不锈钢基础知识21问

1.为什么说不锈钢是垃圾堆中发现的珍宝?不锈钢是金属材料中的佼佼者，它具有许多优良的性能，如耐蚀性、耐热性、耐低温性、好的加工性能等。不锈钢外观精美，寿命周期成本价低，可以100％的回收利用，因此在各个工业及民用领域得到广泛和大量的使用，是一种非常好的结构和功能材料。但不锈钢是谁发明的?又是什么时候开始应用的呢?在第一次世界大战时，英国科学家布雷尔利受英国政府军部兵工厂委托，研究武器的改进工作。那时，士兵用的步枪枪膛极易磨损。布雷尔利想发明一种不易磨损的适于制造枪管的合金钢。1913年，他在一次研究过程中，用铬金属加在钢中试验，但由于一些原因，实验没有成功。他只好失望地把它抛在废铁堆里，过了很久，废铁堆积太多，要拿去倒掉时，奇怪的现象发生了。原来所有的废铁都锈蚀了，仅有那几块含铬的钢依旧是亮晶晶的。布雷尔利很奇怪，就把它们拣出来并进行了详细的研究。研究结果表明，含碳0.24％、含铬12.8％的铬钢在任何情况下都不易生锈，即使酸碱也不怕。但由于它太贵、太软，没有引起军部重视。布雷尔利只好与莫斯勒合办了一个餐刀厂，生产“不锈钢”餐刀。这种漂亮耐用的餐刀立刻轰动欧洲，而“不锈钢”一词也不胫而走。布雷尔利于1916年取得英国专利权并开始大量生产。至此，从垃圾堆中偶然发现的不锈钢便风靡全球，亨利·布雷尔利也被誉为“不锈钢之父”。世界上的铬除用于电镀外，大部分用于制造各种不锈钢合金。起初仅将含铬12.8％的钢称为不锈钢，后来又将许多新元素加入，便产生了更好的性能。如镍、钼、钛、铌、硼、铜、钒及稀有元素等。现在不锈钢已发展成为一个合金大家族，品种高达上千种。2.不锈钢不生锈的奥秘在哪里?不锈钢所以不生锈，原因就在于里面含有金属铬。铬是化学元素周期表中第24号元素，符号为Cr。不锈钢里不但必须含铬，而且必须含有一定数量的铬才能达到防锈效果。那么，铬是怎样起到防锈作用的呢?铬防腐作用的第一个方面是钝化。钝化的原因，一种理论认为，在氧化性介质的作用下，不锈钢表面形成一层起防腐蚀作用的富铬氧化膜，这层氧化膜能阻止氧化介质经金属表面往里渗透。并且，一旦这层氧化膜遭到破坏，还可自行恢复。钝化的第二种理论认为，由于吸附的氧原子被金属的电子作用，形成了电池耦，能与电化学腐蚀相对抗，从而提高了耐腐蚀性能。钝化的第三种理论认为，铬抢走了铁原子最外层的一个电子，使不锈钢钝化。铬防腐的第二个方面，是铬使铁基固溶体的电极电位提高。当铬达到一定值时，这种提高可以发生突变，即在达到八分之一、八分之二、八分之三……原子量时，其腐蚀大大减弱。含铬量达到八分之一，即12.5％，就能抵抗大气、水蒸气及稀硝酸的腐蚀。如果要想抗拒浓酸的侵蚀，就需达到第二个突变值八分之二，即25％。因此，不锈钢要含铬，只是定性的说法。而含铬12.5％，则是定量，低于此量的就不叫不锈钢。工业上应用的不锈钢，含铬量在12％一30％之间，通常把能够抵抗大气腐蚀的含铬13％的钢叫做不锈钢，把含铬17％以上的钢叫做耐酸钢，统称不锈耐酸钢。此外，还有能抗高温氧化的耐热不起皮钢及电热合金。3.不锈钢真的是永远不会生锈吗?不锈钢的“不锈”也是相对的，在一定条件下也可能生锈，如奥氏体不锈钢在400～850℃时有发生晶间腐蚀的倾向，在受拉应力和特定腐蚀介质联合作用下易发生应力腐蚀，而缝隙腐蚀也可能发生。