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                  不銹鋼種類、化學成分、耐腐蝕性能及其特點與用途
                  發布者:不銹鋼管廠(www.athens66.com) 發布時間:2022/6/12 閱讀:153

                    不銹鋼是指主加元素鉻含量能使鋼處于鈍化狀態,又具有不銹特性的鋼。為此,不銹鋼w(Cr)應高于12%(不銹鋼是一類以Fe-Cr、Fe-Cr-C、Fe-Cr-Ni為合金系的高合金鋼,作為此類的鋼必須含有質量分數不低于10.5%的鉻,含有這個最低鉻含量的鋼在其表面可以形成一個惰性氧化物層,這個惰性氧化物層可以保護內層的金屬在不含腐蝕介質的空氣中不被氧化和腐蝕。某些鉻的質量分數低于11%的鋼,比如用于電站的w(Cr)=9%鉻的合金鋼有時也被劃為不銹鋼,同時也要指出某些w(Cr)=12%的鋼,甚至更高鉻含量的鋼,暴露在空氣中也會生銹。這是因為某些鉻被結合成碳化物或其他化合物而降低了母材中的鉻含量,使其低于形成連續氧化物保護層所必須的鉻含量水平,如25%Cr-4%C)。此時,鋼的表面能迅速形成致密的Cr2O3氧化膜,使鋼的電極電位和在氧化性介質中的耐蝕性發生突變性提高。在非氧化介質(HCl、H2SO4)中,鉻的作用并不明顯,除了鉻外,不銹鋼中還須加入能使鋼鈍化的鎳、鉬等其它元素。通常所說的不銹鋼實際是不銹鋼和耐酸鋼的總稱,不銹鋼一般泛指在大氣、水等弱酸、堿、鹽等強腐蝕介質中耐蝕的鋼。兩者在化學成分上的共同特點是w(Cr)均在12%以上,但由于合金化的差異,不銹鋼并不一定耐酸,而耐酸鋼一般具有良好的不銹鋼性能。


                  一、不銹鋼發展史

                    1、 1821:法國人Berthier 進行在鋼中加鉻的試驗;

                    2、 1897:德國人Goldschmidt開發了生產低碳含鉻合金鋼的技術;

                    3、 1904~1909:在法國和德國生產了w(Cr)=13%和17%的合金鋼;

                    4、 1913:英國人Brearly在Thomas Firth and Sons公司澆鑄了第一塊商業鑄錠,鑄件號No.1008,成分(質量分數):0.24%C、0.2%Si、0.44%Mn、12.86%Cr。

                    5、 1916:9月5日美國w(Cr)=9%~16%,w(Cr)<0.7%的鋼發布專利:專利號1,197,256。

                    把鉻加到鋼中并揭示其耐腐蝕的有利效應要歸功于法國人Berthier,他在1821年開發了一種w(Cr)=1.5%的合金并建議用于餐刀。然而對這種鋼的早期實驗發現:隨鉻含量增加其成型性劇烈變壞(由于早期合金的碳含量很高),因而直到20世紀初期開發這種鋼的興趣仍然不大。對于耐蝕鋼的興趣在1900年到1915年期間又重新興起,很多冶金學家為開發耐蝕鋼而獲得信貸。這各重新興起開發耐蝕鋼活動的催化劑是1897年Goldschmidt在德國開發了生產低碳含鉻合金鋼的技術。隨后不久Guillet(1904), Portevin(1909) 和Giesen(1909)等發表了描述w(Cr)=13%的馬氏體不銹鋼和w(Cr)=18%的鐵素體不銹鋼的微觀組織和性能的論文。1909年Guillet還發表了一篇關于鉻-鎳鋼研究的論文,這種鋼的奧氏體類不銹鋼的前驅。

                    英國人Brearly被認為是不銹鋼的發明者,當時是為了研究由w(Cr)=5%鋼制作的來復槍槍膛因內部腐蝕而失效的問題,通過研究在1913年8月他鑄成了成份(質量分數)為12.86%Cr, 0.25%C, 0.20%Si, 和0.44%Mn的合格鑄錠。這種鋼被用來制造了12個實驗槍管,雖然并沒有像所期望的那樣改進槍管的腐蝕問題,但其中某些材料被用來制造餐刀刀片而開始了應用不銹鋼的紀元。

                   

                  二、不銹鋼的種類、化學成分及其用途

                    不銹鋼按照組織類型,可分為五類,即鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼。

                    不銹鋼的重要特性之一是耐蝕性,然而不銹鋼的不銹性和耐蝕性都是相對的,有條件的,受到諸多因素的影響,包括介質種類、濃度、純凈度、流動狀態、使用環境的溫度、壓力等,目前還沒有對任何腐蝕環境都具有耐蝕性的不銹鋼。因此,不銹鋼的選用應根據具體的使用條件加以合理選擇,才能獲得良好的使用效果。

