鐵素體不銹鋼一般指含鉻量在11%～30%，晶體結(jié)構(gòu)為體心立方晶格的鐵基合金。有的除鉻元素外還添加其他形成和穩(wěn)定鐵素體組織的合金元素，如鉬、鋁、鈦等。鐵素體不銹鋼含碳量都比較低，小于或等于0.12%，但鑄造的鐵素體不銹鋼ZGCr28的含碳量較高，達0.50%～1.00%。
一、鐵素體不銹鋼常見類型
鐵素體不銹鋼按含鉻量的不同，習慣上分為三個類型。
1．低鉻鐵素體不銹鋼
含鉻量11%～14%的鋼稱低鉻鐵素體不銹鋼。其中有的加入鋁元素，常見牌號有00Cr12、0Cr13Al。目前，我國標準中的低鉻鐵素體不銹鋼品種較少，主要用于棒材和板材生產(chǎn)中。
2．中鉻鐵素體不銹鋼
含鉻量大于14%～19%的鋼稱中鉻鐵素體不銹鋼，有的還加入鉬元素。中鉻鐵素體不銹鋼品種、牌號比較多，用于棒材、鍛件、板材等的生產(chǎn)，也用于鑄件的生產(chǎn)。常見中鉻鐵素體不銹鋼牌號有1Cr17、Y1Cr17、1Cr17Mo、00Cr18Mo2、ZG1Cr17等。
3．高鉻鐵素體不銹鋼
含鉻量大于19%～30%的鋼稱高鉻鐵素體不銹鋼，有的還加入鉬、氮等合金元素，有些板材中還加入鈦、鈮等元素。高鉻鐵素體不銹鋼也廣泛用于棒材、鍛件、板材及鑄件的生產(chǎn)。常見的高鉻鐵素體不銹鋼牌號有00Cr27Mo、00Cr30Mo2、ZGCr28等。其中，00Cr27Mo、00Cr30Mo2因含碳量低于0.01%，所以要嚴格控制含氮量，而且硅、錳、硫、磷(P)等要低于中鉻、低鉻鐵素體不銹鋼，故又稱其為高純高鉻鐵素體不銹鋼。
二、鐵素體不銹鋼的特點及應用
鉻是鐵素體不銹鋼的主要元素，它決定了鋼的組織和特性，對鋼的力學性能和耐腐蝕性能產(chǎn)生較大影響。見圖2－1。
圖2－1 鉻對鐵素體不銹鋼性能的影響
鐵素體不銹鋼的組織是鐵素體，這就決定了其力學性能的特點是強度較低，有一定的塑性和韌性。鉻元素含量的多少主要對鋼的韌性產(chǎn)生的影響較大。鐵素體不銹鋼不能用熱處理方法調(diào)整力學性能，因此，在使用上受到一定的限制。
鉻含量的增加能提高鐵素體不銹鋼的耐腐蝕能力。鐵素體不銹鋼主要適用于氧化性介質(zhì)，在還原性介質(zhì)中耐腐蝕性差。其在含有氯化物介質(zhì)中的抗應力腐蝕開裂能力是突出特點之一，比鉻－鎳奧氏體不銹鋼還優(yōu)秀，但當出現(xiàn)點腐蝕和晶間腐蝕，則會引發(fā)應力腐蝕開裂。鐵素體不銹鋼對晶間腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕都很敏感，但在降低碳的含量，添加鉬元素后會得到改善。
鐵素體不銹鋼廣泛應用于硝酸、硝銨、維尼綸生產(chǎn)中的吸收塔、換熱器、貯罐以及閥門、泵等零件中。其強度不太高，韌性較差，應盡量不用于較高壓力的容器制造。
三、鐵素體不銹鋼熱處理的作用和目的
鐵素體不銹鋼一般情況下是穩(wěn)定的單相鐵素體組織，加熱和冷卻不發(fā)生相變，所以，鐵素體不銹鋼熱處理的目的不是改變組織，而是要消除或減弱在各生產(chǎn)工序中可能產(chǎn)生的第二相及其帶來的不利影響，這些影響大概可以包括以下幾個方面。
1．σ相脆性
鐵素體不銹鋼，特別是高鉻鐵素體不銹鋼是容易生成σ相的鋼種。σ相的形成與鋼的成分、組織、加熱溫度、預先冷加工等因素有關。含鉻量越高越易生成σ相，硅、鎳、錳、鉬促進σ相生成，碳、氮有抑制σ相生成的作用，通常在540～815℃加熱就會產(chǎn)生σ相，在700～800℃加熱，σ相生成速度最快。
