工厂材料知识及生产工艺

1第一章不锈钢基础知识不锈钢是建筑、家电、石油、化工、化肥、合成纤维和石油提炼等工业部门中广泛使用的金属材料。通常所说的不锈钢是不锈钢与耐酸钢的总称。不锈钢不一定耐酸，但耐酸钢同时又是不锈钢。当钢中铬含量在10.5%以上时，钢的表面在大气中会形成一层致密的氧化铬，使钢具有了防锈性，能防止钢的基体进一步氧化，起到了对钢基体的保护作用。铬含量大于10.5%以上的钢称为不锈钢。在同一介质中,不同种类的不锈钢腐蚀速度大不相同，而同一种不锈钢在不同的介质中腐蚀行为也大不一样。因此掌握各类不锈钢的特点，对于正确选择和使用不锈钢是很重要的。不锈钢不仅要耐蚀，还要具有较好的力学性能、良好的切削加工性能和焊接性能。到目前为止，不锈钢已发展到了近200个钢种，性能不同，生产工艺各异。不锈钢良好的耐蚀性，较低的维护成本，优良的外观，使其在化工、食品、石油、建筑、电器工程、装饰、核工业等领域广泛得到应用。目前全世界年产不锈钢在2400万t左右。每年不锈钢的需求量还以6%的比率增长，而中国需求量在以每年8%以上的速度增长，高于世界平均增长率。1.1金属腐蚀机理1.1.1腐蚀过程在外界介质的作用下使金属逐渐受到破坏的现象称为腐蚀。腐蚀基本上有两种形式：化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀在腐蚀过程中形成某种腐蚀产物。这种腐蚀产物一般都覆盖在金属表面上形成一层膜，使金属与介质隔离开来。如果这层化学生成物是稳定、致密、完整并同金属表层牢固结合的，则将大大减轻甚至可以防止腐蚀的进一步发展，对金属起保护作用。形成保护膜的过程称为钝化。可见，氧化膜的产生及氧化膜的结构和性质是化学腐蚀的重要特征。因此，提高金属耐化学腐蚀的能力，主要是通过合金化或其它方法，在金属表面形成一层稳定的、完整致密的并与基体结合牢固的氧化膜。1.1.2腐蚀类型2金属材料在工业生产中的腐蚀失效形式是多种多样的。不同材料在不同负荷及不同介质环境的作用下，其腐蚀形式主要有以下几类：一般腐蚀：金属裸露表面发生大面积的较为均匀的腐蚀，虽降低构件受力有效面积及其使用寿命，但比局部腐蚀的危害性小。晶间腐蚀：指沿晶界进行的腐蚀，使晶粒的连接遭到破坏。这种腐蚀的危害性最大，它可以使合金变脆或丧失强度，敲击时失去金属声响，易造成突然事故。晶间腐蚀为奥氏体不锈钢的主要腐蚀形式。应力腐蚀：金属在腐蚀介质及拉应力（外加应力或内应力）的共同作用下产生破裂现象。断裂方式主要是沿晶的、也有穿晶的，这是一种危险的低应力脆性断裂，在氯化和碱性氧化物或其它水溶性介质中常发生应力腐蚀，在许多设备的事故中占相当大的比例。点腐蚀：点腐蚀是发生在金属表面局部区域的一种腐蚀破坏形式，点腐蚀形成后能迅速地向深处发展，最后穿透金属。点腐蚀危害性很大，尤其是对各种容器是极为不利的。出现点腐蚀后应及时磨光或涂漆，以避免腐蚀加深。腐蚀疲劳：金属在腐蚀介质及交变应力作用下发生的破坏，其特点是产生腐蚀坑和大量裂纹。显著降低钢的疲劳强度，导致过早断裂。腐蚀疲劳不同于机械疲劳，它没有一定的疲劳极限，随着循环次数的增加，疲劳强度一直是下降的。除了上述各种腐蚀形式以外，还有由于宏观电池作用而产生的腐蚀。从上述腐蚀机理可见，防止腐蚀的着眼点应放在：尽可能减少原电池数量，使钢的表面形成一层稳定的、完整的、与钢的基体结合牢固的钝化膜；在形成原电池的情况下，尽可能减少两极间的电极电位差。1.1.3不锈钢的合金化原理提高钢耐蚀性的方法很多，如表面镀一层耐蚀金属、涂敷非金属层、电化学保护和改变腐蚀环境介质等。但是利用合金化方法，提高材料本身的耐蚀性是最有效防止腐蚀破坏的措施之一，其方法如下；（1）加入合金元素，提高钢基体的电极电位，从而提高钢的抗电化学腐蚀能力。一般往钢中加入Cr、Ni、Si等元素均能提高其电极电位。由于Ni资源较缺，Si的大量加入会使钢变脆，因此，只有Cr才是显著提高钢基体电极电位常用的元素。（2）加入合金元素使钢的表面形成一层稳定的、完整的与钢的基体结合牢固的钝化膜。