                    奧氏體不銹鋼在各種類型不銹鋼中應用最廣泛,品種也最多。由于奧氏體不銹鋼的鉻、鎳含量較高,因此在氧化性、中性以及弱還原性介質中均具有良好的耐蝕性。奧氏體不銹鋼的塑韌性優良,冷熱加工性能俱佳,焊接性優于其它類型不銹鋼,因而廣泛應用于建筑裝飾、食品工業、醫療器械、紡織印染設備以及石油、化工 、原子能等工業領域。

                    鐵素體不銹鋼的應用比較廣泛,其中Cr13和Cr17型鐵素體不銹鋼主要用于腐蝕環境不十分苛刻的場合,例如室內裝飾、廚房設備、家電產品、家用器具等。超低碳高鉻含鉬鐵素體不銹鋼因對氯化物應力腐蝕不敏感,同時具有良好的耐點蝕、縫隙腐蝕性能,因而廣泛用于熱交換設備、耐海水設備、有機酸及制堿設備等。

                   馬氏體不銹鋼應用較為普遍的是Cr13型馬氏體不銹鋼。為獲得或改善某些性能,添加鎳、鉬等合金元素,形成一些新的馬氏體不銹鋼。馬氏體不銹鋼主要用于硬度、強度要求較高,耐腐蝕要求不太高的場合,如量具、刀具、餐具、彈簧、軸承、氣輪機葉片、水輪機轉輪、泵、閥等。

                   雙相不銹鋼是金相組織由奧氏體和鐵素體兩相組成的不銹鋼,而且各相占有較大的比例。雙相不銹鋼具有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的一些特點,韌性良好 、強度較高,耐氯化物應力腐蝕。適于制作海水處理設備、冷凝器,熱交換器等,在石油、化工領域應用廣泛。

                   沉淀硬化不銹鋼是在不銹鋼中單獨或復合添加硬化元素,通過適當熱處理獲得高強度、高韌性并具有良好腐蝕性的一類不銹鋼。通常作為耐磨、耐蝕、高強度結構件,如軸、齒輪、葉片等轉動部件和螺栓、銷子、墊圈、彈簧、閥、泵等零部件以及高強度壓力容器、化工處理設備等。

                   

                  三、不銹鋼的組織特點

                   因化學元素含量的上下限和熱處理狀態的差異,從各元素對不銹鋼組織的影響和作用程度來看,基本上有兩類元素。一類是形成或穩定奧氏體的元素:碳、鎳、錳、氮和銅等,其中碳和氮作用程度最大。另一類是縮小甚至封閉γ相區即形成鐵素體的元素:鉻、硅、鉬、鈦、鈮、鉭、釩、鎢和鋁等,其中鈮的作用程度最小。

                   不銹鋼的組織有以下幾種組織類型:


                   1. 奧氏體不銹鋼

                    奧氏體不銹鋼有Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Ni-Mo、Fe-Cr-Ni-Mn等系列。為改善某些性能,滿足特殊用途要求,在一些鋼中單獨或復合添加了氮、鈮、銅、硅等合金元素。奧氏體不銹鋼通常在室溫下為純奧氏體組織,也有一些奧氏體不銹鋼室溫下的組織為奧氏體加少量鐵素體,這種少量鐵素體有助于防止熱裂紋的產生。奧氏體不銹鋼不能用熱處理方法強化,但由于這類鋼具有明顯的冷加工硬化性,可通過冷變形方法提高強度。經冷變形產生的加工硬化,可采用固溶處理使之軟化。


                   2. 鐵素體不銹鋼

                    今年來鐵素體不銹鋼逐漸向低碳高純度發展,使鐵素體不銹鋼的脆化傾向和焊接性得到明顯改善。該類鋼在固溶狀態下為鐵素體組織。當鋼中w(Cr)超過16%時,仍存在加熱脆化傾向。在400~600℃溫度區間停留易出現475℃脆化,在650~850℃溫度區間易引起σ相析出而導致的脆化,加熱至900℃以上易造成晶粒粗化,使韌性降低。這類鋼還有脆性轉變特性,其脆性轉變溫度與鋼中碳、氮含量,熱處理時的冷卻速度以及截面尺寸有關,碳、氮含量越低,截面尺寸越小,脆性轉變溫度越低。475℃脆化和σ相析出引起的脆化,可通過熱處理方法予以消除。采用516℃以上短時加熱后空冷,可消除475℃脆化,加熱到900℃以上急冷可消除σ相脆化。


                   3. 馬氏體不銹鋼

                    馬氏體不銹鋼w(Cr)范圍在12%~18%,w(C)范圍在0.1%~1.0%,也有一些含碳量更低的馬氏體不銹鋼,如0Cr13Ni5Mo等。馬氏體不銹鋼加熱時可形成奧氏體,一般在油或空氣中冷卻即可得到馬氏體組織,含碳量較低的馬氏體不銹鋼淬火狀態的組織為板條馬氏體加少量鐵素體,如1Cr13、1Cr17Ni2、0Cr16Ni5Mo等。當w(C)超過0.3%時,正常淬火溫度加熱時碳化物不能完全固溶,淬火后的組織為馬氏體加碳化物。