σ相是富鉻的金屬間化合物，是一種硬而脆的相。所以，σ相的存在會使鋼變脆，其通常是在鐵素體晶界處析出，還會降低鋼的耐腐蝕性能。使用鐵素體不銹鋼時，應盡量減少σ相的存在。
σ相的生成是可逆的。把鋼加熱到高于σ相生成溫度范圍，σ相便會重新溶解到固溶體中，減少對鋼的危害。通常把鋼加熱到900℃以上即可消除σ相。
在有些特定的使用環(huán)境中，如用于靜載荷或摩擦條件下，可利用σ相對鋼起到的強化作用，提高使用效果。
2．475℃脆性
鐵素體不銹鋼在400～500℃長時間加熱后，會表現(xiàn)出強度升高、韌性大幅度下降的特征，因其在475℃左右表現(xiàn)最明顯，故常稱為475℃脆性。鐵素體不銹鋼的這種脆性傾向，隨鋼中含鉻量的提高而增大，產(chǎn)生脆性的溫度也隨含鉻量增高而移向較高的溫度。
研究表明，鐵素體不銹鋼在400～500℃這個溫度區(qū)間長時間加熱過程中，鐵素體內(nèi)的鉻原子將重新排列，形成許多富鉻的小區(qū)域，它們與母相共格，引起點陣畸變和內(nèi)應力，從而使鋼的強度升高，韌性降低，見圖2－2。
圖2－2 真空冶煉的25%鉻鋼經(jīng)圖示溫度加熱100h后機械性能變化
同時，晶體內(nèi)既然形成了富鉻區(qū)，也必然存在貧鉻區(qū)，又加之有內(nèi)應力存在，使鋼的耐腐蝕性也會降低。見圖2－3。
鐵素體不銹鋼高于700℃溫度加熱時，由于鉻原子重新排列引起的畸變和內(nèi)應力會消除，所以，其帶來的對鋼的不利影響也隨之消除。即475℃脆性在高于這個溫度進行加熱會被消除。
圖2－3 加熱溫度對高鉻鋼在沸騰的50%硝酸中耐腐蝕性的影響
3．高溫脆性
當鐵素體不銹鋼中含有一定量的碳、氮等間隙元素時，加熱到950℃以上再冷卻下來，可使鋼在室溫下的塑性和韌性降低，呈現(xiàn)出明顯的脆性，一般稱為鐵素體不銹鋼的高溫脆性。這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在鑄件、焊接件以及在950℃以上加熱的工件中。
鐵素體不銹鋼中高溫脆性產(chǎn)生的原因，認為是自高溫冷卻下來的過程中，鋼中的鉻與碳和氮形成化合物并在晶內(nèi)和晶界析出的結(jié)果。這種析出物的存在不僅降低鋼的韌性，也降低鋼的耐腐蝕性。這種不利影響不僅限制了鋼在高溫下的使用，也對焊接質(zhì)量產(chǎn)生有害的作用。
鐵素體不銹鋼的高溫脆性可以通過將鋼加熱到750～850℃，然后以較快速度冷卻來消除，使鋼的塑性得到恢復。
4．晶間腐蝕
鐵素體不銹鋼也會產(chǎn)生晶間腐蝕。研究和實踐證明，鐵素體不銹鋼加熱到925℃以上，就是以較快速度冷卻到室溫，也將處于引起晶間腐蝕的敏化狀態(tài)。這點與奧氏體不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕的條件是不同的。普通鐵素體不銹鋼焊接后，焊縫區(qū)，特別是緊鄰熔合線處即符合這種產(chǎn)生敏化的條件。
鐵素體不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕的原因，認為是鋼從較高溫度冷卻下來時，會有含鉻的碳化物和氮化物從晶間沉淀析出的結(jié)果。而在低于900℃溫度加熱冷卻后，晶間腐蝕傾向明顯減弱。這可從許多研究者的大量實驗結(jié)果得到證實，見表2－1。
