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不锈钢热处理的15种方法|初学者指南

创作时间:

作者:

@小白创作中心

不锈钢热处理的15种方法|初学者指南

引用

来源

https://www.tuofa-cncmachining.com/zh-CN/tuofa-blog/15-methods-for-stainless-steel-heat-treatment-beginners-guide.html

不锈钢热处理是材料科学与工程领域的重要工艺，通过控制加热和冷却过程来改变材料的微观结构，从而获得所需的机械性能。本文将详细介绍15种主要的不锈钢热处理方法，包括退火、淬火、回火等，探讨它们在不同不锈钢牌号中的应用及其对材料性能的影响。

图 1：不锈钢

下表可让您了解适用于不同等级不锈钢的方法：

表1：常见不锈钢牌号及其热处理方法的比较

热处理方法	不锈钢440c级	不锈钢416级	不锈钢420级	不锈钢410级	不锈钢304级	不锈钢等级 17-4ph
退火	✔️	✔️	✔️	✔️	✔️	❌
淬火	✔️	✔️	✔️	✔️	❌	✔️
回火	✔️	✔️	✔️	✔️	✔️	✔️
正火	❌	❌	✔️	❌	❌	❌
老化	❌	❌	❌	❌	✔️	❌
舒缓压力	❌	❌	❌	✔️	❌	❌
表面硬化	❌	✔️	❌	✔️	❌	❌
固溶处理	❌	❌	❌	❌	✔️	❌
沉淀硬化	❌	❌	❌	❌	❌	✔️
渗碳	❌	❌	✔️	❌	❌	❌
渗氮	❌	❌	❌	❌	✔️	❌
碳氮共渗	❌	❌	❌	❌	❌	❌
低温处理	❌	❌	❌	❌	❌	❌
感应淬火	❌	❌	❌	❌	❌	❌
热化学处理	❌	❌	❌	❌	❌	❌

退火

一种不锈钢热处理工艺，其中将样品加热至特定温度并以非常受控的方式冷却。在这种处理中，缓慢冷却主要在炉内进行。结果，获得了满足应用所需性能的细化晶粒结构。以 440c 不锈钢为例，其退火温度范围为 800-900℃。该系列经过精心挑选，以获得最佳性能。此过程有助于消除内应力、提高延展性并软化钢材。除此之外，还实现了强度和延展性的平衡和均匀结合，使这种钢更适合各种应用。精密退火在不锈钢改性以满足制造和工业要求方面发挥着至关重要的作用。

淬火

涉及不锈钢突然或快速冷却的过程，特别是为了增加材料的硬度。冷却后，获得马氏体结构，即在光学显微镜下观察时为针状结构。淬火介质通常为油或水，淬火后得到的试样硬而脆。对于 17-4ph 不锈钢，该过程首先将材料加热到 980°C 左右，然后快速冷却。冷却速率经过仔细校准，通常涉及油或水，这会引起快速转变，从而增强硬度和晶体结构。这确保了马氏体的形成，赋予不锈钢所需的强度和硬度。

回火

此过程在试样淬火后进行，以降低试样的脆性。此步骤涉及在特定温度下重新加热不锈钢，然后进行受控冷却。其背后的主要议程是保持样品的硬度并降低脆性。该工艺对于 416 不锈钢牌号至关重要，可确保硬度和韧性之间的平衡。淬火样品通常在 550°C 至 600°C 之间重新加热，以保持硬度，同时降低脆性。超过此范围可能会损害样品硬度。在最需要强度和韧性的应用中，该步骤（即回火）起着重要作用。

要进一步详细说明，请访问以下链接：
回火详细说明

正火

一种热处理工艺，其中将不锈钢加热到高于其临界范围的温度，然后将试样带到炉外进行空气冷却，这与退火的情况不同。退火和正火的均热时间相同。唯一的区别在于冷却速率，这会改变这两个过程中的微观结构。在这种情况下获得粗晶粒结构。例如，为了优化 420 不锈钢的结构，将材料加热到 870°C 至 900°C，然后进行受控空气冷却，从而增强机械性能和可加工性。

老化

时效是沉淀硬化的另一个名称，涉及在较低温度下长时间加热不锈钢。该过程导致钢内形成细颗粒，从而提高硬度和强度。这是热处理 304 不锈钢时的关键步骤，有助于增强机械性能。下表显示了不同不锈钢牌号的时效温度范围：

表 2：不锈钢牌号及其时效温度范围：

不锈钢等级	老化温度（℃)
304	480-620%
316	480-620%
410	595-675%
416	595-675%
420	595-675%
17-4 号	480-620%
440c	480-620%

舒缓压力

该工艺用于最大限度地减少残余应力，而不会显着改变其材料性能。要焊接或机加工的部件首先经过此过程以获得最佳结果。其次，消除应力后的热处理工艺提高了尺寸稳定性并最大限度地减少变形。 410 不锈钢在承受通常为 600°C 至 700°C 的温度时，随后进行的受控冷却过程可减少先前制造过程中积累的残余应力，而不会显着改变材料性能。偏离这些精确条件可能会导致压力缓解不足。

表面硬化

许多工业应用都涉及称为外壳的抗硬件表面以及柔软而坚韧的核心。有许多方法或工艺可以导致任何金属的表面硬化，但表面硬化的主要方法如下：

渗碳
氮化
碳氮共渗或氰化
感应淬火
火焰硬化

前三种方法涉及化学成分的变化，而后两种方法不需要化学成分的变化；相反，它们是浅层硬化方法。

此链接将提供每种类型的表面强化的简要说明：
表面强化说明

固溶处理

固溶处理是一种对样品进行热处理的过程，其目的是在不锈钢中形成均匀的微观结构。该工艺消除了微观结构的不一致性，同时提高了整体性能。此工艺通常适用于 304 等奥氏体不锈钢。