从而提高钢的耐化学腐蚀能力。如在钢中加入Cr、Si、Al等合金元素，使钢的表层形成致密的Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜，就可提高钢的耐蚀性。（3）加入合金元素使钢在常温时能以单相状态存在，减少微电池数目从而提高钢的耐蚀性。如加入足够数量的Cr或Cr－Ni，使钢在室温下获得单相铁素体或单相奥氏体。3（4）加入Mo、Cu等元素，提高钢抗非氧化性酸腐蚀的能力。（5）加入Ti、Nb等元素，消除Cr的晶间偏析，从而减轻了晶间腐蚀倾向。（6）加入Mn、N等元素，代替部分Ni获得单相奥氏体组织，同时能大大提高铬不锈钢在有机酸中的耐蚀性。1.2不锈钢的种类和特点不锈钢有两种分类法：一种是按合金元素的特点，划分为铬不锈钢和铬镍不锈钢；另一种是按在正火状态下钢的组织状态，划分为马氏体（M）不锈钢、铁素体（F）不锈钢、奥氏体（A）不锈钢和双相（奥氏体A-铁素体F）不锈钢。1.2.1马氏体不锈钢及其特点经热处理后可以硬化，有磁性。在温和的环境下抗腐蚀。具有相当好的弹性。410钢是马氏体不锈钢的常用钢种。马氏体不锈钢含有多于10.5%的铬，在高温下具有奥氏体组织，在合适的冷却速度下，冷却到室温可以转变成马氏体。马氏体不锈钢钢种演变见图1。410420420F414431403416416Se440C440B440A增C改善机械性能增P、S改善机加工性能增C提高硬度,增Cr提高耐蚀性能降C改善韧性图1：马氏体不锈钢钢种演变典型的马氏体不锈钢钢号有410、420（1Cr13～4Cr13）和440（9Cr18）等410钢加工工艺性能良好。可不经预热进行深冲、弯曲、卷边及焊接。420冷变形前不要求预热，但焊接前需预热，410、420J1主要用来制作耐蚀结构件如汽轮机叶片等，而420J2主要4用来制作医疗器械外科手术刀及耐磨零件；440可做耐蚀轴承及刀具。马氏体不锈钢化学成分见表1-1。表1-1马氏体不锈钢的化学成分/%钢种CrCMnSiPS其它403410414416416Se420420F422431440A440B440F11.5~1311.5~13.511.5~13.512~1412~1412~1412~1411~1315~1716~1816~18170.150.150.150.150.150.15最小0.380.20~0.250.200.60~0.750.75~0.951.01.01.01.01.251.251.01.251.01.01.01.00.40.51.01.01.01.01.01.00.751.01.01.00.40.0400.0400.0400.0600.0600.0400.0600.0250.0400.0400.0400.040.0300.0300.0300.15最小0.0600.0300.15选择0.0250.0300.0300.030S0.08或Se0.18Ni1.25-2.50Mo0.60选择Se0.15最小Mo0.60选择Ni0.5~1.0,Ni1.25~2.50Mo0.75Mo0.751.2.2铁素体不锈钢及其特点铁素体不锈钢的含Cr量一般为10.5％～30％，碳含量低于0.25%（见表2）。有时还加入其它合金元素。金相组织主要是铁素体，加热及冷却过程中没有α=γ转变，不能用热处理进行强化，只是经冷加工后有一些硬化。抗氧化性强，加入合金元素可在有机酸及含Cl-的介质中有较强的抗蚀。同时，它还具有良好的热加工性及一定的冷加工性。铁素体不锈钢主要用来制作要求有较高的耐蚀性而强度要求较低的构件，广泛用于制造生产硝酸、氮肥等设备和化工使用的管道等。430钢是铁素体不锈钢的代表性钢种。典型的铁素体不锈钢有Crl7型、Cr25型和Cr28型。铁素体不锈钢的钢种演变见图1-2。铁素体不锈钢的化学成分见表1-2。