合金元素对奥氏体镍铬不锈钢冷镦性能的影响

奥氏体不锈钢在四类不锈钢中，其合金化程度最高、合金元素种类最广、冷加工硬化倾向的影响因素最复杂。深入细致地分析奥氏体不锈钢的冷镦性能及其影响因素，具有重要的意义。

图6-5示出合金元素对奥氏体镍、铬不锈钢室温屈服强度的影响。图中概括地说明了奥氏体不锈钢中，合金元素对冷镦性能影响程度的分类。大体上可分为以下三种类型：

1）间隙固溶强化元素急剧降低冷镦性能。碳、氮、硼属于此类元素，对γ相产生强烈固溶强化作用、很少的含量能显著提高屈服强度，急剧降低钢的冷镦性能。

2）铁素体形成元素能显著降低冷镦性能。奥氏体不锈钢中常见的铁素体形成元素有铬、硅、钼等，而钨、钒则少见。这些元素除能形成碳化物和金属间化合物等降低钢的塑性之外，还能降低奥氏体的稳定性，增加冷加工过程中马氏体转变数量，提高钢的屈服强度，降低钢的冷镦性能。

图6-5 合金元素对奥氏体镍铬不锈钢室温屈服强度的影响

3）奥氏体稳定化元素有利于改善冷镦性能。稳定奥氏体元素有镍、锰、铜等。这些元素能增加奥氏体的稳定性，减少或消除冷加工过程中由A→α′转变而产生的马氏体数量，有利于改善钢的冷镦性能。

下面将重点分析碳、氮、铬、镍、铜诸元素，对奥氏体冷镦不锈钢性能的影响与作用。

1.碳元素对奥氏体不锈钢冷镦性能的影响

随着钢中含碳量的升高，钢的硬度和屈服强度增加，冷镦性能下降。具体原因分析如下：

（1）碳对奥氏体的强化作用 碳为间隙原子，对γ相主要起固溶强化作用。随着钢中含碳量的提高，碳与铬还能形成碳化铬Cr₂₃C₆而产生强化作用。因此，增加含碳量会使奥氏体不锈钢的室温屈服强度明显升高，冷镦性能显著下降。

表6-7列出了碳对18-8奥氏体不锈钢强度的影响。钢中含碳量（质量分数）每增加0.010%，屈服强度就增加10～15MPa。对于冷镦用钢而言，在保证制品强度指标的前提下，应尽量降低含碳量，以利于改善冷镦性能和耐蚀性。

表6-7 碳对18-8奥氏体不锈钢强度的影响

（2）碳对奥氏体不锈钢加工硬化的影响 亚稳定型奥氏体不锈钢产生加工硬化的主要原因是马氏体的生成；稳定型奥氏体不锈钢产生加工硬化的原因是晶粒细化。图6-6示出碳对稳定型（Cr18Ni12）和亚稳定型（Cr18Ni8）奥氏体不锈钢冷加工硬化倾向的影响。

从图中曲线可以看出：对于Cr18Ni8亚稳定型奥氏体不锈钢，随着含碳量增加，钢的加工硬化倾向减缓；对于Cr18Ni12稳定型奥氏体不锈钢，碳对加工硬化倾向的影响不明显。另外，当亚稳定型奥氏体不锈钢的含碳量（质量分数）大于0.06%时，碳对加工硬化倾向的影响，与对稳定型奥氏体不锈钢的影响基本一致，碳主要因细化奥氏体晶粒而使强度升高而导致冷镦性能的细小变化。

图6-6 碳对稳定型（Cr18Ni12）和亚稳定型（Cr18Ni8）奥氏体不锈钢 冷加工硬化倾向的影响

2.氮元素对奥氏体不锈钢冷镦性能的影响

（1）氮对奥氏体的固溶强化作用 氮为间隙原子，由于原子半径比碳小，因此，对γ相的强化作用比碳强烈。氮在奥氏体不锈钢中主要起固溶强化作用。只有在含铬量较高的钢中，才会形成铬的氮化物Cr₂N、CrN，起析出强化作用。

