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不鏽鋼材料中的各種元(yuán)素及其作用:
1.鉻——是(shì)構成不(bú)鏽鋼的基本元素。 鉻是(shì)決定不鏽鋼耐腐蝕性能的最(zuì)基本元素。在氧化性介質中,鉻能使鋼的表麵很快形成 一層實(shí)際為(wéi)腐蝕(shí)介質不能透過和不溶(róng)解(jiě)的富鉻的氧化膜, 這層氧化膜很致(zhì)密, 並與金屬基本 結合得很牢固,保護鋼免受外界(jiè)介質進一步氧化浸蝕;鉻還能(néng)有效地提高鋼的(de)電(diàn)極電位。當 含鉻量不低於 12.5%原子時,可使鋼(gāng)的電極(jí)電位發生突變,由負電位升到正的電(diàn)極電位。因而 可顯著提高(gāo)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,會發生第二次第三次的突變,使(shǐ)鋼具有更高的耐腐蝕性能。
2.鎳——單(dān)獨不能構成不鏽鋼 鎳對不鏽鋼耐腐蝕的影響(xiǎng),隻有它與鉻配合(hé)時才能充分顯示出來。因(yīn)為,低炭鎳鋼要獲 得純奧氏體組織,含鎳量需達 24%;要使鋼在某些介質中(zhōng)的耐腐蝕(shí)性能顯著改變,含(hán)鎳量 需在 27%以上。所以,鎳不能單獨構成不鏽鋼。而在含鉻 18%的鋼中(zhōng)加入(rù) 9%的鎳(niè),就能 使鋼在常溫下獲得單一奧氏體組織,並可以(yǐ)提高鋼(gāng)對非氧化性介質(如:稀、、磷酸(suān)等(děng))的 耐蝕性,並能改善鋼的焊接和冷(lěng)彎等(děng)的工藝性(xìng)能。
3.錳和氮——可代替鉻鎳不鏽鋼中的鎳 錳和氮在不鏽鋼中有鎳相仿的(de)作用。錳的穩定奧氏體作用為鎳的二分之一(yī),而氮的作 用比鎳大很多(duō),約為鎳的 40 倍(bèi)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(gè)低的不鏽鋼耐蝕性降低(dī)。同時,高錳(měng)奧氏體鋼不易加工(gōng)。因此,在不鏽鋼中不單 獨使用錳,隻(zhī)用部分代替鎳(niè)。
4.碳(tàn)——在不鏽鋼中具有兩(liǎng)重性 碳(tàn)在不鏽鋼(gāng)中的含量及其分布的形式,在很(hěn)大程度上左(zuǒ)右著(zhe)不鏽鋼的性能和組織:一方 麵碳是穩定奧氏體元素,並作用的程度很大,約(yuē)為鎳的 30 倍,含碳量高的(馬氏體)不鏽 鋼,完全(quán)可以接受淬火強化,從而在機(jī)械性能方麵可大大(dà)提高它的強度;另一方麵由於碳和 鉻的親和力很大, 在(zài)不鏽鋼中要占(zhàn)用十七倍碳量的鉻(gè)與(yǔ)它結合成碳化鉻(gè)。 隨著鋼中含碳量的 增(zēng)加,則與(yǔ)碳形成碳化物的鉻越多,從而顯著降低鋼的耐蝕性。所(suǒ)以,從強度與耐腐蝕性能 兩方麵來看(kàn),碳在不(bú)鏽鋼中的作用是互相矛盾的。在實(shí)際應用中,為了達(dá)到耐腐蝕(shí)的目的, 不(bú)鏽鋼的含(hán)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(néng)力,特別是 抗晶間腐蝕(shí)的能力,常采用超低(dī)碳的不鏽鋼,含碳量(liàng)在 0.03%甚至更低;但用於(yú)製造滾動 軸承、彈簧、工具等(děng)不鏽鋼,由於要求有高的硬度和耐磨性,因而含(hán)碳量較高,一般均在 0. 85~1.00%之間。如 9Cr18 鋼等。
