钢种的焊接性能差（焊缝热影响区晶粒粗 大且脆）。

4. 马氏体不锈钢

马氏体不锈钢同前两种不锈钢的特性明显不同，顾名思义，就是从高温奥氏体状态快冷（淬火）转变成马氏体组织而成的。这类不锈钢有明显的相变点，可以通过淬火而 硬化。而且因其含铬高，淬透性好，回火时可以在较大范围内调整其强度和韧性，因此， 马氏体不锈钢既可以作结构钢用，也可以作工具钢用。
马氏体不锈钢作为工具钢用时，处于淬火状态。为进行淬火，必须加热升温到临界 点以上，以便碳化物固溶到奥氏体中。在升温使碳化物固溶时，因碳扩散速度较慢，为 得到均匀的奥氏体组织，力口热温度一般要比临界点温度高 50℃以上，而且还必须有 一定的保温时间，以便使碳化物充分、均匀溶解。当然，加热时间过长、加热温度过高 会造成马氏体组织不均匀，残余奥氏体组织增多，从而使材料内部因膨胀差而产生内应力。
马氏体钢是热裂纹敏感性钢种，该钢种在低温时导热率低，快速加热时极易产生裂 纹，因此在处理大断面材料时，应该先预热，然后再快速升温。表 5 为马氏体不锈钢的 参考退火温度。

表 5：马氏体不锈钢的参考退火温度

在作结构钢用时，应在淬火的基础上进行回火（调质状态）。马氏体不锈钢有回火脆性，回火温度一般不应低于 580℃。从回火温度冷却时，为避免回火脆性一般采用油 冷；有时为了得到较高的屈服极限，也可以采用空冷，但这时结构钢的一个重要力学指 标冲击值会下降。需注意的是马氏体不锈钢在淬火后，应尽快回火，如不能尽快回火， 材料易产生裂纹。

5. 沉淀硬化型不锈钢

奥氏体、铁素体、马氏体三类不锈钢虽然应用面较广，但作为结构钢使用，还存在着一些难以克服的缺陷。奥氏体型不锈钢屈服强度较低，只有 200N/mm2 左右，不宜作 为结构钢使用；而马氏体不锈钢虽然可以通过淬火、回火等热处理形式获得较高的屈服 强度，但其耐蚀性较差。对于那些要求最佳抗蚀性能与最大强度的用途，开发出了新型 的 Cr－Ni 不锈钢——沉淀硬化型不锈钢（也称 PH 不锈钢）。
这种新型不锈钢的热处理包括均匀化、完全退火、固溶热处理、时效处理和转变冷 却。其特点是：
完全退火状态较软，易于再加工。
通过适当的时效处理可获得要求的力学性能。
具有与同类不锈钢一样的耐蚀性，提高了抗应力腐蚀断裂的性能。
转变冷却适用于低于某温度的冷却。常用的沉淀硬化型不锈钢是马氏体型，其 代表钢种是 631（0Crl7Ni7A1）。该钢种的热处理是先进行固溶处理，在材料 加热到 1000～1100℃后快冷，然后根据不同的力学性能要求，在不同温度下 进行时效处理，如 621℃、565℃、510℃时效。

结束语

从以上分析可以看出，不锈钢的热处理是比较复杂的，要根据不同钢种的特点，采取不同的热处理方式，才能够满足用户不同的要求。窗固通常用不锈钢410+热处理做自攻钉和自攻自钻钉，以解决门窗幕墙行业对螺钉的硬度要求。