合金元素对不锈钢组织和性能的影响

深圳莱雷

2021/04/08 15:20

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不锈钢的分类
1、按化学成分可分为：铬不锈钢、铬镍不锈钢、铬锰不锈钢、铬镍钼不锈钢以及超低碳不锈钢、高钼不锈钢、高纯不锈钢等。
2、按金相组织可分为：马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体一铁素体不锈钢等。
3、按钢的性能特点和用途分：如耐硝酸不锈钢、耐硫酸不锈钢、耐点蚀不锈钢、耐应力不锈钢、高强度不锈钢等。
4、按钢的功能特点分：如低温不锈钢、无磁不锈钢、易切削不锈钢，超塑性不锈钢等。

合金元素对不锈钢耐腐蚀性的影响
1、铬
铬是决定不锈钢耐蚀性的主要元素，铬元素是α稳定化元素。铬的氧化物比较致密，可形成耐蚀的保护膜。
2、碳
碳能强烈地稳定奥氏体，同时又是不锈钢强化的主要元素；碳与铬能形成一系列碳化物，使不锈钢的耐蚀性受到严重影响；同时碳会使不锈钢的加工性能和焊接性能变坏，使铁素体不锈钢变脆，因此在不锈钢的生产中和开发中，碳的应用和控制是一项重要的工作。
3、镍
镍是不锈钢中3个重要元素之一，镍能够提高不锈钢的耐蚀性；镍还是γ相稳定化元素，是不锈钢中获得单相奥氏体和促进奥氏体形成的主要元素。
镍含量的增加会降低C、N在奥氏体钢中的溶解度，随着镍含量的提高，产生晶间腐蚀的临界含碳量降低，即钢的晶间腐蚀敏感性增加。此外，镍还可以提高奥氏体不锈钢的高温抗氧化性能，这主要与镍改善铬的氧化膜的成分、结构和性能有关，但镍的存在会降低钢的抗高温硫化性能。
4、锰
锰是比较弱的奥氏体形成元素，但具有强烈稳定奥氏体组织的作用。锰在奥氏体不锈钢中部分替代Ni，2%Mn相当1%Ni。锰也能提高铬不锈钢在有机酸中的耐蚀性，而且比镍更有效。
5、氮
氮元素在早期主要用于Cr-Mn-N和Cr-Mn-Ni-N奥氏体不锈钢中，以节约Ni元素。近年来氮已经成为Cr-Ni奥氏体不锈钢的重要元素。
在奥氏体不锈钢中加入氮，可以稳定奥氏体组织，提高强度、耐腐蚀性能，特别是局部耐腐蚀性能，如耐晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等。
目前应用的含氮奥氏体不锈钢主要以耐腐蚀为主，同时具有较高的强度；可以分为控氮型（0.05%~0.10%N）、中氮型（0.10%~0.50%N）和高氮型（0.40%以上N）3种类型。
6、钛、铌、钼及稀土元素
钛和铌是强碳化物形成元素，可优先于铬同碳形成碳化物，防止晶间腐蚀，提高耐蚀性。钛和铌的加入必须与钢中的碳保持一定的比例。
钼能提高不锈钢的钝化能力，扩大其钝化介质范围，含钼的钝化膜在许多介质中具有很高的稳定性，不易溶解，如在热硫酸、稀盐酸、磷酸和有机酸中。
稀土元素如Ce、La、Y等加入到不锈钢中，可以微量固溶在基体中，净化晶界，均匀组织，减少析出物的析出及在晶界的偏聚，从而改善钢的耐腐蚀性和力学性能。

腐蚀介质对不锈钢耐蚀性的影响
金属的耐蚀性不仅与金属材料本身有关，还与腐蚀介质的种类、浓度、温度及压力等腐蚀环境的条件有关。在实际的应用中，腐蚀介质的氧化能力影响较大，因此要根据工作介质的特点来正确选择使用不锈钢的钢种。
在大气、水、水蒸气等弱腐蚀介质中，只要不锈钢基体的Cr含量大于13%，就能够保证不锈钢的耐蚀性。如水压机阀门、蒸汽发电机透平叶片、水蒸气管道等部件。
在氧化性介质中，如硝酸，硝酸的NO3-具有强的氧化性，不锈钢表面的氧化膜容易形成，钝化时间短。因此只有含高铬的氧化膜在硝酸中才具有很好的稳定性。在沸腾的硝酸中，12Cr13不锈钢不耐蚀，铬含量为17%~30%的Cr17、Cr30钢在浓度为0%~65%范围内的硝酸中是耐蚀的。
在非氧化性介质中，如稀硫酸、盐酸、有机酸，这类腐蚀介质的含氧量低，钝化所需时间要延长。当介质中含氧量低到一定程度时，不锈钢就不能钝化。如在稀硫酸中，基本上没有使钢钝化的能力，铬不锈钢的腐蚀速度甚至比碳钢还快，所以一般的Cr不锈钢或Cr-Ni不锈钢难以达到钝化状态，因而不耐腐蚀。因此，在这类介质中工作的不锈钢需要加入提高钢钝化能力的元素，如钼、铜等元素。盐酸也是非氧化性酸，不锈钢在其中也不耐腐蚀，一般需采用Ni-Mo合金，在合金表面生成稳定的保护膜，保证合金不被腐蚀。
在强有机酸中，由于介质中氧含量低，同时又有H+存在，一般铬和铬镍不锈钢难以钝化，必须在钢中加入Mo、Cu、Mn等元素，提高不锈钢的钝化能力。所以选择Cr-Mn型不锈钢较好，在此基础上再加入一定量的Mo、Cu使钢容易钝化，耐腐蚀。
在含有Cl-的介质中，Cl-容易破坏不锈钢表面的氧化膜，穿过氧化膜并与钢表面起作用，使钢产生点腐蚀。因此海水对不锈钢有很大的腐蚀性。
实际上，还没有哪一种不锈钢能够抵抗所有介质的腐蚀。所以必须根据具体的腐蚀环境，结合各类不锈钢的特点，综合考虑选择不锈钢。