不銹鋼的性能和組織

1、不銹鋼的性能和組織 形成不銹鋼的性能和組織，主要是由各種元素決定的。目前，已知的化學元素有一 百余種，對不銹鋼的性能與組織影響最大的元素有：碳、鉻、鎳、錳、氮、鈦、鈮、鉬、 銅、鋁、硅、釩、鎢、硼等十多種。由于這些元素的加入，導致鋼的內(nèi)部組織發(fā)生變化, 從而使鋼具有特殊的性能。為了加深對不銹鋼的理解，我們有必要先了解一下各種元素 對不銹鋼的性能和組織的影響。 1鉻一一是構(gòu)成不銹鋼的基本元素。 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，保護鋼免受外界介質(zhì)進一步氧化

2、浸蝕；鉻還能有效地提高鋼的 電極電位。當含鉻量不低于12.5%原子時，可使鋼的電極電位發(fā)生突變，由負電位升到正的 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。當含鉻量 達到25%、37.5%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。 2鎳一一單獨不能構(gòu)成不銹鋼 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。因為，低炭鎳鋼 要獲得純奧氏體組織，含鎳量需達 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，鎳不能單獨構(gòu)成不銹鋼。而在含鉻18%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，并可以提高鋼對非氧

3、化性介質(zhì)（如：稀硫 酸、鹽酸、磷酸等）的耐蝕性， 并能改善鋼的焊接和冷彎等的工藝性能。 3. 錳和氮可代替鉻鎳不銹鋼中的鎳 錳和氮在不銹鋼中有鎳相仿的作用。錳的穩(wěn)定奧氏體作用為鎳的二分之一，而氮的 作用比鎳大很多，約為鎳的40倍左右。因而錳和氮可代鎳獲得單一的奧氏體組織。但 錳 的加入會使含鉻低的不銹鋼耐蝕性降低。同時，高錳奧氏體鋼不易加工。因此，在不銹 鋼中不單獨使用錳，只用部分代替鎳。 4. 碳在不銹鋼中具有兩重性 碳在不銹鋼中的含量及其分布的形式，在很大程度上左右著不銹鋼的性能和組織： 一方面碳是穩(wěn)定奧氏體元素，并作用的程度很大，約為鎳的30倍，含碳量高的（馬氏體） 不銹鋼，完全可以接受

4、淬火強化，從而在機械性能方面可大大提高它的強度；另一方面 由于碳和鉻的親和力很大，在不銹鋼中要占用十七倍碳量的鉻與它結(jié)合成碳化鉻。隨著 鋼中含碳量的增加，則與碳形成碳化物的鉻越多，從而顯著降低鋼的耐蝕性。所以，從 強度與耐腐蝕性能兩方面來看，碳在不銹鋼中的作用是互相矛盾的。在實際應(yīng)用中，為 了達到耐腐蝕的目的，不銹鋼的含碳量一般較低，在大多在0.1%左右，為了進一步提高 鋼的耐腐蝕能力，特別是抗晶間腐蝕的能力，常采用超低碳的不銹鋼，含碳量在0.03% 甚至更低；但用于制造滾動軸承、彈簧、工具等不銹鋼，由于要求有高的硬度和耐磨性， 因而含碳量較高，一般均在 0.851.00%之間。女口 9Cr1

5、8鋼等。 5. 鈦和鈮能防止不銹鋼的晶間腐蝕 不銹鋼加熱到450800C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)，導致晶界附近的電極電位下降引起電化學腐蝕。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)含碳量而定，一般為：鈦的加入量為含碳量的5 倍，鈮為碳的 8倍 6鉬

6、和銅能提高某些不銹鋼對某些介質(zhì)的耐腐蝕性能 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。 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。 7硅和鋁能提高不銹鋼的抗氧化能力 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%鉻鋼相等。如使鋼在1000C能抵抗氧化，含

7、0.5%硅時需要22%的鉻，如加入2.5 3%的硅以后，只需要 12%的鉻就可以了。 有資料還介紹， 向 Cr15Ni20 的鉻鎳鋼中加 2.5% 的硅，抗氧化性能可相當 Cr15Ni60 的鉻鎳合金。 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。最主要的是它使鋼的 晶粒 粗化和脆性傾向增大 。 8鎢和釩加入鋼中，其主要作用是提高 鋼的熱強性 。 9硼 高鉻鐵素體不銹鋼（ Cr17MO2Ti ）中加 0.005%的硼，可使鋼在沸騰的

8、65%醋酸中的 耐腐蝕性能提高；奧氏體不銹鋼中加入微量（ 0.00060.0007%）的硼，可使鋼的熱態(tài)塑 性改善；硼對提高鋼的熱強性有良好的作用，可使不銹鋼的熱強性顯著提高；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 。 1 0除以上元素外， 有些不銹鋼中還分別加入稀有金屬元素和稀土元素以改善鋼的性能。 以上談到了構(gòu)成不銹鋼的基本元素鉻，和影響不銹鋼組織、性能的重要元素 碳，以及改善不銹鋼性能和組織的添加元素鎳、錳、氮、鈦、鈮、鉬、銅、硅、 鋁、鎢、釩、硼等十多個元素。在工業(yè)上實際應(yīng)用的不銹鋼，很多鋼中同時存在著幾種 至十幾種合金元素，