表6-8列出氮对奥氏体不锈钢屈服强度的影响。氮对屈服强度的强化作用明显大于抗拉强度。氮含量对00Cr19Ni10钢室温力学性能的影响见图6-7。

表6-8 氮对奥氏体不锈钢强度的影响

图6-7 氮对00Cr19Ni10钢室温力学性能的影响

图6-8 氮对0Cr19Ni9冷加工硬化的影响

——0Cr19Ni9_----0Cr19Ni9N

总之，由于氮的强化作用，对钢的冷镦性能产生不利的影响。

（2）氮对奥氏体不锈钢加工硬化的影响 氮对加工硬化的作用与碳相似。图6-8示出氮对稳定型奥氏体不锈钢（氮的质量分数为0.10%～0.25%）冷加工硬化的影响。从图中对比结果可知：氮的影响是随冷变形量的增大而增加。0Cr19Ni9N为稳定型奥氏体不锈钢，其强化作用主要是因氮的细化晶粒和晶粒扭曲的结果。

图6-9示出氮对奥氏体不锈钢1Cr17Mn6Ni5Cu1.7加工硬化指数的影响。该钢号为以锰、氮代替部分镍的低加工硬化奥氏体不锈钢。从图中曲线可知：随着钢中含氮量的增加，加工硬化指数增大，冷镦性能下降。同样也由于氮的细化奥氏体晶粒，提高了钢的屈服强度，导致冷镦性能下降。

总之，尽管氮能增加奥氏体的稳定性，减少因马氏体而引起的冷加工硬化倾向，改善冷镦性能。但是，氮又能强化奥氏体、细化晶粒，提高屈服强度，对冷镦性能产生不利影响。氮的正负两面作用在生产奥氏体冷镦不锈钢时应认真分析，权衡利弊，取其利而避其弊。

3.铜元素对奥氏体不锈钢冷镦性能的影响

铜是改善奥氏体不锈钢冷镦性能的重要合金元素。部分冷镦不锈钢中加入质量分数为1.0%～4.0%的铜，以提高冷镦性能，适应生产形状结构复杂的紧固件的需要。铜在冷镦不锈钢中的作用有以下两方面。

图6-9 氮对奥氏体不锈钢加工硬化指数的影响

（1）降低钢的抗拉强度和提高塑性 图6-10和图6-11示出含铜量对奥氏体不锈钢0Cr16Ni7和0Cr18Ni9室温下抗拉强度和伸长率的影响。随着含铜量的增加，抗拉强度下降、伸长率增加。当含铜量（质量分数）为3.0%时，伸长率达到最佳值。

图6-10 铜对奥氏体不锈钢抗拉强度的影响

图6-11 铜对奥氏体不锈钢伸长率的影响

铜为奥氏体形成元素，溶入奥氏体不起强化作用，只增加奥氏体的稳定性。能减少冷变形过程中产生的马氏体数量，从而能显著地提高钢的冷镦性能。因此，在部分奥氏体不锈钢中得到应用。

但是，铜能降低不锈钢的热加工塑性，给钢锭的热开坯带来一些困难，低镍钢尤其明显。

（2）改善钢的冷加工成形性 由于铜能稳定奥氏体，减少冷变形过程中产生的马氏体数量和提高钢的塑性。因此，铜能明显降低奥氏体不锈钢的加工硬化倾向和冷裂纹的产生几率，使成形性得到明显的改善。

图6-12示出铜对0Cr18Ni9钢冷变形强化的影响。当钢中加入质量分数为3.0%的铜时，明显地降低冷变形强化效应，有利于改善了冷成形性。

图6-13示出铜对奥氏体不锈钢冷加工硬化倾向的影响。从图中不同含镍量的不锈钢与含铜量的关系可以看出：当奥氏体不锈钢中的含镍量（质量分数）小于12%时，该钢号为亚稳定型奥氏体。随含铜量增加奥氏体稳定性增大，冷加工过程产生的马氏体量减少，钢的冷加工硬化倾向减弱（指数下降）。当含镍量（质量分数）大于12%时，钢变为稳定型奥氏体，冷变形过程中不会发生马氏体转变，因此，铜不起作用。由此可知：铜对冷镦性能的有利作用只发生在亚稳定型奥氏体钢中。

综上所述，在亚稳定型奥氏体不锈钢中，加入适量铜，可以降低强度、提高塑性，显著改善冷成形性和冷镦性能。表6-9列出奥氏体不锈钢冷加工性能参数。从表中参数可知：在亚稳奥氏体不锈钢中加铜得到的新钢号0Cr18Ni9Cu3，具有最佳的冷加工性能，两项性能参数均优于稳定奥氏体的1Cr18Ni12钢。因此，0Cr18Ni9Cu3完全适用于制作形状复杂、变形量不均匀的难加工紧固件。(www.xing528.com)

