不銹鋼材料知識

1、化工機(jī)械及設(shè)備不銹鋼材料性能 目前，已知的化學(xué)元素有100多種，在工業(yè)中常用的鋼鐵材料中可以遇到的化學(xué)元素約二十多種。對于人們在與腐蝕現(xiàn)象作長期斗爭的實(shí)踐而形成的不銹鋼這一特殊鋼系列來說，最常用的元素有十幾種，除了組成鋼的基本元素鐵以外，對不銹鋼的性能與組織影響最大的元素是：碳、鉻、鎳、錳、硅、鉬、鈦、鈮、氮、銅、鈷等。這些元素中除碳、硅、氮以外，都是化學(xué)元素周期表中位于過渡族的元素。實(shí)際上工業(yè)上應(yīng)用的不銹鋼都是同時存在幾種以至十幾種元素的，當(dāng)幾種元素共存于不銹鋼這一個統(tǒng)一體中時，它們的影響要比單獨(dú)存在時復(fù)雜得多，因?yàn)樵谶@種情況下不僅要考慮各元素自身的作用，而且要注意它們互相之間的影響，因此不

2、銹鋼的組織決定于各種元素影響的總和。 概述v碳是工業(yè)用鋼的主要元素之一，鋼的性能與組織在很大程度上決定于碳在鋼中的含量及其分布的形式，在不銹鋼中碳的影響尤為顯著。碳在不銹鋼中對組織的影響主要表現(xiàn)在兩方面，一方面碳是穩(wěn)定奧氏體的元素，并且作用的程度很大（約為鎳的30倍），另一方面由于碳和鉻的親和力很大，與鉻形成系列復(fù)雜的碳化物。所以，從強(qiáng)度與耐腐燭性能兩方面來看，碳在不銹鋼中的作用是互相矛盾的。碳在不銹鋼中具有兩重性 v碳是工業(yè)用鋼的主要元素之一，鋼的性能與組織在很大程度上決定于碳在鋼中的含量及其分布的形式，在不銹鋼中碳的影響尤為顯著。碳在不銹鋼中對組織的影響主要表現(xiàn)在兩方面，一方面碳是穩(wěn)定奧氏

3、體的元素，并且作用的程度很大（約為鎳的30倍），另一方面由于碳和鉻的親和力很大，與鉻形成系列復(fù)雜的碳化物。所以，從強(qiáng)度與耐腐燭性能兩方面來看，碳在不銹鋼中的作用是互相矛盾的。碳在不銹鋼中具有兩重性 v例如: 0Cr134Cr13這五個鋼號,由于含碳量不同，強(qiáng)度與耐腐蝕性能也是有區(qū)別的，0Cr132Cr13鋼的耐腐蝕性較好但強(qiáng)度低于3Cr13和4Cr13鋼，多用于制造結(jié)構(gòu)零件，后兩個鋼號由于含碳較高而可獲得高的強(qiáng)度多用于制造彈簧、刀具等要求高強(qiáng)度及耐磨的零件。又如為了克服188鉻鎳不銹鋼的晶間腐蝕，可以將鋼的含碳量降至0.03%以下，或者加入比鉻和碳親和力更大的元素（鈦或鈮），使之不形成碳化鉻，

4、再如當(dāng)高硬度與耐磨性成為主要要求時，我們可以在增加鋼的含碳量的同時適當(dāng)?shù)靥岣吆t量，做到既滿足硬度與耐磨性的要求，又兼顧定的耐腐蝕功能，工業(yè)上用作軸承、量具與刃具有不銹鋼9Cr18和9Cr17MoVCo鋼，含碳量雖高達(dá)0.850.95%，由于它們的含鉻量也相應(yīng)地提高了，所以仍保證了耐腐蝕的要求。碳在不銹鋼中具有兩重性 v總的來講，目前工業(yè)中獲得應(yīng)用的不銹鋼的含碳量都是比較低的，大多數(shù)不銹鋼的含碳量在0.10.4%之間，耐酸鋼則以含碳0.10.2%的居多。含碳量大于0.4%的不銹鋼僅占鋼號總數(shù)的一小部分，這是因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)使用條件下，不銹鋼總是以耐腐蝕為主要目的。此外，較低的含碳量也是出于某些工藝