将材料加热至 1010°C 至 1120°C 之间的温度可确保微观结构的均匀化并消除不一致性。然后钢被快速冷却，应该记住的一件事是，偏离这些精确的条件可能会导致机械性能发生变化。固溶处理对于需要强度和可靠性的应用至关重要。

沉淀硬化

沉淀硬化是另一种热处理方法，通过材料内细颗粒的沉淀来提高不锈钢的强度。该方法适用于需要控制沉淀以确保优异机械性能的 17-4ph 不锈钢。为此，材料在 480°C 至 620°C 的温度下进行老化。因此，有利于钢内细颗粒的形成，从而提高强度。这些温度条件占主导地位，因为它们决定了降水的速率和程度。偏离温度会损害合金的性能，尤其是机械性能。

渗碳

这是最古老也是最便宜的表面硬化方法之一。大多数情况下，将 0.20% 或更低的碳置于含有大量 (CO) 一氧化碳的大气中。渗碳温度通常为1700°F。在此温度下发生以下反应：

Fe + 2CO → Fe (c) + CO2

其中 Fe(c) 是奥氏体区溶解的碳。在 1700°F 时可以溶解的最大 C% 显示在碳化铁图上的 ACM 线上。因此，形成了高碳含量的直接表面层，即约1.2%。由于核心的碳含量较低，因此试图达到平衡的碳原子将开始向内扩散。

渗氮

在氨气环境中的硬化过程。该工艺的有效性与氮和某些合金元素之间的反应在钢中形成氮化物有关。虽然所有的钢都可以在合适的温度和特定的气氛下形成氮化铁，但是对于包含主要氮化物形成物即铝、铬等的钢发现更好的结果。氮应该处于初生或原子形式，因为分子氮不会反应。

碳氮共渗

一种表面硬化工艺，其中将钢在含有氮和碳成分的气体气氛中加热，使其同时被吸收。该工艺被认为是干氰化、气体氰化等。一般采用富集气体、载气和氨的混合物作为碳氮共渗气氛。氮气、一氧化碳和氢气的混合物用作载气，在气体渗碳中在发生器（吸热）中产生。

图2：碳氮共渗的时间温度曲线

感应淬火

这是涉及钢材浅层硬化的另一种方法。在这种类型的表面硬化中，金属零件先进行感应加热，然后进行淬火。因此，为了增加零件的硬度和脆性，淬火金属会发生马氏体转变。在不影响属性的情况下，此方法用于选择性地硬化零件或组件的区域。

图 3：感应淬火工艺。

下表显示了先进热处理方法比较的影响：

表3：先进热处理方法的比较

热处理方式	描述	应用程序
低压渗碳	在低压下，将碳加入到钢中以增强硬度。	齿轮、轴承
固溶处理	均匀化不锈钢微观结构以改善性能。	奥氏体不锈钢，如 304。
沉淀硬化	钢内形成细小颗粒以增加强度。	高强度应用，尤其是航空航天部件。
低温处理	不锈钢被冷却到非常低的温度，以提高耐磨性和尺寸稳定性。	航空航天和高性能应用。
感应淬火	局部区域在淬火前快速加热，以获得更好的表面硬度。	汽车零部件，如齿轮和轴。
热化学处理	化学物质在高温下扩散到表面，以增强耐磨性和耐腐蚀性。	承受恶劣和侵蚀性环境的组件。

以下是用于热处理目的的炉子：

炉型	最高温度	加热速率	冷却速度
电阻炉	1200℃，	10°C /分钟	5°C /分钟
感应炉	1500℃，	请按需咨询	请按需咨询
真空炉	2000℃，	20°C /分钟	10°C /分钟
退火炉	600℃，	5°C /分钟	2°C /分钟
钢化炉	800℃，	15°C /分钟	8°C /分钟
连续带式炉	1000℃，	请按需咨询	请按需咨询

相变和微观结构分析

热处理直接影响不锈钢的相变，对其显微组织产生很大影响。奥氏体到马氏体的转变、晶粒长大以及马氏体或奥氏体的发展在决定材料的最终性能方面起着至关重要的作用。微观结构分析对于评估热处理工艺的有效性、确保热处理的实现、检查晶体排列至关重要。

下表说明了碳和氮含量对不锈钢性能的影响：

表 5：碳和氮含量对不锈钢性能的影响

不锈钢等级	碳含量(%)	氮含量(%)	对性能的影响
440c	高	低	硬度和耐磨性较好，但耐腐蚀性下降。
416	中等	低	增强的机械加工性以及耐腐蚀性。
420	中等偏上	低	提高硬度和耐磨性。
410	中等偏上	低	硬度和耐腐蚀性的平衡组合。
304	低	中等	卓越的耐腐蚀性和成型性。
17-4 号	低	中等	高强度、耐腐蚀性和沉淀硬化。

以下链接进一步说明了不锈钢的碳和氮含量：

结语

热处理工艺影响材料的机械和冶金性能。本文讨论的方法清晰概述了根据特定应用定制不锈钢的方法。每种方法在提高硬度、强度和耐腐蚀性方面都发挥着独特的作用。了解这些方法为使用不锈钢奠定了坚实的基础。无论您是参与制造、研究，还是只是对不锈钢背后的科学感到好奇，本文都将成为有关不锈钢热处理艺术和科学的宝贵资源。