스테인리스강 열처리 방법 완벽 가이드: 공정, 야금 및 표준

소개: 스테인레스 스틸의 열적 필수

스테인레스 스틸의 제조는 열역학적인 안정성과 기계적 필요성을 균형 잡는 작업입니다. 탄소강과는 달리,열처리가 주로 단단성과 견고성을 조절하는 메커니즘이 있는 경우, 스테인레스 스틸의 열처리는 기계적 특성을 향상시키고 부식 저항성을 보존하는 두 가지 종종 충돌하는 목적을 수행합니다.이 보고서는 전체적인, 전문가 수준에서 열 처리 방법론에 대한 분석은 5 개의 주요 스테인레스 스틸 가족에 적용됩니다.

스테인레스 스틸은 단일 물질이 아니라 철산 합금의 광범위한 가족으로 최소 10.5%의 크롬을 포함합니다. 이 크롬은 산소와 반응하여 수동 크롬 산화층을 형성합니다.$Cr_2O_3$), 자체 치유 필름, 재료의 "무화"기능을 제공합니다.¹열 처리 는 이 수동 층 의 무결성 에 깊은 영향 을 미칩니다. 부적절 한 열 순환 은 지역적 인 크롬 을 고갈 하는 탄화물 을 침착 시킬 수 있습니다.깨지기 쉬운 금속 간 단계 (시그마 단계) 를 형성합니다., 또는 기판을 손상시키는 표면 스케일링을 유발합니다.³따라서 스테인리스 스틸의 열처리는 단계 다이어그램, 냉각 운동학 및 오븐 대기 제어에 대한 뉘앙스 된 이해를 필요로합니다.

이 문서는 엔지니어와 금속공을 위한 포괄적인 설명서로서 산업 표준 (ASTM A484, A564, AMS 2759) 의 데이터를 합성합니다.미세 구조 진화에 관한 학술 연구, 및 장비 선택에 대한 실용적인 지침. 그것은 용접 붕괴를 방지하기 위해 용액 오스텐이트 등급을 굽는 중요한 뉘앙스를 탐구합니다.17-4 PH와 같은 침착 경화 합금에 필요한 정확한 노화 주기, 그리고 부연을 피하기 위해 듀플렉스 스테일의 섬세한 소화 요구 사항.그것은 마르텐시틱 안정성을위한 냉동 처리 및 소금 목욕 처리 대 진공의 비교 효과와 같은 고급 주제를 다루고 있습니다..

금속 공학 기초 및 합금 효과

스테인리스 스틸의 열처리를 마스터하려면 먼저 열에너지에 대한 반응을 정의하는 원자 수준 상호 작용을 해독해야합니다.강철의 결정 구조는 면중심 구직 (FCC) 오스텐이트시체 중심의 큐브 (BCC) 페리트 또는 시체 중심의 테트라곤 (BCT) 마르텐시트는 사용 가능한 열 처리 창과 그 결과 기계적 특성을 결정합니다.

2.1 열처리에서의 합금 원소의 역할

스테인리스 스틸 등급의 합금 원소들의 특정 칵테일은 그 단계 안정성의 경계와 가열과 냉각에 대한 반응을 결정한다.

• 크롬 (Cr):결정적인 원소. 그것은 강한 페리트 안정기입니다. 열 처리에서 크롬의 행동은 탄소에 대한 친밀감 때문에 중요합니다. 425 ° C에서 870 ° C의 온도 범위에서, 크롬은 탄소와 결합하여 화학적 성분을 형성합니다.크롬은 탄소와 반응하여 복잡한 탄화물 (e.g,$M_{23}C_6$이것은 인접한 매트릭스에서 크롬을 제거하여 소화하기 위해 필요한 10.5%의 임계치 아래로 지역 농도를 떨어뜨립니다. 민감화라고 불리는 현상입니다.¹