5.鉬和銅——能提高(gāo)某些不鏽鋼對某些介質的耐腐蝕性能 鉬和銅(tóng)能提高不鏽(xiù)鋼對、醋酸等腐蝕介質的耐蝕能力。鉬還能顯著提(tí)高對含氯(lǜ)離子的介 質(如)以及有機酸中的耐蝕能力。但含(hán)鉬的不鏽鋼(gāng)不宜在硝酸中應用,含鉬的(de)不鏽鋼在沸 騰的 65%硝(xiāo)酸中的腐蝕速度比不含鉬的增加一倍;銅加入鉻錳氮不(bú)鏽(xiù)鋼中,會加速不鏽(xiù)鋼 的晶間腐蝕。 鉬(mù)對鋼獲得單一奧氏體(tǐ)組織有不利影響,因此在含鉬鋼(gāng)中,為了使鋼在熱處(chù)理後具有單 一的(de)奧氏體(tǐ)組織。鎳在錳等元素的含量要相應的提高。
6.矽和鋁(lǚ)——能提高不(bú)鏽鋼的抗氧化能(néng)力 矽對提高鉻鋼抗氧化能力的作用很顯著,含 5%鉻及 1%矽的鋼,抗氧化的(de)能力可與 12% 鉻(gè)鋼相等。如使鋼在(zài) 1000℃能(néng)抵(dǐ)抗氧化,含 0.5%矽時需要 22%的鉻,如加入 2.5~3%的 矽(guī)以後,隻(zhī)需要 12%的鉻就可(kě)以了。有資料還介紹,向 Cr15Ni20 的鉻鎳鋼中加 2.5%的矽, 抗氧化(huà)性能(néng)可相(xiàng)當 Cr15Ni60 的(de)鉻鎳合金。 向高鉻鋼(gāng)中加鋁也能使抗氧(yǎng)化性能顯著提高,它的作用與加矽的功能相仿。 向高鉻鋼中加矽和鋁的目的: 一是為了進(jìn)一步提高鋼的抗氧化性能, 二是為了(le)節約(yuē)用鉻(gè)。 矽和鋁對提高鉻鋼抗氧化(huà)性能的作用雖(suī)然很大,但也有很多缺點。最主要的是它使鋼(gāng)的 晶粒粗化(huà)和脆(cuì)性傾向增大。
7.鎢和釩加入鋼中,其主要作用(yòng)是提高鋼的熱強性。
8.硼(péng) 高鉻鐵素體(tǐ)不鏽鋼(Cr17MO2Ti)中(zhōng)加 0.005%的(de)硼,可使鋼在沸騰的 65%醋酸(suān)中的耐 腐蝕性能提高;奧氏體不(bú)鏽鋼中(zhōng)加入微量(0.0006~0.0007%)的硼,可使鋼的熱態塑性改 善;硼對提高鋼的熱強性有良好(hǎo)的(de)作用,可使不(bú)鏽鋼的熱強性(xìng)顯著(zhe)提高;含硼的鉻鎳(niè)奧氏體(tǐ) 不(bú)鏽鋼在原子能工業(yè)中有著(zhe)特殊的(de)用途。 但不鏽鋼中含硼會使鋼的塑性和衝擊韌性降低。
9.除以上元素外,有些不鏽鋼中還分(fèn)別加入稀(xī)有金屬元素和稀土元素以改善鋼 的性能。 以上談到了構成不鏽鋼的基本元素(sù)——鉻,和影響不鏽鋼組織、性能(néng)的重要元(yuán)素——碳, 以及改善不鏽鋼性能和(hé)組織的添加(jiā)元素——鎳、錳、氮、鈦、铌、鉬、銅、矽、鋁、鎢、釩、 硼等十多個元素。 在工業上實際應用的不鏽鋼, 很(hěn)多鋼中同(tóng)時存在著幾種至十幾種合金元素, 當幾種元素共存於不鏽鋼這一統(tǒng)一體中時,決定不(bú)鏽鋼組織的是各種元素影響的總(zǒng)和。 