表2－1 熱處理對于0.095碳－0.077氮－26鉻不銹鋼晶間腐蝕的影響
注:介質(zhì)是Fe2(SO4)3+ 50% H2?SO4。
通過研究還證明，對于已經(jīng)處于晶間腐蝕敏感狀態(tài)的鐵素體不銹鋼，一般經(jīng)過700～800℃短時間加熱處理，便可減少或消除晶間腐蝕傾向，這一點也可從表2－1的實驗數(shù)據(jù)中得到驗證。
對鐵素體不銹鋼進行熱處理的出發(fā)點，就是要消除或減少鋼中的σ相脆性、475℃脆性、高溫脆性和晶間腐蝕傾向存在而產(chǎn)生的不良效果，同時，盡量減少鑄造、焊接、冷加工等加工過程中產(chǎn)生的應力、應變。以保證鐵素體不銹鋼在使用中具有良好的韌性和耐腐蝕性能，使構(gòu)件組織、形狀和尺寸穩(wěn)定。
四、鐵素體不銹鋼熱處理工藝
鐵素體不銹鋼為改善塑性、韌性，保證耐腐蝕性能，消除應力，通常采用退火處理。在我國相關不銹鋼標準所列的鐵素體不銹鋼中，從化學成分控制上可有兩種情況，即一般鐵素體不銹鋼和高純鐵素體不銹鋼。后者比前者含碳量更低，嚴格控制氮含量，對硅、錳、磷、硫等雜質(zhì)元素的含量控制更嚴格。所以，在退火工藝上也略顯不同。
1．一般鐵素體不銹鋼的熱處理
如前所述，鐵素體不銹鋼在應用中應避免σ相脆性、475℃脆性、高溫脆性及晶間腐蝕敏感傾向的存在，以保證有較好的塑性、韌性、耐腐蝕性和較小的應力。所以，熱處理工藝的選擇應以此為目標。
(1)退火。
一般鐵素體不銹鋼的退火溫度在700～800℃，以0Cr13Al為例。該鋼是在含鉻13%左右的基礎上加入0.10%～0.30%鋁。鋁是很強的α相生成元素，鋼中加入這個含量的鋁使鐵素體組織更穩(wěn)定。按標準規(guī)定，0Cr13Al退火溫度為780～830℃，保溫后空冷或緩冷。這個溫度加熱可較充分地消除應力，使鋼得到軟化，改善塑性和韌性，還保證晶粒不被粗化，同時，鉻的碳化物、氮化物不會析出，因而提高了鋼的耐腐蝕性。
其他牌號的一般鐵素體不銹鋼的退火加熱溫度基本上也在這個溫度范圍，但有的為控制晶粒長大傾向，溫度可略低些。含有硒、硫的易切削鐵素體不銹鋼，為提高切削性能，從機械加工方面考慮，控制鋼不被過度軟化，其退火溫度也要偏低一些。有的為保證合金元素充分固溶，使鋼的組織更加均勻，可適當提高一些加熱溫度，鑄造鐵素體不銹鋼的退火加熱溫度也應偏高一些。
按照我國的相關標準，常見牌號的鐵素體不銹鋼的化學成分見表2－2，熱處理工藝制度和可達到的性能標準見表2－3。
表2－2 常見鐵素體不銹鋼的化學成分
注:(1)允許含有不大于0.60% Ni;
(2)可加入不大于0. 60%Mo;
(3)允許含有不大于0. 5 0%Ni;不大于0. 2 0%Cu，而Ni+Cu不大于0. 50%。
表2－3 常見鐵素體不銹鋼的熱處理制度及力學性能
注:棒材力學性能只適用于不大于75mm尺寸。
鐵素體不銹鋼的退火加熱保溫時間一般按30min+δ×1min/ mm計算，δ為有效厚度，mm。
(2)去應力退火。
鐵素體不銹鋼在焊接和冷加工后，應進行消除應力處理，以消除應力和改善塑性。依據(jù)具體情況，可采用較低溫度(230～370℃)，也可以采用較高溫度，在700～760℃保溫后，以不大于50℃/h速度緩冷至600℃后空氣冷卻，這時，消除應力會更徹底一些，但要有σ相少量析出的危險。消除應力處理的保溫時間可為1.5～2h或更多。