• 니켈 (Ni):오스텐라이트의 주요 안정제. 니켈을 첨가하면 (300 시리즈와 같이) 고온 오스텐라이트에서 저온 페리트 / 마르텐라이트로 변환되는 것을 억제합니다.이것은 고 니켈 합금 가열을 통해 가열되지 않습니다., FCC 구조는 냉동 온도까지 안정적으로 유지됩니다. 니켈은 또한 탄력성과 유연성을 향상시킵니다.¹

• 탄소 (C):마르텐시틱 등급의 주요 경화제로 작용하는 간성 용해물. 440C와 같은 등급에서 높은 탄소 (0.95~1.20%) 는 경화 시 극심한 경화 (HRC 60+) 를 가능하게 한다.아우스테니트 등급, 탄소는 일반적으로 열 순환 또는 용접 과정에서 민감성을 방지하기 위해 최소화해야하는 불순물 (<0.03% "L" 등급에서).⁸

• 몰리브덴 (Mo):뚫림 저항을 향상시키기 위해 추가됩니다 (316 또는 2205과 같이). 그러나 몰리브덴은 시그마 ($시그마$그리고 치 ($치$이 때문에 용액 응열 후 급속한 냉각률이 필요합니다.⁴

• 질소 (N):강력한 아우스테니트 안정제 및 고체 용액 강화제. 현대 듀플렉스 및 슈퍼 아우스테니트 등급에서 질소는 양산 강도 및 삐팅 저항 (PREN) 을 증가시킵니다.또한 해로운 단계가 침착하는 온도를 높여줍니다., 열 처리에 대한 안전 창을 강화하지만 오스텐이트 단계의 안정성을 향상시킵니다.⁷

• 티타늄 (Ti) 및 니오비아 (Nb):이 물질들은 탄소에 대한 친밀도가 크롬보다 높습니다.이 원소들은 열처리 과정에서 탄소를 제거하여 안정적인 탄화물 (TiC 또는 NbC) 을 형성합니다., 염소를 용액에 남기어 부식 저항성을 유지합니다. 이것은 이러한 등급을 민감화없이 스트레스 완화 또는 고온 서비스에서 사용할 수 있습니다.¹²

단계 변환 메커니즘

다양한 스테인리스 가족들의 열처리에 대한 근본적인 차이점은 그들의 단계 변환 (또는 그 부족) 에 있습니다.

• 알로트로프 변환 (강화 메커니즘):마르텐시틱 스틸의 경우, 물질은 BCC (페리트 + 카바이드) 구조에서 방온에서 FCC (오스텐이트) 구조로 높은 온도에서 전환합니다.급속한 냉각 (멸종), 탄소는 용액에 갇히고, 격자체를 마르텐사이트라고 불리는 매우 스트레스가있는 BCT 구조로 절단합니다. 이것은 경화 메커니즘입니다.¹⁴

• 용해성 변화 (우림 메커니즘):PH 스틸 (예를 들어 17-4) 에서 강화는 주로 단계 변화 자체에서 발생하지 않습니다.그러나 초미시적 입자의 침착 (보리 풍부한 침착물처럼) 중차 "고령화"열처리 중에매트릭스는 이 퇴적물들을 둘러싸고 수축하여, 부착운동을 방해하고 강도를 증가시킵니다.³

• 재 결정화 (열화 메커니즘):경화되지 않는 오스테니트 및 페리트 스틸의 경우 열처리가 새로운, 스트레인 없는 곡물이 핵을 형성하고 성장할 수 있는 에너지를 제공하며, 냉공업으로 인한 변형된 곡물을 대체합니다.그것은 또한 고체 용액으로 다시 침착물을 녹여.¹

열 전도성 및 확장 고려 사항

스테인리스 스틸, 특히 오스텐이트 등급은 열 처리를 복잡하게 만드는 독특한 물리적 특성을 가지고 있습니다.

• 낮은 열전도:아우스테니트 스테인리스 스틸은 탄소 스틸보다 열을 현저히 느리게 전도한다. 이것은 구성 요소의 핵심이 목표 온도에 도달하는 것을 보장하기 위해 더 긴 흡수 시간을 필요로 한다.

