不锈钢的元素作用

不锈钢的性能及元素作用一、概述半个多世纪以来，在主要产钢国家中，不锈钢已超过钢总产量的1%，总值的8%。在经济上占有一定的地位。在我国，不锈钢的产量，还不足钢的总产量的0.5%。不锈钢从化学成份上讲，是一种以铁和碳为基础的含有较多合金元素的高合金钢。不锈钢从物理、化学性能上讲，是一种特殊钢。不锈钢在空气及弱腐蚀介质中能抵抗腐蚀性——即不易生锈。不锈钢，不是绝对的不生锈不被腐蚀，而是生锈量、被腐蚀量少；生锈和被腐蚀的过程较慢，甚至根本不能察觉。因此说，不锈只具有相对的含义，而不是绝对的。二、不锈钢的性能和组织为了加深对不锈钢的理解，我们有必要先了解一下各种元素对不锈钢的性能和组织的影响。1．铬——是构成不锈钢的基本元素。铬是决定不锈钢耐腐蚀性能的最基本元素。当含铬量不低于12.5%原子时,可使钢的电极电位发生突变,由负电位升到正的电极电位。因而可显著提高钢的耐蚀性。铬的含量越高，钢的耐蚀性能越好。当含铬量达到25%、37.5%原子时，会发生第二次第三次的突变，使钢具有更高的耐腐蚀性能。2．镍——单独不能构成不锈钢镍对不锈钢耐腐蚀的影响，只有它与铬配合时才能充分显示出来。因为，低炭镍钢要获得纯奥氏体组织，含镍量需达24%；要使钢在某些介质中的耐腐蚀性能显著改变，含镍量需在27%以上。所以，镍不能单独构成不锈钢。而在含铬18%的钢中加入9%的镍，就能使钢在常温下获得单一奥氏体组织，并可以提高钢对非氧化性介质（如：稀硫酸、盐酸、磷酸等）的耐蚀性，并能改善钢的焊接和冷弯等的工艺性能。3．锰和氮——可代替铬镍不锈钢中的镍锰和氮在不锈钢中有镍相仿的作用。锰的稳定奥氏体作用为镍的二分之一，而氮的作用比镍大很多，约为镍的40倍左右。因而锰和氮可代镍获得单一的奥氏体组织。但锰的加入会使含铬低的不锈钢耐蚀性降低。同时，高锰奥氏体钢不易加工。因此，在不锈钢中不单独使用锰，只用部分代替镍。4．碳——在不锈钢中具有两重性碳在不锈钢中的含量及其分布的形式，在很大程度上左右着不锈钢的性能和组织：一方面碳是稳定奥氏体元素，并作用的程度很大，约为镍的30倍，含碳量高的（马氏体）不锈钢，完全可以接受淬火强化，从而在机械性能方面可大大提高它的强度；另一方面由于碳和铬的亲和力很大，在不锈钢中要占用十七倍碳量的铬与它结合成碳化铬。随着钢中含碳量的增加，则与碳形成碳化物的铬越多，从而显著降低钢的耐蚀性。所以，从强度与耐腐蚀性能两方面来看，碳在不锈钢中的作用是互相矛盾的。在实际应用中，为了达到耐腐蚀的目的，不锈钢的含碳量一般较低，在大多在0.1%左右，为了进一步提高钢的耐腐蚀能力，特别是抗晶间腐蚀的能力，常采用超低碳的不锈钢，含碳量在0.03%甚至更低；但用于制造滚动轴承、弹簧、工具等不锈钢，由于要求有高的硬度和耐磨性，因而含碳量较高，一般均在0.85~1.00%之间。如9Cr18钢等。5．钛和铌——能防止不锈钢的晶间腐蚀不锈钢加热到450~800℃时，常常由于在晶界析出铬的碳化物而使晶界附近的含铬量下降形成贫铬区，导致晶界附近的电极电位下降，从而引起电化学腐蚀。这种腐蚀叫做晶间腐蚀。常见的如在焊缝附近的热影响区内发生的晶间腐蚀。而钛和铌是强碳化物形成元素，它与碳的亲和力比铬大得多，钢中加入钛或铌，就能使钢中的碳首先与钛或铌形成碳化物，而不与铬形成碳化物，从而保证晶界附近不致因贫铬而产生晶间腐蚀。因此，钛和铌常用来固定钢中的碳，提高不锈钢抗晶间腐蚀的能力，并改善钢的焊接性能。钛或铌的加入量要根据含碳量而定，一般为：钛的加入量为含碳量的5倍，铌为碳的8倍。6．钼和铜——能提高某些不锈钢对某些介质的耐腐蚀性能钼和铜能提高不锈钢对硫酸、醋酸等腐蚀介质的耐蚀能力。钼还能显著提高对含氯离子的介质（如盐酸）以及有机酸中的耐蚀能力。