图6-12 铜对0Cr18Ni9钢冷变形强化的影响

图6-13 铜对奥氏体不锈钢冷加工硬化倾向的影响

表6-9 奥氏体不锈钢冷加工性能参数

4.镍元素对奥氏体不锈钢冷镦性能的影响

镍在奥氏体不锈钢中，是形成和稳定奥氏体的主要元素，使钢具有稳定的奥氏体组织，良好的塑性和优良的冷镦性能。镍对奥氏体不锈钢冷镦性能的良好作用，主要表现在以下两方面。

（1）增加奥氏体的稳定性，降低冷加工硬化倾向 镍是形成和稳定奥氏体的主要元素。随着含镍量的增加，奥氏体稳定性增大。在18-8奥氏体不锈钢中，当含镍量（质量分数）大于12%时，奥氏体从亚稳状态转变为稳定状态。稳定奥氏体钢在冷加工过程中，不会发生A→α′转变，也就不会产生马氏体，即无冷加工硬化倾向。钢在冷加工过程产生硬化的原因，归结为晶粒细化和晶格扭曲。图6-14示出镍对镍铬奥氏体不锈钢中马氏体量和强度的关系。从图中可知：当含镍量（质量分数）大于12%时，冷加工不会产生马氏体，钢的强度不会增加。

图6-14 镍对镍铬奥氏体不锈钢中马氏体量及强度的影响

a）室温 b）-196℃

（2）降低强度提高塑性，改善钢的冷镦性能 由于镍能使铁碳平衡图中共析S点向左下方移动，从而降低碳在γ相区溶解度，减弱了碳对奥氏体的固溶强化效果。因此，随着含镍量的增加，奥氏体不锈钢的强度下降、塑性升高，冷镦性能得到改善。

总之。奥氏体冷镦不锈钢中，镍对改善冷镦性能来说是有益的合金元素。在控制钢中含镍量时，应按中上进行控制。

5.铬元素对奥氏体不锈钢冷镦性能的影响

铬对18-8奥氏体不锈钢冷镦性能的影响随奥氏体稳定性不同而异。

（1）铬对亚稳奥氏体不锈钢冷镦性能的影响 亚稳奥氏体钢中，含镍量（质量分数）小于12%。提高含铬量，会增大奥氏体的不稳定性。在冷变形过程中，会增加马氏体量，使冷加工硬化倾向增强，最终导致冷镦性能下降。因此，低含镍量亚稳奥氏体不锈钢中，铬含量应按中下限控制比较有利。冶炼技术水平许可时，可按下限控制。

（2）铬对稳定型奥氏体不锈钢冷镦性能的影响 稳定型奥氏体钢中，含镍量（质量分数）大于12%。提高含铬量对奥氏体的稳定性影响不大，冷变形过程中也不会产生马氏体。因此，对钢的冷镦性能影响不明显。含镍量较高的稳定型奥氏体不锈钢中，含铬量水平应以耐蚀性能为主，考虑控制其含量。

总之，铬对奥氏体不锈钢的冷镦性能产生不利影响。但是，铬是保证耐蚀性能的重要元素。因此，在确定其控制含量时，要两个因素兼顾，通常按照中下限进行控制。

6.钼元素对奥氏体不锈钢冷镦性能的影响

奥氏体不锈钢中加钼的作用，是提高钢在还原介质，如H₂SO₄、H₃ PO₄中的耐蚀性能。作为冷镦用钢中，含钼量（质量分数）在2.0%～3.5%范围。

钼为铁素体形成元素。形成铁素体的能力与铬相同。亚稳奥氏体不锈钢中，含钼会增加冷变形过程产生马氏体量，降低冷镦性能。稳定奥氏体不锈钢中，钼对室温力学性能的影响不明显。因此，对钢的变形硬化作用不显著。但是，随钢中加入钼之后，应相应提高奥氏体形成元素镍、锰、氮的含量，增加奥氏体的稳定性，保持钢的冷镦性能少受影响。