• 높은 열 확장:아우스테니트 강철의 열 확장 계수는 탄소 강철보다 약 50% 높습니다. 이것은 열 왜곡과 완화 균열의 위험을 악화시킵니다.따라서 고정 및 균일 난방은 스테인레스 스틸의 차원 허용을 유지하기 위해 더 중요합니다..²

일반 열처리 방법

등급별 레시피에 뛰어들기 전에 스테인리스 스틸에 사용되는 열 처리의 네 가지 주요 범주를 정의하는 것이 중요합니다.그리고 표면 처리.

앙일링 과정

앙일링은 재료를 부드럽게 만들고, 유연성을 향상시키고, 부식 저항성을 최적화하기 위해 설계된 난방 및 냉각 순환을 가리키는 넓은 용어입니다.

• 용액 반열:이것은 아우스테니틱 (300 시리즈), 듀플렉스 및 PH (조건 A) 스틸에 대한 표준 처리입니다.물질은 모든 크롬 탄화물 및 인터메탈리 폼을 아우스테니트 매트릭스에 녹일 수 있도록 충분히 높은 온도 (일반적으로 > 1040°C) 로 가열됩니다.중요한 것은,빠른 소화수 또는 고압 가스) 를 통해 이 균일한 구조를 "냉각"합니다. 느린 냉각은 침착물이 변형 될 수 있기 때문에 엄격히 금지됩니다.³

• 가열 과정 (중심적):주로 페리틱 및 마르텐시틱 등급에 사용된다. 완전한 단계 변환을 유발하지 않고 냉 작업 또는 가공을위한 물질을 부드럽게하기 위해.$A_{c1}$온도 (일반적으로 760~830°C). 이것은 탄화물을 녹이는 대신 구형화합니다.¹²

• 밝은 반열:이것은 제어 된 대기 속에서 수행되는 전문 굽기 과정입니다. 일반적으로 분리 된 암모니아 (75%)$H_2$, 25%$N_2$표면 산화를 방지하기 위해) 또는 순수 수소를 사용한다. 이 과정으로 인해 밝고,반사 표면, 후속 픽링이나 롤링을 필요로 하지 않는.²⁰

  • 통찰력:티타늄 (예를 들어, 409, 439) 으로 안정화된 페리틱 등급은 티타늄이 높은 순수성 수소에서도 산화되기 때문에 밝게 반열시키는 것이 매우 어렵습니다.외부 산화물 대신 내부의 질산화물을 형성하기 위해 특수한 대기체가 필요합니다..²²

경화 (강화 및 경화)

마르텐시틱과 PH 등급을 제외한 경화에는 오스텐시화 범위까지 가열하고 그 다음 소화가 포함됩니다.

• 소화:냉각 속도는 시간-온도-변화 (TTT) 곡선의 "입"을 놓치기 위해 충분히 빠르어야하며, 진주석 또는 바인이트의 형성을 방지해야합니다.많은 마르텐시트성 스테인리스 스테일은 높은 경화력을 가지고 있으며 "공기 경화"를 할 수 있습니다., "그것이 상대적으로 느린 공기 냉각에도 마르텐사이트를 형성한다는 것을 의미합니다.이것은 평면 탄소강에 필요한 공격적인 기름 또는 물 소화와 비교하여 왜곡을 최소화하는 데 유리합니다..⁶

• 템퍼:소멸된 마르텐사이트는 매우 단단하지만 부서지기 쉽고 스트레스를 많이 받습니다.템퍼링은 격자 스트레스 해소 및 미세한 탄화물 침착을 위해 강철을 더 낮은 온도 (150~650°C) 로 재열하는 것을 포함한다.이것은 필요한 강도와 유연성을 위해 약간의 경직을 교환합니다. 템퍼링 온도의 선택은 최종 기계적 특성을 설정하는 주된 다이얼입니다.³

스트레스 해소

스트레스 완화는 가공, 용접 또는 냉형으로 인한 잔류 당부 스트레스를 줄이는 것을 목표로합니다.따라서 차원 안정성을 향상시키고 스트레스 경화 균열 (SCC) 위험을 줄입니다..

