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沉淀硬化不锈钢

沉淀硬化不锈钢(Crecipitation hardening stainless steel)
在不锈钢化学成分的基础上添加不同类型、数量的强化元素，通过沉淀硬化过程析出不同类型和数量的碳化物、氮化物、碳氮化物和金属间化合物，既提高钢的强度又保持足够的韧性的一类高强度不锈钢，简称PH钢。
分类根据钢的组织可分为3类：(1)马氏体沉淀硬化不锈钢，以中国0Cr17Ni7TiAl和0Cr17Ni4Cu4Nb为代表。(2)半奥氏体沉淀硬化不锈钢，以0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7Mo2Al为代表。(3)奥氏体沉淀硬化不锈钢，它实际上为铁基高温合金，以0Cr15Ni20Ti2M0.B、1Cr17Ni10P为代表。
设计要点(1)马氏体沉淀硬化不锈钢。钢中碳含量一般≤0.1％，但≥0.05％，目的是既有好的焊接性、耐蚀性，又具有较好的强韧性；铬含量一般在16％～17％以保证足够的不锈性和耐蚀性；合适的镍、铬当量，以便钢中δ-铁素体的含量处于最低水平(一般≤5％)，以免损害横向性能和降低钢的强度。各种合金元素的铁素体形成效果如下：
0.1％N         0.1％C         1％Ni         1％Co         1％Cu
    -20              -18              -10                 -6                -3
1％Mn           1％w           1％Si           1％Mo        1％Cr
    -1                +8                +8                 +11             +15
1％V              1％Al
 +19                +38
元素的配比应使马氏体相变开始温度(Ms点)在150℃以上马氏体相变基本完成温度，(Mf点)在50℃以上，下述经验公式可作计算Ms点时的参考：
Ms={75(14.6-％Cr)+110(8.9-％Ni)+3000
[0.068-％(C+N)]+60(1.33+％Mn+50
(0.17-％Si)}，℃
添加适量沉淀硬化元素如铜和钛等以便形成ε富铜相和NiTi相等进行强化。
(2)半奥氏体沉淀硬化不锈钢。碳含量一般在0.1％左右，为改进铸造性能铸造钢的碳含量大于0.1％；他点的控制是本钢设计的关键，这类钢在固溶处理后为奥氏体组织，在此状态下进行加工、成形、焊接。在调整处理(碳化物析出过程)后马氏体点升高，降到室温后为马氏体组织或再通过简单的低温处理(-72℃)后转变成马氏体(即马氏体点在-72℃以上)；铬含量一般在14％以上，以保证良好的不锈性和耐蚀性；选择合适的铬、镍当量配比以降低钢中δ-铁素体的含量；钢中含有适量沉淀硬化元素。如钼、钛、铝、铌、铜等。有时钢中含钴，这一方面可以促进钼的强化作用，同时又不影响Ms点。

图1 0Cr17Ni7TiAl钢的热处理工艺

图2  0Cr17Ni4Cu4Nb钢的热处理工艺
(3)奥氏体沉淀硬化不锈钢。选择合适的铬、镍当量配比，使其形成非常稳定的奥氏体组织；为了弥补奥

图3  半奥氏体沉淀硬化不锈钢热处理工艺
氏体强度的不足，通过加入铝、钛以形成Ni3Al、Ni3Ti，或加入磷形成M23(C+P)6而进行强化。
热处理工艺(1)马氏体沉淀硬化不锈钢。以0Cr17NiTiAl(Stain1essW)和0Cr17Ni4Cu4Nb为例，其热处理工艺如图1和图2所示。
(2)半奥氏体沉淀硬化不锈钢。以0Cr15Ni7M0.Al为例，其热处理工艺如图3所示。
(3)奥氏体沉淀硬化不锈钢。以0Cr15Ni25Ti2M0.1VB为例其热处理工艺如图4所示。

图4  0Cr115Ni25Ti2Mc)AlVB钢的热处理工艺
典型牌号(1)0Cr17Ni4cu4Nb钢。该钢为马氏体沉淀硬化不锈钢，Ms点约150℃，Mf点在30℃以下。马氏体转变完全与否受成分和冷却方式影响。钢中铜以极细小而分散的ε相弥散分布在基体上从而提高强度。H900处理时σb=1310MPa，σ0.2=1170MPa，δ5=10％，ψ=40％。该钢具有良好的耐腐蚀性，耐蚀性优于一般马氏体不锈钢，与一般奥氏体不锈钢相近。它具有良好的切削性能，不需预热就可以焊接并且焊后可不进行局部退火。它主要用于制造耐蚀和高强度部件如喷气发动机压气机机匣及大型汽轮机末级叶片。
(2)0Cr17Ni7Al钢。这个牌号为半奥氏体沉淀硬化不锈钢。它是在0Cr17Ni7这一不稳定的奥氏体钢中添加铝，再经过马氏体转变和析出NiAl化合物而硬化的钢种。CrH950处理后，σb=1580MPa，σ0.2=1470MPa，δ5=6％。该钢在氧化性酸中耐蚀性良好，而在像硫酸、盐酸等非氧化性酸中耐蚀性差。经A或Al750处理后的耐酸性最好。而用THCrH、CH处理后的耐酸性变差。该钢的焊接可采用与奥氏体不锈钢相同的焊接工艺。若采用与母材成分相同的焊条焊接，则焊缝中将出现大量的δ铁素体，造成焊缝韧性的下降，因而焊条中可适当的降铬或增镍。焊接时应采用惰性气体保护以防焊条中铝的氧化。为获得良好的焊接效率，固溶退火后的焊件，最好先进行固溶处理，然后再进行调整和时效处理。该类钢主要用于制造飞机外壳、结构件、导弹的压力容器和构件，喷气发动机零件、弹簧、隔膜、波纹管、天线、紧固件、测量仪表等。
(3)0Cr15Ni25Ti2M0.B钢。该钢为奥氏体沉淀硬化不锈钢，亦即铁镍基高温合金。钢不仅在固溶态，而且在时效态均为稳定的奥氏体组织。-般由钢中形成金属间化合物来达到提高强度和改善高温性能。在时效态σb=1035MPa，σ0.2=690MPa，δ=25％，ψ=40％。该钢高温强度好，使用温度可达600～700℃。650℃以下的高温屈服强度与室温差不多。低温韧性良好，但存在室温强度低，焊接性能差等缺点。