5、上的要求，如易于焊接及冷變形等。 碳在不銹鋼中具有兩重性 v鉻是決定不銹鋼耐腐蝕性能的最基本元素鉻是決定不銹鋼耐腐蝕性能的最基本元素。在氧化性介質(zhì)中，鉻能使鋼的表面很快形成一層實(shí)際為腐蝕介質(zhì)不能透過和不溶解的富鉻的氧化膜，這層氧化膜很致密，并與金屬基本結(jié)合得很牢固，保護(hù)鋼免受外界介質(zhì)進(jìn)一步氧化浸蝕；鉻還能有效地提高鋼的電極電位。當(dāng)含鉻量不低于當(dāng)含鉻量不低于12.5%原子時原子時,可使鋼的電極電位發(fā)生突變可使鋼的電極電位發(fā)生突變,由負(fù)電位升由負(fù)電位升到正的電極電位。因而可顯著提高鋼的耐蝕性。到正的電極電位。因而可顯著提高鋼的耐蝕性。鉻的含量越高，鋼的耐蝕性能越好。當(dāng)含鉻量達(dá)鉻的含量越高，鋼的耐蝕

6、性能越好。當(dāng)含鉻量達(dá)到到25%、37.5%原子時，會發(fā)生第二次第三次的原子時，會發(fā)生第二次第三次的突變，使鋼具有更高的耐腐蝕性能突變，使鋼具有更高的耐腐蝕性能。鉻構(gòu)成不銹鋼的基本元素 v鉻之所以成為決定不銹鋼性能的主要元素，根本的原因是向鋼中添加鉻作為合金元素以后，促使其內(nèi)部的矛盾運(yùn)動向有利于抵抗腐蝕破壞的方面發(fā)展。這種變化可以從以下方面得到說明： 鉻使鐵基固溶體的電極電位提高 鉻吸收鐵的電子使鐵鈍化 。注：鈍化是由于陽極反應(yīng)被阻止而引起金屬與合金耐腐蝕性能被提高的現(xiàn)象。構(gòu)成金屬與合金鈍化的理論很多，主要有薄膜論、吸附論及電子排列論 。鉻構(gòu)成不銹鋼的基本元素 v鎳對不銹鋼耐腐蝕的影響，只有它與

7、鉻配合時才鎳對不銹鋼耐腐蝕的影響，只有它與鉻配合時才能充分顯示出來能充分顯示出來。因?yàn)?，低炭鎳鋼要獲得純奧氏體組織，含鎳量需達(dá)24%；要使鋼在某些介質(zhì)中的耐腐蝕性能顯著改變，含鎳量需在27%以上。所以，鎳不能單獨(dú)構(gòu)成不銹鋼鎳不能單獨(dú)構(gòu)成不銹鋼18%的鋼中加入的鋼中加入9%的鎳，就能使鋼在常溫下獲得單一奧氏體組織，的鎳，就能使鋼在常溫下獲得單一奧氏體組織，并可以提高鋼對非氧化性介質(zhì)（如：稀硫酸、鹽并可以提高鋼對非氧化性介質(zhì)（如：稀硫酸、鹽酸、磷酸等）的耐蝕性，酸、磷酸等）的耐蝕性，并能改善鋼的焊接和冷彎等的工藝性能。 鎳單獨(dú)不能構(gòu)成不銹鋼 v錳對于奧氏體的作用與鎳相似。錳的作用不在于形成奧氏體，

8、而是在于它降低鋼的臨界淬火速度，在冷卻時增加奧氏體的穩(wěn)定性，抑制奧氏體的分解，使高溫下形成的奧氏體得以保持到常溫。在提高鋼的耐腐蝕性能方面，錳的作用不大，如鋼中的含錳量從0到104%變化，也不使鋼在空氣與酸中的耐腐蝕性能發(fā)生明顯的改變。這是因?yàn)殄i對提高鐵基固溶體的電極電位的作用不大，形成的氧化膜的防護(hù)作用也很低，所以工業(yè)上雖有以錳合金化的奧氏體鋼（40Mn18Cr4,50Mn18Cr4WN等），但它們不能作為不銹鋼使用。錳在鋼中穩(wěn)定奧氏體的作用約為鎳的二分之一，即2%的氮在鋼中的作用也是穩(wěn)定奧氏體，并且作用的程度比鎳還要大。例如，欲使含18%鉻的鋼在常溫下獲得奧氏體組織，以錳和氮代鎳的低鎳不銹

9、鋼與原鎳的鉻錳氮不銹鋼，目前已在工業(yè)中獲得應(yīng)用，有的已成功地代替了經(jīng)典的18-8鉻鎳不銹鋼。 錳和氮可代替鉻鎳不銹鋼中鎳 v不銹鋼加熱到450800時，常常由于在晶界析出鉻的碳化物而使晶界附近的含鉻量下降形成貧鉻區(qū)，導(dǎo)致晶界附近的電極電位下降引起電化學(xué)腐蝕。這種腐蝕叫做晶間腐蝕。常見的如在焊縫附近的熱影響區(qū)內(nèi)發(fā)生的晶間腐蝕。而鈦和鈮是強(qiáng)碳化物形成元素，它與碳的親和力比鉻大得多，鋼中加入鈦或鈮，就能使鋼中的碳首先與鈦或鈮形成碳化物，而不與鉻形成碳化物，從而保證晶界附近不致因貧鉻而產(chǎn)生晶間腐蝕。因此，鈦和鈮常用來固定鋼中的碳，提高不銹鋼抗晶間腐蝕的能力，并改善鋼的焊接性能。鈦或鈮的加入量要根據(jù)含碳

