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不锈钢种类、化学成分、耐腐蚀性能及其特点与用途
发布者:不锈钢管厂(www.zjhstg.com) 发布时间:2022/6/12 阅读:233

  不锈钢是指主加元素铬含量能使钢处于钝化状态,又具有不锈特性的钢。为此,不锈钢w(Cr)应高于12%(不锈钢是一类以Fe-Cr、Fe-Cr-C、Fe-Cr-Ni为合金系的高合金钢,作为此类的钢必须含有质量分数不低于10.5%的铬,含有这个最低铬含量的钢在其表面可以形成一个惰性氧化物层,这个惰性氧化物层可以保护内层的金属在不含腐蚀介质的空气中不被氧化和腐蚀。某些铬的质量分数低于11%的钢,比如用于电站的w(Cr)=9%铬的合金钢有时也被划为不锈钢,同时也要指出某些w(Cr)=12%的钢,甚至更高铬含量的钢,暴露在空气中也会生锈。这是因为某些铬被结合成碳化物或其他化合物而降低了母材中的铬含量,使其低于形成连续氧化物保护层所必须的铬含量水平,如25%Cr-4%C)。此时,钢的表面能迅速形成致密的Cr2O3氧化膜,使钢的电极电位和在氧化性介质中的耐蚀性发生突变性提高。在非氧化介质(HCl、H2SO4)中,铬的作用并不明显,除了铬外,不锈钢中还须加入能使钢钝化的镍、钼等其它元素。通常所说的不锈钢实际是不锈钢和耐酸钢的总称,不锈钢一般泛指在大气、水等弱酸、碱、盐等强腐蚀介质中耐蚀的钢。两者在化学成分上的共同特点是w(Cr)均在12%以上,但由于合金化的差异,不锈钢并不一定耐酸,而耐酸钢一般具有良好的不锈钢性能。


一、不锈钢发展史

  1、 1821:法国人Berthier 进行在钢中加铬的试验;

  2、 1897:德国人Goldschmidt开发了生产低碳含铬合金钢的技术;

  3、 1904~1909:在法国和德国生产了w(Cr)=13%和17%的合金钢;

  4、 1913:英国人Brearly在Thomas Firth and Sons公司浇铸了第一块商业铸锭,铸件号No.1008,成分(质量分数):0.24%C、0.2%Si、0.44%Mn、12.86%Cr。

  5、 1916:9月5日美国w(Cr)=9%~16%,w(Cr)<0.7%的钢发布专利:专利号1,197,256。

  把铬加到钢中并揭示其耐腐蚀的有利效应要归功于法国人Berthier,他在1821年开发了一种w(Cr)=1.5%的合金并建议用于餐刀。然而对这种钢的早期实验发现:随铬含量增加其成型性剧烈变坏(由于早期合金的碳含量很高),因而直到20世纪初期开发这种钢的兴趣仍然不大。对于耐蚀钢的兴趣在1900年到1915年期间又重新兴起,很多冶金学家为开发耐蚀钢而获得信贷。这各重新兴起开发耐蚀钢活动的催化剂是1897年Goldschmidt在德国开发了生产低碳含铬合金钢的技术。随后不久Guillet(1904), Portevin(1909) 和Giesen(1909)等发表了描述w(Cr)=13%的马氏体不锈钢和w(Cr)=18%的铁素体不锈钢的微观组织和性能的论文。1909年Guillet还发表了一篇关于铬-镍钢研究的论文,这种钢的奥氏体类不锈钢的前驱。

  英国人Brearly被认为是不锈钢的发明者,当时是为了研究由w(Cr)=5%钢制作的来复枪枪膛因内部腐蚀而失效的问题,通过研究在1913年8月他铸成了成份(质量分数)为12.86%Cr, 0.25%C, 0.20%Si, 和0.44%Mn的合格铸锭。这种钢被用来制造了12个实验枪管,虽然并没有像所期望的那样改进枪管的腐蚀问题,但其中某些材料被用来制造餐刀刀片而开始了应用不锈钢的纪元。

 

二、不锈钢的种类、化学成分及其用途

  不锈钢按照组织类型,可分为五类,即铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢。

  不锈钢的重要特性之一是耐蚀性,然而不锈钢的不锈性和耐蚀性都是相对的,有条件的,受到诸多因素的影响,包括介质种类、浓度、纯净度、流动状态、使用环境的温度、压力等,目前还没有对任何腐蚀环境都具有耐蚀性的不锈钢。因此,不锈钢的选用应根据具体的使用条件加以合理选择,才能获得良好的使用效果。