但含钼的不锈钢不宜在硝酸中应用，含钼的不锈钢在沸腾的65%硝酸中的腐蚀速度比不含钼的增加一倍；铜加入铬锰氮不锈钢中，会加速不锈钢的晶间腐蚀。钼对钢获得单一奥氏体组织有不利影响，因此在含钼钢中，为了使钢在热处理后具有单一的奥氏体组织。镍在锰等元素的含量要相应的提高。7．硅和铝——能提高不锈钢的抗氧化能力硅对提高铬钢抗氧化能力的作用很显著，含5%铬及1%硅的钢，抗氧化的能力可与12%铬钢相等。如使钢在1000℃能抵抗氧化，含0.5%硅时需要22%的铬，如加入2.5～3%的硅以后，只需要12%的铬就可以了。有资料还介绍，向Cr15Ni20的铬镍钢中加2.5%的硅，抗氧化性能可相当Cr15Ni60的铬镍合金。向高铬钢中加铝也能使抗氧化性能显著提高，它的作用与加硅的功能相仿。向高铬钢中加硅和铝的目的：一是为了进一步提高钢的抗氧化性能，二是为了节约用铬。硅和铝对提高铬钢抗氧化性能的作用虽然很大，但也有很多缺点。最主要的是它使钢的晶粒粗化和脆性倾向增大。8．钨和钒加入钢中，其主要作用是提高钢的热强性。9．硼高铬铁素体不锈钢（Cr17MO2Ti）中加0.005%的硼，可使钢在沸腾的65%醋酸中的耐腐蚀性能提高；奥氏体不锈钢中加入微量（0.0006～0.0007%）的硼，可使钢的热态塑性改善；硼对提高钢的热强性有良好的作用，可使不锈钢的热强性显著提高；含硼的铬镍奥氏体不锈钢在原子能工业中有着特殊的用途。但不锈钢中含硼会使钢的塑性和冲击韧性降低。以上谈到了构成不锈钢的基本元素——铬，和影响不锈钢组织、性能的重要元素——碳，以及改善不锈钢性能和组织的添加元素——镍、锰、氮、钛、铌、钼、铜、硅、铝、钨、钒、硼等十多个元素各种元素对不锈钢组织的影响，根据其共同性，概括起来，基本上分属于两大类：一类是形成或稳定奥氏体的元素，它们是碳、镍、锰、氮、铜、以碳和氮的作用程度最大；另一类是形成铁素体的元素，它们是铬、钨、钼、铌、硅、钛、钒、铝等，这一类元素形成铁素体的作用，如以铬来加以比较，其他元素的作用都比铬大。这两类元素共存于不锈钢中时，不锈钢的组织就取决于他们互相影响的结果。如果稳定奥氏体的元素的作用居于主要方面的话，不锈钢的组织就以奥氏体为主，很少以至没有铁素体；如果他们的作用程度还不能使钢的奥氏体保持至室温的话，这种不稳定的奥氏体在冷却时即发生马氏体转变，钢的组织则为马氏体；如果形成铁素体的元素的作用成为主要方面的话，钢的组织则以铁素体为主。只含有铬元素的不锈钢，人们通常称它为“不锈铁”，工业上称它为“铬不锈钢”。这类钢都具有磁性，他们的金相组织为铁素体、马氏体或铁素体、马氏体为主体的复相组织。这类钢具有抵抗大气及弱腐蚀介质的能力，或有更高的耐腐蚀性能与抗氧化性能，或可淬火使用。但他们的机械性能或工艺性能较差，几乎没有焊接性能等等的不足之处。这类钢远不能满足工业用钢的特殊要求。在铬级不锈钢的基体中，加入适量的镍元素。如在含铬18%的低炭（0.12%以下的炭）的铁素体钢中加入8%的镍后，在常温下可获得最理想的纯奥氏体组织，这种钢就是人们通常所称的无磁性的不锈钢。这类铬镍不锈钢与相同含铬量的铁素体或马氏体耐酸不锈钢比较，不仅具有更高的耐腐蚀性能，更重要提他们具有良好的冷变形使之硬化的性能和焊接性能，在常温或低温下均具有很高的塑性和冲击韧性，不具磁性等等的优良性能。这类不锈钢的缺点是机械性能比较低，对晶间腐蚀及应力腐蚀比较敏感，但通过适量的合金添加剂或工艺措施，就能改善或消除。在铬级不锈钢的基本中，添加以锰为主要合金元素的不锈钢。就是人们通常所讲的“铬锰氮”不锈钢。这类不锈钢除强度比铬镍钢为高外，其他如耐腐蚀性和工艺性能等都不如铬镍奥氏体不锈钢好。生产这类不锈钢除个别情况下，主要是为了节约昂贵的镍元素，所以这类钢又叫节镍不锈钢。