各元素在不锈钢中的作用研究
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1、镍Ni:

镍在不锈钢中的主要作用在于它改变了钢的晶体结构。在不锈钢中增加镍的一个主要原因就是形成奥氏体晶体结构,从而改善诸如可塑性、可焊接性和韧性等不锈钢的属性,所以镍被称为奥氏体形成元素。普通碳钢的晶体结构称为铁氧体,呈体心立方(BCC)结构,加入镍,促使晶体结构从体心立方(BCC) 结构转变为面心立方(FCC)结构,这种结构被称为奥氏体。然而,镍并不是唯一具有此种性质的元素。常见的奥氏体形成元素有:镍、碳、氮、锰、铜。这些元素在形成奥氏体方面的相对重要性对于预测不锈钢的晶体结构具有重要意义。目前,人们已经研究出很多公式来表述奥氏体形成元素的相对重要性,最著名的是下面的公式:

奥氏体形成能力=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%

从这个等式可以看出:碳是一种较强的奥氏体形成元素,其形成奥氏体的能力是镍的30倍,但是它不能被添加到耐腐蚀的不锈钢中,因为在焊接后它会造成敏化腐蚀和随后的晶间腐蚀问题。氮元素形成奥氏体的能力也是镍的30倍,但是它是气体,想要不造成多孔性的问题,只能在不锈钢中添加数量有限的氮。添加锰和铜会造成炼钢过程中耐火生命减少和焊接的问题。

从镍等式中可以看出,添加锰对于形成奥氏体并不非常有效,但是添加锰可以使更多的氮溶解到不锈钢中,而氮正是一种非常强的奥氏体形成元素。在200系列的不锈钢中,正是用足够的锰和氮来代替镍形成100%的奥氏体结构,镍的含量越低,所需要加入的锰和氮数量就越高。例如在201型不锈钢中,只含有4.5%的镍,同时含有0.25%的氮。由镍等式可知这些氮在形成奥氏体的能力上相当于7.5%的镍,所以同样可以形成100%奥氏体结构。这也是200系列不锈钢的形成原理。在有些不符合标准的200系列不锈钢中,由于不能加入足够数量的锰和氮,为了形成100%的奥氏体结构,人为的减少了铬的加入量,这必然导致了不锈钢抗腐蚀能力的下降。

在不锈钢中,有两种相反的力量同时作用:铁素体形成元素不断形成铁素体,奥氏体形成元素不断形成奥氏体。最终的晶体结构取决于两类添加元素的相对数量。铬是一种铁素体形成元素,所以铬在不锈钢晶体结构的形成上和奥氏体形成元素之间是一种竞争关系。因为铁和铬都是铁素体形成元素,所以400系列不锈钢是完全铁素体不锈钢,具有磁性。在把奥氏体形成元素-镍加入到铁-铬不锈钢的过程中,随着镍成分增加,形成的奥氏体也会逐渐增加,直至所有的铁素体结构都被转变为奥氏体结构,这样就形成了300系列不锈钢。如果仅添加一半数量的镍,就会形成50%的铁素体和50%的奥氏体,这种结构被称为双相不锈钢。

400系列不锈钢是一种铁、碳合铬的合金。这种不锈钢具有马氏体结构和铁元素,因此具有正常的磁特性。400系列不锈钢具有很强的抗高温氧化能力,而且与碳钢相比,其物理特性和机械特性都有进一步的改善。大多数400系列不锈钢都可以进行热处理。

300系列不锈钢是一种含有铁、碳、镍和铬的合金材料,一种无磁性不锈钢材料,比400系列不锈钢具有更好的可锻特性。由于300系列不锈钢的奥氏体结构,因此它在许多环境中具有很强的抗腐蚀性能,具有很好的抗金属超应力引起的腐蚀所造成的断裂的性能,而且其材料特性不受热处理的影响。是主要奥氏体形成元素,能减缓钢的腐蚀现象及在加热时晶粒的长大镍在不锈钢中的主要作用在于它改变了钢的晶体结构。在不锈钢中增加镍的一个主要原因就是形成奥氏体晶体结构,从而改善诸如可塑性、可焊接性和韧性等不锈钢的属性,所以镍被称为奥氏体形成元素。普通碳钢的晶体结构称为铁氧体,呈体心立方(BCC)结构,加入镍,促使晶体结构从体心立方(BCC) 结构转变为面心立方(FCC)结构,这种结构被称为奥氏体。然而,镍并不是唯一具有此种性质的元素。常见的奥氏体形成元素有:镍、碳、氮、锰、铜。这些元素在形成奥氏体方面的相对重要性对于预测不锈钢的晶体结构具有重要意义。目前,人们已经研究出很多公式来表述奥氏体形成元素的相对重要性,最著名的是下面的公式:

