铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢有较好的耐腐蚀性,但是,不能通过热处理方法调整机械性能,在应用上受到限制。马氏体不锈钢可以通过热处理方法在较大范围内调整机械性能,满足强度、塑性、韧性的需要,但是,其耐腐蚀性却不够理想。所以人们在实践中希望寻找到一种新型不锈钢,它即能保持铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的耐腐蚀性,又具有马氏体不锈钢可通过热处理方法调整机械性能的特征。
于是,沉淀硬化不锈钢最初与20世纪40年代研制出来,是增加耐腐蚀性并通过沉淀硬化来提供强度的高强度不锈钢,被用于弹簧、飞机、火箭等。早在1934年美国人获得了沉淀硬化不锈钢专利,20世纪40年代正式用于军工,后期推广到民用。它们最重要的性能,就是易于加工、高的强度、较好的延性和优异的耐腐蚀性能。
20世纪60年代以后,一方面由于钢种系列化,标准化;另一方面由于国际镍公司成功研制出马氏体时效钢,客观上推动了沉淀硬化不锈钢强韧性的改善和提高,刺激了超高强度不锈钢的发展,在利用其特殊性能的各种用途中,它们就越来越显得重要。
沉淀硬化不锈钢一般按其组织形态可分为四类:沉淀硬化马氏体不锈钢、沉淀硬化半奥氏体不锈钢、沉淀硬化奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体型沉淀硬化不锈钢。
常用的沉淀硬化不锈钢常冠以“PH”标注,所以沉淀硬化不锈钢也成为PH不锈钢。如PH17-4(或17-4PH)为0Cr17Ni4Cu4Nb , PH17-7(或17-7PH)为0Cr17Ni7Al。在我过现有标准中列出0Cr17Ni4Cu4Nb同马氏体沉淀硬化不锈钢,0Cr17Ni7Al属于奥氏体沉淀硬化不锈钢。
1. 沉淀硬化马氏体不锈钢
从用量上,马氏体型沉淀硬化不锈钢比其他类型使用得更多。由于它们在固溶-退火状态的硬度较高,它们主要以棒材、圆材、线材和大型锻件的形式使用,只有极少量用作板材。对这些合金中奥氏体和铁素体是这样来平衡的,即在固溶热处理和冷却至室温后,它们呈现马氏体状态。
自20世纪40年代以来,马氏体沉淀硬化不锈钢已经发展成为完整的系列。为保证获得良好的耐蚀性和可焊性,马氏体沉淀硬化不锈钢中含碳量要低,一般在0.1%以下,铬含量一般17%以上,并加入适量硬化元素(镍、铜、钼、钛和铝等)进行强化,使其在固溶退火处理时不形成铁素体和过量残余奥氏体,不降低马氏体开始转变温度,同时能更好发挥沉淀硬化元素的强化效应,以弥补强度不足,并改善耐蚀性。从改善钢材力学性能考虑,必须严格控制化学成分以减少钢中铁素体和残余奥氏体含量。这类钢具有良好的耐蚀性和抗氧化性,但合金含量高,价格昂贵,目前应用在火箭和导弹上,作为蒙皮材料。
2. 沉淀硬化半奥氏体不锈钢
这些合金称作半奥氏体型,是因为在退火(固溶处理)状态下,它们基本是奥氏体,但通过简单的热处理或者形变热处理,就不能转变为马氏体。为了制造这种合金,对奥氏体和铁素体之间的平衡,必须保持非常严格的控制。奥氏体和(或者)铁素体量太高,奥氏体将趋稳定,而不转变成马氏体。奥氏体平衡值太低,退火状态的稳定奥氏体将部分存留,或者不能产生完全的马氏体转变。
3. 沉淀硬化奥氏体不锈钢
这是一种添加碳、磷、氮、铝、钛、铌、钒等元素使碳化物、氮化物、磷化物存在奥氏体基体中析出进行强化的钢种,利用了与耐热钢相同的硬化机制。与奥氏体的不同之处在于通过不同类型沉淀相使其获得不同高温温度的力学性能。
4. 奥氏体-铁素体型沉淀硬化不锈钢
这类钢的基体组织为奥氏体和铁素体两相组织,添加的沉淀硬化合金元素的特点是易溶于奥氏体而不易溶于铁素体,在固溶处理时过于溶于铁素体中,在时效处理时从铁素体中析出,使钢得到强化,为了保证这类钢中铁素体的稳定性,较多地加入了硅、钼元素。这类钢热加工性不好,多作为铸件使用。