  奥氏体不锈钢在各种类型不锈钢中应用最广泛,品种也最多。由于奥氏体不锈钢的铬、镍含量较高,因此在氧化性、中性以及弱还原性介质中均具有良好的耐蚀性。奥氏体不锈钢的塑韧性优良,冷热加工性能俱佳,焊接性优于其它类型不锈钢,因而广泛应用于建筑装饰、食品工业、医疗器械、纺织印染设备以及石油、化工 、原子能等工业领域。

  铁素体不锈钢的应用比较广泛,其中Cr13和Cr17型铁素体不锈钢主要用于腐蚀环境不十分苛刻的场合,例如室内装饰、厨房设备、家电产品、家用器具等。超低碳高铬含钼铁素体不锈钢因对氯化物应力腐蚀不敏感,同时具有良好的耐点蚀、缝隙腐蚀性能,因而广泛用于热交换设备、耐海水设备、有机酸及制碱设备等。

 马氏体不锈钢应用较为普遍的是Cr13型马氏体不锈钢。为获得或改善某些性能,添加镍、钼等合金元素,形成一些新的马氏体不锈钢。马氏体不锈钢主要用于硬度、强度要求较高,耐腐蚀要求不太高的场合,如量具、刀具、餐具、弹簧、轴承、气轮机叶片、水轮机转轮、泵、阀等。

 双相不锈钢是金相组织由奥氏体和铁素体两相组成的不锈钢,而且各相占有较大的比例。双相不锈钢具有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的一些特点,韧性良好 、强度较高,耐氯化物应力腐蚀。适于制作海水处理设备、冷凝器,热交换器等,在石油、化工领域应用广泛。

 沉淀硬化不锈钢是在不锈钢中单独或复合添加硬化元素,通过适当热处理获得高强度、高韧性并具有良好腐蚀性的一类不锈钢。通常作为耐磨、耐蚀、高强度结构件,如轴、齿轮、叶片等转动部件和螺栓、销子、垫圈、弹簧、阀、泵等零部件以及高强度压力容器、化工处理设备等。

 

三、不锈钢的组织特点

 因化学元素含量的上下限和热处理状态的差异,从各元素对不锈钢组织的影响和作用程度来看,基本上有两类元素。一类是形成或稳定奥氏体的元素:碳、镍、锰、氮和铜等,其中碳和氮作用程度最大。另一类是缩小甚至封闭γ相区即形成铁素体的元素:铬、硅、钼、钛、铌、钽、钒、钨和铝等,其中铌的作用程度最小。

 不锈钢的组织有以下几种组织类型:


 1. 奥氏体不锈钢

  奥氏体不锈钢有Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Ni-Mo、Fe-Cr-Ni-Mn等系列。为改善某些性能,满足特殊用途要求,在一些钢中单独或复合添加了氮、铌、铜、硅等合金元素。奥氏体不锈钢通常在室温下为纯奥氏体组织,也有一些奥氏体不锈钢室温下的组织为奥氏体加少量铁素体,这种少量铁素体有助于防止热裂纹的产生。奥氏体不锈钢不能用热处理方法强化,但由于这类钢具有明显的冷加工硬化性,可通过冷变形方法提高强度。经冷变形产生的加工硬化,可采用固溶处理使之软化。


 2. 铁素体不锈钢

  今年来铁素体不锈钢逐渐向低碳高纯度发展,使铁素体不锈钢的脆化倾向和焊接性得到明显改善。该类钢在固溶状态下为铁素体组织。当钢中w(Cr)超过16%时,仍存在加热脆化倾向。在400~600℃温度区间停留易出现475℃脆化,在650~850℃温度区间易引起σ相析出而导致的脆化,加热至900℃以上易造成晶粒粗化,使韧性降低。这类钢还有脆性转变特性,其脆性转变温度与钢中碳、氮含量,热处理时的冷却速度以及截面尺寸有关,碳、氮含量越低,截面尺寸越小,脆性转变温度越低。475℃脆化和σ相析出引起的脆化,可通过热处理方法予以消除。采用516℃以上短时加热后空冷,可消除475℃脆化,加热到900℃以上急冷可消除σ相脆化。


 3. 马氏体不锈钢

  马氏体不锈钢w(Cr)范围在12%~18%,w(C)范围在0.1%~1.0%,也有一些含碳量更低的马氏体不锈钢,如0Cr13Ni5Mo等。马氏体不锈钢加热时可形成奥氏体,一般在油或空气中冷却即可得到马氏体组织,含碳量较低的马氏体不锈钢淬火状态的组织为板条马氏体加少量铁素体,如1Cr13、1Cr17Ni2、0Cr16Ni5Mo等。当w(C)超过0.3%时,正常淬火温度加热时碳化物不能完全固溶,淬火后的组织为马氏体加碳化物。

  马氏体不锈钢可以达到很宽的强度范围,屈服强度可以从退火状态下的275MPa到淬火+回火状态下的1900MPa。对于大多数的工程应用,淬火后的钢一般要进行回火,以得到所需的韧性和塑性。