                    馬氏體不銹鋼可以達到很寬的強度范圍,屈服強度可以從退火狀態下的275MPa到淬火+回火狀態下的1900MPa。對于大多數的工程應用,淬火后的鋼一般要進行回火,以得到所需的韌性和塑性。


                   4. 鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼

                    鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼室溫下的組織為鐵素體加奧氏體,通常鐵素體的體積分數不低于50%。雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼相比,具有較低的熱裂傾向,而與鐵素體不銹鋼相比,則具有較低的加熱脆化傾向,其焊接熱影響區鐵素體的粗化程度也較低。但這類鋼仍然存在鐵素體不銹鋼的各種加熱脆性傾向。


                   5. 沉淀硬化不銹鋼

                    沉淀硬化不銹鋼包括馬氏體沉淀硬化不銹鋼、半奧氏體沉淀硬化不銹鋼和奧氏體沉淀硬化不銹鋼。由于這類鋼中含有較多硬化元素,比普通奧氏體不銹鋼的焊接性差。


                  四、不銹鋼的物理性能和力學性能


                   1. 不銹鋼物理性能

                     奧氏體不銹鋼比電阻可達碳鋼的5倍,線膨脹系數比碳鋼的約大50%,而馬氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的線膨脹系數大體上和碳鋼的相等。奧氏體不銹鋼的熱導率為碳鋼的1/2左右。奧氏體不銹鋼通常是非磁性的。鉻當量和鎳當量較低的奧氏體不銹鋼在冷加工變形較大的情況下,會產生形變誘導馬氏體,從而產生磁性。用熱處理方法可消除這種馬氏體和磁性。

                   2. 不銹鋼的力學性能

                    馬氏體不銹鋼在退火狀態下,硬度最低,可淬火硬化,正常使用時的回火狀態的硬度又稍有下降。鐵素體鋼的特點是常溫沖擊韌性低。當高溫長時間加熱時,力學性能將進一步惡化,可能導致475℃脆化、σ脆性或晶粒粗大等。奧氏體不銹鋼常溫具有低的屈強比(40%~50%),伸長率、斷面收縮率和沖擊吸收功均很高并具有高的冷加工硬化性。某些奧氏體不銹鋼經高溫加熱后,會產生σ相和晶界析出碳化鉻引起的脆化現象。在低溫下,鐵素體和馬氏體不銹鋼的夏比沖擊吸收功均很低,而奧氏體不銹鋼則有良好的低溫韌性。對含有百分之幾鐵素體的奧氏體不銹鋼,則應注意低溫下塑性和韌性降低的問題。


                  五、不銹鋼的耐腐蝕性能

                   金屬受介質的化學及電化學作用而破壞的現象稱為腐蝕,不銹鋼的主要腐蝕形式有均勻腐蝕(表面腐蝕)和局部腐蝕,局部腐蝕包括晶間腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕等。據統計,在不銹鋼腐蝕破壞事故中,由均勻腐蝕引起的僅占約10%,而由局部腐蝕引起的則高達90%以上,由此可見,局部腐蝕是相當嚴重的。

                   1. 均勻腐蝕

                      均勻腐蝕是指接觸的金屬表面全部產生腐蝕的現象。檢查方法多半使用失重法。

                   2. 局部腐蝕

                    ①.  晶間腐蝕

                      在腐蝕介質作用下,起源于金屬表面沿晶界深入金屬內部的腐蝕稱為晶間腐蝕。它是一種局部性腐蝕。晶間腐蝕導致晶粒間的結合力喪失,材料強度幾乎消失,是一種很值得重視的危險的腐蝕現象。導致奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的原因很多,概括有以下幾種:

                      a.碳化鉻析出引起的晶間腐蝕

                      b.σ相析出引起的晶間腐蝕

                      c.晶界吸附引起的晶間腐蝕

                      d.穩定元素高溫溶解引起的晶間腐蝕

                    ②.  點蝕及縫隙腐蝕

                    點蝕及縫隙腐蝕的共同機理是腐蝕區間產生“閉塞電池腐蝕”作用所致,但各自的具體原因不相同。

                    點蝕是指在金屬材料表面產生的尺寸約小于1.0mm的穿孔性或蝕坑性的宏觀腐蝕。點蝕的形成主要是由于材料表面鈍化膜的局部破壞所引起的。

                    縫隙腐蝕是金屬構件縫隙處發生的斑點狀或潰瘍形宏觀蝕坑。它是以腐蝕部位的特征命名的。和點蝕形成機理有差異之點在于縫隙腐蝕主要是由介質的電化學不均勻性引起的。因此,改善運行條件、改變介質成分和結構形式是防止縫隙腐蝕的重要措施。

                    ③.  應力腐蝕斷裂(SCC)

                    應力腐蝕是指在靜拉伸應力與電化學介質共同作用下,因陽極溶解過程引起的斷裂。在應力與腐蝕介質共同作用下有三種不同類型的局部腐蝕——應力腐蝕、氫脆和腐蝕疲勞。

                   

                   
                   

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