5430430F430FSe429442446405409降Cr改善焊接性能降Cr加Al防止高温冷却硬化降Cr用于汽车排气管加P、S改善机加工性能加Se改善机加工表面加Cr改善抗起皮性加Cr改善抗起皮性图1-2铁素体不锈钢的钢种演变表1-2铁素体不锈钢的化学成分/%钢种CMnPSSiCr其它409405429430430F430FSe4344364424460.080.080.120.120.120.120.120.120.200.201.001.001.001.001.251.251.001.001.001.500.0450.0400.0400.0400.0600.0600.0400.0400.0400.0400.0450.0300.0300.0300.150.0600.0300.0300.0300.0301.001.001.001.001.001.001.001.001.001.0010.5/11.7511.5/14.514.0/16.016.0/18.016.0/18.016.0/18.016.0/18.016.0/18.018.0/23.023.0/27.0Ti6*C/0.75Al0.10/0.30Mo0.6Se0.15最小Mo0.75/1.25Mo0.75/1.20.5*C/0.70Nb0.25N1.2.3奥氏体不锈钢及其特点奥氏体不锈钢是克服马氏体不锈钢耐蚀性不足和铁素体不锈钢脆性过大而发展起来的（见表1-3）。基本成分为l8％Cr、8％Ni简称18－8钢。其特点是含碳量低于0.1％，利用Cr、Ni配合获得单相奥氏体组织。奥氏体不锈钢有很多共性。能够冷加工硬化，但不能热处理硬化，无磁性。虽然有些经冷加工后有轻微的磁性，但是经退火后磁性消失。有很好的耐蚀性，极好的成形性，而且经过冷加工后能增加强度。6304（18/8）316加Mo耐点蚀317增加Mo更耐点蚀316L317L304L降碳避免敏化影响沉淀硬化不锈钢加Cu、Ti、Al、降Ni沉淀硬化奥氏体Fe-Ni-Mn-Ni不锈钢加Mn和N，降Ni提高强度321加Ti避免敏化347加Nb避免敏化309,310,314,330加Cr、Ni提高强度和耐氧化性双相不锈钢增Cr降Ni提高特殊性能303,303Se加S或Se改善机加工性能图318/8奥氏体不锈钢为了特殊性能改变某些成分成为特殊用途钢种表1-3奥氏体不锈钢的化学成分/%钢种CrNiCMnSiPS其它301304304L309S310S316L32116-1818-2018-2022-2424-2616-1817-196-88-10.58-1212-1519-2210-149-120.150.080.030.080.080.030.082.02.02.02.02.02.02.01.01.01.01.01.51.01.00.0450.0450.0450.0450.0450.0450.0450.0300.0300.0300.0300.0300.030.03Mo2.0-3.0Ti5*C奥氏体不锈钢一般用于制造生产硝酸、硫酸等化工设备构件、冷冻工业低温设备构件及经形变强化后可用作不锈钢弹簧和钟表发条等。1.3不锈钢在各领域的应用1.3.1不锈钢主要用于厨房、家电、运输、建筑、土木各领域在厨房器具方面主要有水洗槽和电气、煤气热水器，家电产品主要有全自动洗衣机的滚筒。从节能和再循环等环保的观点看，不锈钢的需求有望进一步扩大。在运输领域主要有铁道车辆和汽车的排气系统，这是不锈钢最大的应用领域。从上世纪80年代以后，铁路运输车辆和客车车辆开始批量使用不锈钢制造，提升了运输车辆和客车车辆的寿命周期，降低了使用成本，提高了运输效率。近年来随着城市轨道交通的发展，从安全、经7济方面的考虑，不锈钢车辆的使用在不断增加。在建筑领域，最近的需求急剧增长，如：新加坡地铁车站的防护装置，使用了不锈钢外装饰材。再如日本1980年以后，用于建筑业的不锈钢增长了约4倍，主要用作屋顶、大楼内外装饰和结构材。在土木领域，日本的水坝吸水塔使用不锈钢。欧美的寒冷地区，为防止高速公路和桥梁的冻结需撒盐，使用不锈钢钢筋。今后不锈钢在该领域的市场将有所作为。1.3.2今后扩大不锈钢应用的关键是环保、长寿命和IT的普