9、當幾種元素共存于不銹鋼這一統(tǒng)一體中時，決定不銹鋼組織的是各 種元素影響的總和。 各種元素對不銹鋼組織的影響，根據(jù)其共同性，概括起來，基本上分屬于兩大類： 一類是形成或穩(wěn)定奧氏體的元素，它們是 碳、鎳、錳、氮、銅、以碳和氮的作用程度最 大；另一類是形成鐵素體的元素，它們是 鉻、鎢、鉬、鈮、硅、鈦、釩、鋁 等，這一類 元素形成鐵素體的作用，如以鉻為 1 來加以比較，其他元素的作用都比鉻大。 這兩類元素共存于不銹鋼中時，不銹鋼的組織就取決于他們互相影響的結(jié)果。如果 穩(wěn)定奧氏體的元素的作用居于主要方面的話，不銹鋼的組織就以奧氏體為主，很少以至 沒有鐵素體；如果他們的作用程度還不能使鋼的奧氏體保持至室溫

10、的話，這種不穩(wěn)定的 奧氏體在冷卻時即發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，鋼的組織則為馬氏體；如果形成鐵素體的元素的作 用成為主要方面的話，鋼的組織則以鐵素體為主。 不銹鋼的性能除工藝因素外，主要取決于其內(nèi)部組織的構(gòu)成，而構(gòu)成不銹鋼組織的 是各種合金元素在鋼中的總和。因此說，不銹鋼的性能，歸根到底主要是由合金元素決 定的。 只含有鉻元素的不銹鋼，人們通常稱它為“不銹鐵”，工業(yè)上稱它為“鉻不銹鋼”。 這類鋼都具有磁性，他們的金相組織為鐵素體、馬氏體或鐵素體、馬氏體為主體的復相 組織。這類鋼具有抵抗大氣及弱腐蝕介質(zhì)的能力， 或有更高的耐腐蝕性能與抗氧化性能， 或可淬火使用。 但他們的機械性能或工藝性能較差， 幾乎沒有焊

11、接性能等等的不足之處。 這類鋼遠不能滿足工業(yè)用鋼的特殊要求。 在鉻級不銹鋼的基體中， 加入適量的鎳元素。 如在含鉻 18%的低炭（ 0.12%以下的炭） 的鐵素體鋼中加入 8%的鎳后，在常溫下可獲得最理想的純奧氏體組織， 這種鋼就是人們 通常所稱的無磁性的不銹鋼。這類鉻鎳不銹鋼與相同含鉻量的鐵素體或馬氏體耐酸不銹 鋼比較，不僅具有更高的耐腐蝕性能，更重要提他們具有良好的冷變形使之硬化的性能 和焊接性能， 在常溫或低溫下均具有很高的塑性和沖擊韌性， 不具磁性等等的優(yōu)良性能 。 這類不銹鋼的缺點是 機械性能比較低，對晶間腐蝕及應(yīng)力腐蝕比較敏感，但通過適量的 合金添加劑或工藝措施，就能改善或消除 。

12、 鉻級不銹鋼的基本中， 添加以錳為主要合金元素的不銹鋼。 就是人們通常所講的 “鉻 錳氮”不銹鋼。這類不銹鋼除強度比鉻鎳鋼為高外，其他如耐腐蝕性和工藝性能等都不 如鉻鎳奧氏體不銹鋼好。 生產(chǎn)這類不銹鋼除個別情況下， 主要是為了節(jié)約昂貴的鎳元素， 所以這類鋼又叫節(jié)鎳不銹鋼。 1腐蝕原理 （ 1）化學腐蝕 化學腐蝕是指金屬與周圍介質(zhì)直接接觸產(chǎn)生化學反應(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，則該膜具有保護作用，稱 之為氧化膜。反之

13、，將使金屬逐漸被腐蝕直至破壞。因而，提高金屬耐化學腐蝕的能力，主要通過合 金化或其它方法，使金屬表面形成一層鈍化膜。 （2）電化學腐蝕 電化學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腐蝕。 電極電位低的金屬作為陽極而被腐 蝕。 在同一種金屬或合金中， 也有可能產(chǎn)生電化學腐蝕。原因： 主要是由于化學成分不均勻，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

14、滲 碳體。當電解質(zhì)溶液（如硝酸酒精溶液）存在時，鐵素體作為陽極被腐蝕。 F ：陽極， 電極電位低，失去電子被腐蝕； Fe3C ：陰極， 電極電位高，不腐蝕； 2防止措施 主要是合金化，添加 Cr、Ni、Si、Al、Mo 、Ti、Nb 等合金元素。其作用： （ 1）加入 Cr 元素，提高基體的電極電位。當鉻含量為 12左右時，合金的電極電位由 -0.56V t + 0.2V，不銹鋼中鉻的含量都在 12 %以上。 （2）使鋼在使用態(tài)為單相組織，避免形成微電池。 鐵素體不銹鋼中WCr 17% ，使用態(tài)為單相 F； 奧氏體有銹鋼中WNi 9%，使用態(tài)為單相 A。 （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、 Al 2O3。 （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。 不銹鋼根據(jù)其結(jié)構(gòu)（金相組織），通常分以下三類： （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。這類鋼總是有磁性的。 （2）馬氏體的這類不銹鋼除個別的鋼號含有少量的鎳外，大多數(shù)鋼號只含有 鉻，其優(yōu)點是熱處理能使之硬化。這類鋼總是帶有磁性的。 （3）奧氏體的即含有鉻鎳或鉻鎳錳或鉻錳氮等元素的不銹鋼。這