10、量而定，一般為：鈦的加入量為含碳量的5倍，鈮為碳的8倍。鈦和鈮防止不銹鋼的晶間腐蝕 v鉬和銅能提高不銹鋼對硫酸、醋酸等腐蝕介質(zhì)的耐蝕能力。鉬還能顯著提高對含氯離子的介質(zhì)（如鹽酸）以及有機(jī)酸中的耐蝕能力。但含鉬的不銹鋼不宜在硝酸中應(yīng)用，含鉬的不銹鋼在沸騰的65%硝酸中的腐蝕速度比不含鉬的增加一倍；銅加入鉻錳氮不銹鋼中，會加速不銹鋼的晶間腐蝕。v鉬對鋼獲得單一奧氏體組織有不利影響，因此在含鉬鋼中，為了使鋼在熱處理后具有單一的奧氏體組織。鎳在錳等元素的含量要相應(yīng)的提高。鉬和銅提高部分不銹鋼對某些介質(zhì)的耐腐蝕性能 v硅對提高鉻鋼抗氧化能力的作用很顯著，含5%鉻及1%硅的鋼，抗氧化的能力可與12%鉻鋼相

11、等。如使鋼在1000能抵抗氧化，含0.5%硅時需要22%的鉻，如加入2.53%的硅以后，只需要12%的鉻就可以了。有資料顯示，向Cr15Ni20的鉻鎳鋼中加2.5%的硅，抗氧化性能可相當(dāng)Cr15Ni60的鉻鎳合金。v向高鉻鋼中加鋁也能使抗氧化性能顯著提高，它的作用與加硅的功能相仿。向高鉻鋼中加硅和鋁的目的：一是為了進(jìn)一步提高鋼的抗氧化性能，二是為了節(jié)約用鉻。硅和鋁對提高鉻鋼抗氧化性能的作用雖然很大，但也有很多缺點(diǎn)。最主要的是它使鋼的晶粒粗化和脆性傾向增大 。硅和鋁提高不銹鋼抗氧化能力 v高鉻鐵素體不銹鋼Cr17Mo2Ti鋼中加0005%硼，可使在沸騰的65%醋酸中的耐腐蝕性能提高。加微量的硼（

12、0.00060.0007%）可使奧氏體不銹鋼的熱態(tài)塑性改善。少量的硼由于形成低熔點(diǎn)共晶體，使奧氏體鋼焊接時產(chǎn)生熱裂紋的傾向增大，但含有較多的硼（0506%）時，反而可防止熱裂紋的產(chǎn)生。因?yàn)楫?dāng)含有0506%的硼時，形成奧氏體硼化物兩相組織，使焊縫的熔點(diǎn)降低。熔池的凝固溫度低于半溶化區(qū)時，母材在冷卻時產(chǎn)生的張應(yīng)力，由處于液態(tài)固態(tài)的焊縫金屬承受，此時是不致引起裂縫的，即使在近縫區(qū)形成了裂紋，也可以為處于液態(tài)固態(tài)的熔池金屬所填充。含硼的鉻鎳奧氏體不銹鋼在原子能工業(yè)中有著特殊的用途。但不銹鋼中含硼會使鋼的塑性和沖擊韌性降低 。硼在不銹鋼中作用 介紹v鈷作為合金元素在鋼中應(yīng)用不多，這是因?yàn)殁挼膬r格高及其在

13、其它方面（如高速鋼、硬質(zhì)合金、鈷基耐熱合金、磁鋼或硬磁合金等）有著更重要的用途。在一般不銹鋼中加鈷作合金元素的也不多，常用不銹鋼如9Cr17MoVCo鋼（含1.2-1.8%鈷）加鈷，目的并不在于提高耐腐蝕性能而在于提高硬度，因?yàn)檫@種不銹鋼的主要用途是制造切片機(jī)械刃具、剪刀及手術(shù)刀片等。鈷 提高不銹鋼的硬度v釩是鋼的優(yōu)良脫氧劑。鋼中加0.5%的釩可細(xì)化組織晶粒，提高強(qiáng)度和韌性。釩與碳形成的碳化物，在高溫高壓下可提高抗氫腐蝕能力。 v鎢熔點(diǎn)高，比重大，是貴生的合金元素。鎢與碳形成碳化鎢有很高的硬度和耐磨性。在工具鋼加鎢，可顯著提高紅硬性和熱強(qiáng)性，作切削工具及鍛模具用。 v鎢和釩加入鋼中，其主要作用