 4. 铁素体-奥氏体双相不锈钢

  铁素体-奥氏体双相不锈钢室温下的组织为铁素体加奥氏体,通常铁素体的体积分数不低于50%。双相不锈钢与奥氏体不锈钢相比,具有较低的热裂倾向,而与铁素体不锈钢相比,则具有较低的加热脆化倾向,其焊接热影响区铁素体的粗化程度也较低。但这类钢仍然存在铁素体不锈钢的各种加热脆性倾向。


 5. 沉淀硬化不锈钢

  沉淀硬化不锈钢包括马氏体沉淀硬化不锈钢、半奥氏体沉淀硬化不锈钢和奥氏体沉淀硬化不锈钢。由于这类钢中含有较多硬化元素,比普通奥氏体不锈钢的焊接性差。


四、不锈钢的物理性能和力学性能


 1. 不锈钢物理性能

   奥氏体不锈钢比电阻可达碳钢的5倍,线膨胀系数比碳钢的约大50%,而马氏体不锈钢和铁素体不锈钢的线膨胀系数大体上和碳钢的相等。奥氏体不锈钢的热导率为碳钢的1/2左右。奥氏体不锈钢通常是非磁性的。铬当量和镍当量较低的奥氏体不锈钢在冷加工变形较大的情况下,会产生形变诱导马氏体,从而产生磁性。用热处理方法可消除这种马氏体和磁性。

 2. 不锈钢的力学性能

  马氏体不锈钢在退火状态下,硬度最低,可淬火硬化,正常使用时的回火状态的硬度又稍有下降。铁素体钢的特点是常温冲击韧性低。当高温长时间加热时,力学性能将进一步恶化,可能导致475℃脆化、σ脆性或晶粒粗大等。奥氏体不锈钢常温具有低的屈强比(40%~50%),伸长率、断面收缩率和冲击吸收功均很高并具有高的冷加工硬化性。某些奥氏体不锈钢经高温加热后,会产生σ相和晶界析出碳化铬引起的脆化现象。在低温下,铁素体和马氏体不锈钢的夏比冲击吸收功均很低,而奥氏体不锈钢则有良好的低温韧性。对含有百分之几铁素体的奥氏体不锈钢,则应注意低温下塑性和韧性降低的问题。


五、不锈钢的耐腐蚀性能

 金属受介质的化学及电化学作用而破坏的现象称为腐蚀,不锈钢的主要腐蚀形式有均匀腐蚀(表面腐蚀)和局部腐蚀,局部腐蚀包括晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀等。据统计,在不锈钢腐蚀破坏事故中,由均匀腐蚀引起的仅占约10%,而由局部腐蚀引起的则高达90%以上,由此可见,局部腐蚀是相当严重的。

 1. 均匀腐蚀

    均匀腐蚀是指接触的金属表面全部产生腐蚀的现象。检查方法多半使用失重法。

 2. 局部腐蚀

  ①.  晶间腐蚀

    在腐蚀介质作用下,起源于金属表面沿晶界深入金属内部的腐蚀称为晶间腐蚀。它是一种局部性腐蚀。晶间腐蚀导致晶粒间的结合力丧失,材料强度几乎消失,是一种很值得重视的危险的腐蚀现象。导致奥氏体不锈钢晶间腐蚀的原因很多,概括有以下几种:

    a.碳化铬析出引起的晶间腐蚀

    b.σ相析出引起的晶间腐蚀

    c.晶界吸附引起的晶间腐蚀

    d.稳定元素高温溶解引起的晶间腐蚀

  ②.  点蚀及缝隙腐蚀

  点蚀及缝隙腐蚀的共同机理是腐蚀区间产生“闭塞电池腐蚀”作用所致,但各自的具体原因不相同。

  点蚀是指在金属材料表面产生的尺寸约小于1.0mm的穿孔性或蚀坑性的宏观腐蚀。点蚀的形成主要是由于材料表面钝化膜的局部破坏所引起的。

  缝隙腐蚀是金属构件缝隙处发生的斑点状或溃疡形宏观蚀坑。它是以腐蚀部位的特征命名的。和点蚀形成机理有差异之点在于缝隙腐蚀主要是由介质的电化学不均匀性引起的。因此,改善运行条件、改变介质成分和结构形式是防止缝隙腐蚀的重要措施。

  ③.  应力腐蚀断裂(SCC)

  应力腐蚀是指在静拉伸应力与电化学介质共同作用下,因阳极溶解过程引起的断裂。在应力与腐蚀介质共同作用下有三种不同类型的局部腐蚀——应力腐蚀、氢脆和腐蚀疲劳。

 

 
 

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