• 오스텐이틱 딜레마:스트레스 완화 아우스테니틱 스테인리스 스틸은 스트레스 완화에 가장 효과적인 온도 (800~900°C) 가 민감화 범위와 일치하기 때문에 복잡합니다.304 스테인리스 에 표준 스트레스 완화 를 수행 하는 것은 그 부식 저항력을 파괴 할 수 있습니다따라서 낮은 온도 스트레스 완화 (< 450 °C) 또는 풀 솔루션 응열이 종종 선호됩니다.⁶

표면 경화

스테인리스 스틸의 표준 탄화화는 산화질소 층이 탄소 확산을 억제하기 때문에 어렵습니다.

• 낮은 온도의 거대한 초포화:현대적 공정 (콜스테리제®와 같이) 은 낮은 온도 (<450°C 또는 <900°F) 에서 탄소 또는 질소를 도입합니다.탄소/질소는 고체 용액에 남아 있습니다., 오스텐이트 격자 확장이 발생하여 극심한 압축 스트레스가 발생합니다. 이것은 부식 저항성을 손상시키지 않고 1000~1200 HV의 표면 경화 수준을 초래합니다.²⁴

아우스테니틱 스테인레스 스틸의 열처리 (300 시리즈)

300 시리즈 (304, 316, 321, 347) 는 스테인리스 스틸의 대부분의 응용 분야를 차지합니다. 이 합금은 FCC 오스텐이트 구조로 특징입니다.냉동 온도에서 녹는 지점까지 안정적으로따라서, 그들은열처리에 의해 굳어질 수 없습니다.이 등급의 열 처리는 엄격하게 부드럽게 (열화), 균일화 및 스트레스 완화를 위해 사용됩니다.

용액 반열: 리셋 버튼

용액 소화 는 아우스테니트 화질 의 주요 열 순환 이다. 그것은 냉동 작업 후 미세 구조 를 재 결정화 하는 데 사용 되고, 더 중요한 것은,용접 또는 부적절한 가공 과정에서 형성되었을 수 있는 크롬 탄화물 및 시그마 단계의 용해.

• 온도 범위:표준 범위는1040°C ~ 1175°C (1900°F~2150°F).

  • 304/304L의 경우: 1040~1100°C가 전형적입니다.

  • 316/316L: 비슷한 범위이지만, 몰리브덴이 풍부한 단계를 녹이기 위해 상단 쪽이 바람직하다.³

  • 고 합금 오스텐틱 (예를 들어, 904L, 6Mo): 이러한 복잡한 화학 물질에 전형적인 더 안정적인 금속 간 침착물을 녹이기 위해 더 높은 온도 (1150°C까지) 가 종종 필요합니다.¹⁹

• 잠겨있는 시간:엄지손가락의 규칙은 전체 직경이 온도에 도달하는 것을 보장하기 위해 재료 두께 1 인치당 대략 30 ~ 60 분입니다.곡물 성장을 방지하기 위해 과도한 침착을 피해야 합니다., 이는 후속 형성 작업에서 "오렌지 껍질" 표면 완화를 생성 할 수 있습니다.¹²

• 냉각 속도:이것은 가장 중요한 변수입니다. 물질은 민감화 온도 범위 (850 ° C에서 500 ° C까지) 를 빠르게 냉각해야합니다.

  • 물 소화:두꺼운 섹션 (플릿, 바 > 12mm) 에 필수적입니다.

  • 강압 공기/가스:얇은 구간 (플릿, 와이어, 얇은 벽 튜브) 에 용납되며, 표면 면적/물질 비율은 충분히 빠른 열 추출을 허용합니다.

  • 느린 냉각의 결과:느리게 냉각되면 크롬 탄화물은 곡물 경계에서 침착하여 민감화로 이어집니다 (아래에 논의됩니다).¹²

민감화 메커니즘 (접속 붕괴)

감수성은 오스텐이트 인 스테인레스 스틸의 아킬레스 발꿈치입니다.425°C ~ 870°C (800°F~1600°F).

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