2．高純鐵素體不銹鋼的熱處理
高純鐵素體不銹鋼指含碳量通常不大于0.01%，特殊要求控制氮含量不大于0.015%，而且硅、錳、磷、硫等雜質(zhì)元素控制含量也低于一般鐵素體不銹鋼，見表2－2中00Cr30Mo2和00Cr27Mo。高純鐵素體不銹鋼的成分特點使碳、氮及雜質(zhì)元素給鋼帶來的不利作用得到改善和減弱，特別是其高溫脆性傾向減小，耐腐蝕性能提高，晶間腐蝕的敏感性降低。
因此，高純鐵素體不銹鋼的退火溫度可以高于一般鐵素體不銹鋼的退火溫度，在較高的溫度下進行，通常采用加熱保溫溫度為900～1050℃，保溫后快冷。高純鐵素體不銹鋼退火后的機械性能見表2－3。
高純鐵素體不銹鋼的焊后和冷加工后去應力工藝可同于一般鐵素體不銹鋼。
這里需要提出注意的一個問題，在我國及其他一些國家的材料標準中，對某些材料的熱處理冷卻方法標示上略有不同。有的明確標示水冷或油冷或空冷，而有的則標示快冷或緩冷。這種快冷或緩冷的標示方法值得討論。比如空氣冷卻，對于一些小截面的零件或高合金馬氏體不銹鋼，冷卻效果已達到快冷效果，而對于較大截面的零件或碳鋼，普通合金鋼卻只能達到緩冷的效果。本書在資料引用時不做改動。但讀者在實際應用時，應根據(jù)具體材料成分、尺寸大小、形狀復雜程度、熱處理目的、欲達到的熱處理效果和可能出現(xiàn)的熱處理缺陷等因素確定實際冷卻方法。如緩冷可采用埋灰(砂)冷、坑冷、爐冷或限速冷卻，快冷可采用空冷、風冷、油冷、水冷或其他介質(zhì)冷卻等。
三、鐵素體不銹鋼熱處理可能產(chǎn)生的缺陷和預防措施
盡管鐵素體不銹鋼熱處理方法比較簡單，但操作不當也可能產(chǎn)生熱處理缺陷。
1．晶間腐蝕的敏化傾向
含碳量大于0.01%的一般鐵素體不銹鋼，退火溫度超過850℃以上，由于晶界析出物的產(chǎn)生，會增加晶間腐蝕的敏感性。在實際生產(chǎn)中，有時為提高退火生產(chǎn)進度或者考慮設備利用率，與其他材料混裝熱處理，可能會忽略鐵素體不銹鋼的特殊性，提高了退火溫度，結(jié)果降低了鋼的熱處理效果。因此，對于鐵素體不銹鋼的退火應嚴格執(zhí)行工藝，控制加熱溫度。
2．脆性
鐵素體不銹鋼較高溫度加熱會產(chǎn)生高溫脆性，在600～400℃保溫或緩冷會有σ相脆性和475℃脆性產(chǎn)生的可能性。所以，應注意控制加熱溫度不能過高，又要避免在脆性區(qū)溫度停留，在600℃以下應空冷為好。
3．晶粒長大
鐵素體不銹鋼的晶粒度也有隨加熱溫度的升高而長大的傾向，對鋼的塑韌性不利。從這一角度考慮，鐵素體不銹鋼熱處理時也應盡量采用較低溫度，并防止過熱產(chǎn)生。
4．表面貧鉻
在氧化性氣氛中，鐵素體不銹鋼高溫、短時加熱，會使鋼表面的鉻優(yōu)先氧化而貧鉻。有的研究證明，含18%鉻的鐵素體不銹鋼在788℃加熱保持5min，鋼表面形成的氧化膜中的含鉻量可達21.5%，說明了鉻的優(yōu)先氧化現(xiàn)象，這必然使鋼的表面鉻量降低，會降低耐腐蝕性。如果長時間加熱，氧化膜增厚到一定程度，阻止了氧的進一步侵入，使基體中的鉻有機會向貧鉻層擴散，貧鉻層就會被消除。
所以，對于沒有加工余量的制件，工藝條件又可能產(chǎn)生鋼件表面貧鉻時，可采用光亮退火或真空退火的工藝方法，避免產(chǎn)生鐵素體不銹鋼的表面貧鉻現(xiàn)象。