各種元素對不鏽鋼組織的影響,根據其共同性,概括起來(lái),基(jī)本上分屬於兩大類:一類 是形成或(huò)穩定奧氏體的元(yuán)素,它們是碳、鎳、錳、氮、銅、以碳和氮的作(zuò)用程度最(zuì)大;另一 類是形成鐵素體的元素,它們是鉻(gè)、鎢(wū)、鉬、铌、矽、鈦、釩、鋁等(děng),這(zhè)一類元素形成(chéng)鐵素 體的作用,如以鉻為 1 來加以比較(jiào),其他元素的作用都比(bǐ)鉻大。 這兩類元素共(gòng)存於不鏽(xiù)鋼中時,不鏽(xiù)鋼的組(zǔ)織就取決於他們互相影(yǐng)響的結果。如果穩定 奧(ào)氏體的元素的作用居於(yú)主要方麵的話, 不鏽鋼的組織就以奧氏體為主, 很少以至沒有鐵素 體(tǐ); 如果他們的作用程度還不(bú)能使鋼的奧氏體保持至室溫的(de)話, 這種不穩定的奧氏(shì)體在冷卻 時即發生馬氏體轉變, 鋼的組織則為馬氏體; 如果(guǒ)形成鐵素體的元素的作用成(chéng)為主要方(fāng)麵的 話(huà),鋼的組織則以鐵素體為主。 不鏽鋼的性能除工(gōng)藝因素外,主要取決於其內部組織的構成,而構成不鏽(xiù)鋼組織的是各 種合金元素在鋼中的總和。因此說,不鏽鋼的性能,歸根到底主(zhǔ)要(yào)是由合金元素決定的。 隻含有鉻元素的不鏽鋼,人們(men)通常稱它為“不鏽鐵”,工業(yè)上稱它為“鉻不(bú)鏽鋼”。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(de)複相組織。這類鋼 具有抵(dǐ)抗大氣及(jí)弱腐蝕介質的(de)能力,或有更高(gāo)的耐腐蝕性能與抗氧化性能(néng),或(huò)可淬(cuì)火使用。 但他們的機械性能或工藝性能較差, 幾乎沒有焊接(jiē)性能等等的(de)不(bú)足之處。 這(zhè)類鋼遠不(bú)能滿足 工業用(yòng)鋼的特(tè)殊要求。 在鉻級不鏽鋼的基體中(zhōng),加入適量的鎳元素。如(rú)在含鉻 18%的低炭(0.12%以下的(de)炭) 的鐵素體鋼中加入(rù) 8%的鎳後,在(zài)常溫下(xià)可獲得最理想(xiǎng)的純奧氏體(tǐ)組織,這種鋼就是人們通 常所稱的無磁性的不鏽鋼。這類鉻鎳不(bú)鏽鋼與相同(tóng)含鉻量的鐵素體或馬氏體(tǐ)耐酸不鏽鋼比 較, 不(bú)僅具有更高的耐腐蝕性能, 更重要提他們具有(yǒu)良好的冷變形使之硬化的性能和焊接性 能,在常溫或低(dī)溫下均具有很高的塑性和衝擊韌性(xìng),不具磁性等(děng)等的(de)優(yōu)良性能。這類不鏽(xiù)鋼(gāng) 的缺點是機械性能比較(jiào)低, 對晶間腐蝕及(jí)應力腐蝕比較敏感, 但通過適量的合金添(tiān)加(jiā)劑或工 藝措施,就能改善(shàn)或消除。 在鉻級不鏽鋼的基本中(zhōng),添加以(yǐ)錳為主要合(hé)金元素的不鏽鋼(gāng)。就是人們通常所講的“鉻錳 氮”不鏽鋼。這類不鏽鋼除(chú)強(qiáng)度比鉻鎳鋼為高外,其他如耐(nài)腐(fǔ)蝕性和工藝性能等都不如鉻鎳 奧氏體不鏽鋼好。生產這(zhè)類不鏽鋼除個別情況下,主要是為了(le)節約昂貴的鎳元素,所以這類 鋼又叫節鎳(niè)不鏽鋼。