14、是提高鋼的熱強(qiáng)性。 釩 和鎢 提高不銹鋼的熱強(qiáng)性v稀土元素是指元素周期表中原子序數(shù)為57-71的15個鑭系元素。這些元素都是金屬，但他們的氧化物很象“土”，所以習(xí)慣上稱稀土。鋼中加入稀土，可以改變鋼中夾雜物的組成、形態(tài)、分布和性質(zhì)，從而改善了鋼的各種性能，如韌性、焊接性，冷加工性能。在犁鏵鋼中加入稀土，可提高耐磨性。 稀土 改變不銹鋼工藝性能v在一般不銹鋼中都是雜質(zhì)元素，但磷在奧氏體不銹鋼中的危害性不像在一般鋼中那樣顯著，故含量可允許高一些，如有的資料提出可達(dá)006%，以利于冶煉控制。個別的含錳的奧氏體鋼的含磷量可達(dá)006%（如2Cr13NiMn9鋼）。利用磷對鋼的強(qiáng)化作用，也有加磷作為時效硬

15、化不銹鋼的合金元素，PH1710P鋼（含025%磷）。v向不銹鋼中加0204%的硫和硒，可提高不銹鋼的切削性能。硫和硒提高不銹鋼的切削性能，是因?yàn)樗鼈兘档筒讳P鋼的韌性，例如一般188鉻鎳不銹鋼的沖擊值可達(dá)30公斤/厘米2。含031%硫的188鋼（0084%C、1815%Cr、925%Ni）的沖擊值為18公斤/平方厘米。硫與硒均降低不銹鋼的耐腐蝕性能，所以實(shí)際應(yīng)用它們作為不銹鋼的合金化元素的很少。 磷、硫和硒不銹鋼中的雜質(zhì)v化學(xué)腐蝕是指金屬與周圍介質(zhì)直接接觸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的腐蝕。腐蝕過程中無電流產(chǎn)生，如金屬在高溫下的氧化，產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物是氧化皮。金屬被腐蝕產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物一般沉積于表面，形成一

16、層膜，使金屬基體和介質(zhì)隔離。如果膜是穩(wěn)定的、很致密，與基體結(jié)合牢固，則該膜具有保護(hù)作用，稱之為氧化膜。反之，將使金屬逐漸被腐蝕直至破壞。因而，提高金屬耐化學(xué)腐蝕的能力，主要通過合金化或其它方法，使金屬表面形成一層鈍化膜。腐蝕原理腐蝕原理 化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕 v電化學(xué)腐蝕是金屬與電解溶液接觸產(chǎn)生原電池作用引起的腐蝕現(xiàn)象。由陰極和陽極形成微電池，腐蝕過程中有電流產(chǎn)生，如鋼在室溫下的銹蝕主要屬于電化學(xué)腐蝕。電極電位低的金屬作為陽極而被腐蝕。v在同一種金屬或合金中，也有可能產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。原因：主要是由于化學(xué)成分不均勻，組織狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)等的不同而引起的。同一金屬內(nèi)部、不同區(qū)域之間存在電極電位差，在電解

17、質(zhì)存在時，產(chǎn)生微電池作作引起腐蝕。例如，鋼中珠光體由鐵素體和滲碳體兩相組成，鐵素體的電極電位低于滲碳體。當(dāng)電解質(zhì)溶液（如硝酸酒精溶液）存在時，鐵素體作為陽極被腐蝕。 vF ：陽極，電極電位低，失去電子被腐蝕；vFe3C ：陰極，電極電位高，不腐蝕；腐蝕原理腐蝕原理 電化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕 v主要是合金化，添加Cr、Ni、Si、Al、Mo、Ti、Nb等合金元素。其作用：v（1）加入Cr元素，提高基體的電極電位。當(dāng)鉻含量為12左右時，合金的電極電位由-0.56V 0.2V，不銹鋼中鉻的含量都在12以上。v（2）使鋼在使用態(tài)為單相組織，避免形成微電池。v鐵素體不銹鋼中 WCr 17%，使用態(tài)為單相F；v奧氏體有銹鋼中 WNi 9%，使用態(tài)為單相A。v（3）加入Cr、Si、AL等形成致密氧化膜，基體與環(huán)境隔絕，提高耐蝕性。主要有Cr2O3、SiO2、Al2O3。v（4）Ti、Nb等形成穩(wěn)定碳化物或金屬間化合物，避免晶界貧鉻。防止措施防止措施 （1）鐵素體的即含鉻不含鎳的不銹鋼。這類鋼冷加工能使之硬化到某種程度，熱處理則不能。這類鋼總是有