7.提高奥氏体不锈钢冷镦性能的途径

综合以上合金元素对奥氏体不锈钢冷镦性能的影响因素，可以归纳以下提高其冷镦性能的途径。

（1）提高奥氏体不锈钢的组织稳定性 提高奥氏体的稳定性，减少冷变形过程中产生的马氏体量，是改善亚稳奥氏体不锈钢冷镦性能的关键措施。

图6-15示出1Cr17Ni7（301）亚稳奥氏体不锈钢的加工硬化倾向。图6-16示出0Cr18Ni12（305）稳定奥氏体不锈钢的加工硬化倾向。

图6-15 1Cr17Ni7（301）亚稳奥氏体不锈钢的加工硬化倾向

图6-16 0Cr18Ni12（305）稳定奥氏体不锈钢的加工硬化倾向

对比两者的屈服强度变化情况可以看出：在相同的冷变形量时，1Cr17Ni7钢比0Cr18Ni12钢的屈服强度高出16%～27%。表6-10给出不同冷变形量时两钢屈服强度的差别。两者屈服强度的差别主要是1Cr17Ni7钢的奥氏体稳定性低，属亚稳奥氏体钢。冷变形过程发生A→α′转变、室温下产生大量马氏体组织而使钢硬化，导致屈服强度升高。0Cr18Ni12钢为稳定奥氏体钢，冷变形过程中奥氏体是稳定的，不会发生转变马氏体的过程。即使屈服强度升高，不是由马氏体引起的，而是由冷变形引起的奥氏体晶粒细化和晶格扭曲，产生强化效应所致。由此可见，提高奥氏体的稳定性，对改善冷镦性能起重要作用。

表6-10 不同冷变形量时的屈服强度（单位：MPa）

提高亚稳奥氏体不锈钢的组织稳定性，主要是通过提高钢中奥氏体形成元素Ni、Mn、N、Cu等含量，降低铁素体形成元素Cr、Si、Mo等含量，利用不锈钢相组分图来调整钢的组织结构。

（2）降低含碳量改善冷变形抗力 碳是间隙原子，通过固溶强化能显著提高奥氏体不锈钢强度。随着含碳量的下降，钢的屈服强度降低、塑性提高，冷镦性能得到改善。表6-11列出冷镦用低碳、超低碳奥氏体不锈钢的力学性能。含碳量从0.08%下降至0.03%时，其中屈服强度下降20%以上，明显地降低了变形抗力，提高了冷镦性能。

表6-11 冷镦用低碳、超低碳奥氏体不锈钢的力学性能

奥氏体不锈钢通过降低含碳量来改善冷镦性能，具有普遍意义。部分紧固件对力学性能有一定要求时，其含碳量不能控制过低。通常应将含碳量（质量分数）控制在0.04%左右。对力学性能要求不高的紧固件用钢，含碳量应尽量往低含量控制，以利于改善冷镦性能和耐蚀性。

（3）添加铜元素提高冷镦性能 铜能有效地降低奥氏体不锈钢的冷加工硬化倾向，显著降低屈服强度，改善冷镦性能。钢中加铜和降低含碳量结合使用，能极其有效地提高奥氏体不锈钢的冷镦性能。302HQ冷镦奥氏体不锈钢是最佳典范。图6-17和图6-18分别示出302和302HQ两种钢的冷变形量对力学性能的影响。对照钢的屈服强度变化曲线，可以明显地看出加铜降碳的双重效果。302HQ钢的加工硬化倾向明显小于302钢。302HQ钢在冷变形量为80%时的屈服强度不大于400MPa，而302钢相同冷变形量时，屈服强度达到约1150MPa。因此，对于亚稳奥氏体冷镦不锈钢（302钢）降碳和加铜，可以显著提高钢的冷镦性能。

综上所述，对奥氏体冷镦不锈钢采取降碳、加铜和增大奥氏体稳定性三项冶金措施后，可以显著改善其加工硬化趋势。图6-19示出不同类别的不锈钢在冷加工硬化性能方面的差异。

图6-17 302钢的冷变形量对力学性能的影响图6-18302HQ钢的冷变形量对力学性能的影响

注：302钢的化学成分（质量分数）：C0.9%，注：302HQ钢的化学成分（质量分数）：C0.010%，Mn Mn1.39%，Si0.50%，Cr17.56%，Ni9.69%。0.79%，Si0.26%，Cr17.52%，Ni9.58%，Cu3.23%。

图6-19 不同类别的不锈钢在冷加工硬化性能方面的差异