三、不锈钢的分类和用途1．不锈钢根据其主要合金成分，通常可分以下三类：（1）铬不锈钢类：这类不锈钢除铁基外，主要合金元素是铬。有的还分别含有硅、铝、钨、钼、镍、钛、钒等一种或几种元素，这些元素在钢中的含量分别在1～3％之间。（2）铬镍不锈钢类：这类不锈钢除铁基外，主要合金元素是铬和镍。有的还分别含有钛、硅、钼、钨、钒、硼等一种或几种元素，这些元素在钢中的含量在4%以下至微量。（3）铬锰氮不锈钢类：这类不锈钢除铁基外，主要合金元素是铬和锰，大多数钢中还含有0.5%以下的氮。有的还分别含有镍、硅、铜等一种或几种元素。这些元素在钢中的含量分别只有5%以下。2．不锈钢根据其结构（金相组织），通常分以下三类：（1）铁素体的——即含铬不含镍的不锈钢。这类钢冷加工能使之硬化到某种程度，热处理则不能。这类钢总是有磁性的。（2）马氏体的——这类不锈钢除个别的钢号含有少量的镍外，大多数钢号只含有铬，其优点是热处理能使之硬化。这类钢总是带有磁性的。（3）奥氏体的——即含有铬镍或铬镍锰或铬锰氮等元素的不锈钢。这类钢只能冷加工使之硬化；热处理只能使之软化。在退火状态中是无磁性的。在冷加工后，有的会带有磁性的。以上的三种分类仅是按钢的基体组织分的，由于钢中稳定奥氏体及形成铁素体的元素的作用不能互相平衡。因此，工业中实际用的不锈钢的组织还有：马氏体——铁素体、奥氏体——铁素体、奥氏体——马氏体等过渡型的复相不锈钢，以及马氏体——碳化物组织的不锈钢。3．不锈钢根据工业上的主要用途，可分为：不锈钢、耐酸钢、不起皮钢、耐热钢等四种。有的将电热合金作为不锈钢的组成部分。他们的主要功能和代表性钢号分列如下：（1）不锈钢——在空气及弱腐蚀介质中能抵抗腐蚀。具有这种功能的钢叫做不锈钢。其代表性钢号有：OCr13、1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、Cr14、Cr15、9Cr18、9Cr18MOV、Cr14MO等。（2）耐酸钢——在各种腐蚀性强的介质（如酸、碱、盐溶液等）中能抵抗腐蚀作用。其代表性钢号有：Cr17、Cr28、Cr17Ti、Cr18Ti、Cr25Ti、Cr17Mn9、Cr17Ni2、OCr18Ni9、1Cr18Ni9、2Cr18Ni9、2Cr13Ni4Mn9、Cr14Mn14Ni、Cr18Mn8Ni5、Cr18Mn10Ni5MO3、1Cr18Ni9Ti、Cr17MO2Ti、Cr25MO3Ti、Cr18Ni11Nb、Cr18Ni12MO2Ti、Cr18Ni12MOTi、Cr18Ni9Cu3Ti、Cr18Ni18MO2Cu2Ti、Cr18Ni20MO2Cu2Nb等。（3）不起皮钢铁（又叫抗氧化钢）——在高温下有足够的热稳定性，能够抵抗气体腐蚀而不剥落氧化铁皮的功能。简单讲，就是在高温下抗气体的侵蚀不起皮的钢。其代表性钢号包括温度在900℃以下适用的：4Cr9Si12、Cr13Si、Cr13SiAl、Cr20Si3、Cr18Si2等；温度在900～1100℃之间适用的：Cr17Al4Si、Cr24Al3Si、Cr25Si2等。（4）耐热钢（又叫热强钢）——在高温下能抵抗气体腐蚀（不起皮）并有足够强度的功能。简单讲，就是在高温下有足够强度，并且不起皮的钢。其代表性钢号包括温度在600℃以下适用的：1Cr13、Cr11MOV等；温度在650℃以下适用的：Cr5MO、4Cr10Si2MO、1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Ti等；温度在650～800℃之间适用的：1Cr14Ni14W2MOTi、4Cr14Ni14W2MO、Cr15Ni36W3Ti等。