奥氏体形成能力=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%

从这个等式可以看出:碳是一种较强的奥氏体形成元素,其形成奥氏体的能力是镍的30倍,但是它不能被添加到耐腐蚀的不锈钢中,因为在焊接后它会造成敏化腐蚀和随后的晶间腐蚀问题。氮元素形成奥氏体的能力也是镍的30倍,但是它是气体,想要不造成多孔性的问题,只能在不锈钢中添加数量有限的氮。添加锰和铜会造成炼钢过程中耐火生命减少和焊接的问题。

2、碳C:

含碳量增加可提高强度。碳可以与不锈钢中的其它元素形成化合物Cr23C6、NbC、TiC、TaC等碳化物。对耐腐蚀性而言,当固溶奥氏体中的碳与铬形成Cr23C6析出时,使钢对晶间腐蚀、点腐蚀的敏感性急剧上升,因此对耐腐蚀要求高的设备,要采用含碳量低的(在0.03%以下)的不锈钢。是强奥氏体形成元素,可显著提高钢的强度,另外碳对耐腐蚀性也有不利的影响3、锰Mn:

可改善耐高温强度,锰一般在不锈钢中,使腐蚀性和耐氧化性下降。

4、铬Cr:

铬是不锈钢的基本成分,不锈钢保持钝态要求含铬量大于12%。增加含铬量,对提高钢对氧化性酸的耐腐蚀性极为有效,同时也使耐点腐蚀性提高。是主要铁素体形成元素,铬与氧结合能生成耐腐蚀的Cr2O3钝化膜,是不锈钢保持耐蚀性的基本元素之一,铬含量增加可提高钢的钝化膜修复能力,一般不锈钢中的铬含量必须在12%以上;

5、镍Ni:

镍是奥氏体不锈钢的基本元素之一。随着含镍量的提高,奥氏体钢的硬度,抗拉强度下降,韧性提高,耐应力腐蚀性能提高。含镍量低的奥氏体不锈钢是不稳定的。进行冷加工后,奥氏体显著硬化,韧性下降。镍对非氧化性酸及中性氯化物溶液有显著的耐腐蚀性。但对高温含硫气体是不耐腐蚀的。

6、钼Mo:

钼能使不锈钢的基体强化,并提高钢的高温强度和蠕变性能。钼的加入使不锈钢的钝化膜稳定,能提高耐腐蚀性。特别在氯化物溶液中,钼能改善耐点腐蚀的性能,并有效地抑制缝隙腐蚀。是碳化物形成元素,所形成的碳化物极为稳定,能阻止奥氏体加热时的晶粒长大,减小钢的过热敏感性,另外钼元素能使钝化膜更致密牢固,从而有效提高不锈钢的耐Cl-腐蚀性;含Mo不锈钢一般不用于耐硝酸腐蚀。不含Mo的不锈钢,是不能用于耐硫酸腐蚀,而含Mo2-3%的316系列,是耐硫酸腐蚀的最低牌号,含Mo双相钢也相当或优于316系列;随硫酸浓度的提高,需要选用高Cr、Ni、含Cu、Si的奥氏体不锈钢。

7、钛Ti、铌Nb:

可防止晶间腐蚀,提高不锈钢的高温强度。钛的析出物使得钢的耐点腐蚀性能显著降低。是强碳化物形成元素,能提高钢的耐晶间腐蚀能力。但碳化钛对不锈钢的表面质量有不利影响,因此在表面要求较高的不锈钢中一般通过添加铌来改善性能。

8、铜Cu:

在耐腐蚀方面,增加对非氧化性酸的耐腐蚀性。减少对点腐蚀的敏感性。塑性好,冷加工性能优良。

9、氮N:

添加了氮以改善蠕变性能并使这种钢成为完全的奥氏体。氮在Cr-Ni奥氏体不锈钢和双相不锈钢中是一种无价且非常有益的合金元素。对氮的强化作用,降低钢的晶间腐蚀敏感性,改善钢的耐蚀性,特别是改善钢的耐点蚀等方面的机理,正在进行深入的研究工作。

10、铁Fe:是不锈钢的基本金属元素;

11、磷、硫(P、S):

是不锈钢中的有害元素,对不锈钢的耐腐蚀性和冲压性都会产生不利影响。

12、硅Si随硫酸浓度的提高,需要选用高Cr、Ni、含Cu、Si的奥氏体不锈钢。


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