但这些腐蚀可以采取措施避免。目前，不锈钢仍然不失为合金钢舞台上的华丽主角。随着科学技术的发展，不锈钢一定会在国民经济建设中，发挥出更大的效能和潜力。4.不锈钢具有哪些优良的使用性能?不锈钢是一系列在空气、水、盐的水溶液、酸以及其他腐蚀介质中具有高度化学稳定性的钢种。不锈钢不仅是广泛使用的耐蚀材料，而且具备较好的耐热性(包括抗氧化性及高温强度)，因而也是一类重要的耐热材料；稳定的奥氏体不锈钢，在液态空气低温下，仍能保持很高的冲击韧性，因而又是很好的低温结构材料，这类不锈钢不具铁磁性，因而也是无磁材料；高碳的马氏体不锈钢不仅耐蚀，也有很好的耐磨性，因而不锈钢又是一类耐磨材料；不锈钢具有光亮、美丽诱人的外观，并有多种牌号的表面加工，因而也是高档的装饰材料；不锈钢具有高的吸收冲撞能力及热强度，因而又是防震、防火、防热辐射材料；不锈钢具有高强度(如双相钢)、高韧性、高刚度、可减轻重量、易于焊接及加工，并有着各种断面的型材，如：方、圆管材，钢筋等，因而不锈钢又是安全可靠的结构材料；不锈钢不需维修或少维修，更无需更换，寿命周期成本(LCC)最低，因而不锈钢也是成本效益最好且使用寿命长的材料；不锈钢可100％的回收，是提倡使用的绿色环保型材料。5.不锈钢有哪些用途?不锈钢由于它有漂亮的外观，耐腐蚀、耐磨损和强度高，因而具有一定的魅力。在过去的几十年中，它已经广泛应用到所有的工业领域和日常生活的各个方面。在国外，不锈钢成为最重要而又普及的金属材料之一。当你走入现代化家庭的厨房，映人眼帘的是一排清洁明亮的煤气台、洗物槽和烹调台，华丽大方的电冰箱、微波炉和烤面包炉，闪闪发光的烹调用具及餐具，真是琳琅满目，美不胜收，给人以华美、清新的感觉。不锈钢还是一种外观精美并可以与其他材料色彩和谐的建筑材料。由于它强度高、重量轻、耐腐蚀，因而在装饰方面的威力，是任何其他建筑材料都不可比拟的。不锈钢可作为超高层大楼建筑用材。例如，用其做超高层大楼结构的幕墙、肩拱、窗框、柱子外壳、大门屏帷等。这除了作为装饰外，主要是为了对付意想不到的大地震。超高层建筑物必须具备轻量、耐火、能承受每层之间20mm左右的错位，而不锈钢幕墙则是最理想的材料。此外，不锈钢还具有金属压重感、棱角分明等特有的魅力，成为制作建筑物的内部装饰、电梯间、自动扶梯、屏风、浮雕、照明设备以及家具等的材料。近一二十年来相继出现的彩色不锈钢板和压花不锈钢板，更使建筑物内外装饰放射出奇光异彩。由不锈钢制成的铁道电气车辆，用于车辆的底架、侧板、顶棚及车间装修件，可以减轻车重、节省能源、延长使用寿命、减少维修。目前世界上至少有1千多万辆不锈钢车辆在运行。21世纪将是铁道电气车辆的不锈钢化时代。此外，在地下铁道车辆、空间缆车、轮船的螺旋桨、飞机的引擎和排气管等方面，不锈钢都获得了应用。不锈钢不仅在民用消费方面打开了销路，而且也是宇航开发、海洋开发、原予能、石油化工、合成纤维等工业的重要金属材料。据统计，年产11万吨硝铵的氨肥厂，约需800吨不锈钢；年产1万吨的维尼纶厂，约需1200吨不锈钢。石油化工更是不锈钢的主要用户，石油化工厂中各种反应塔体、管道、热交换器、阀、配件等装置，要求耐腐蚀、耐热和耐磨损，需要大量各种牌号和品种规格的不锈钢。不锈钢作为原子能反应堆壳体、热交换器、堆芯等结构材料，以及一些辅助设备，成为原子能工业不可缺少的主要材料。随着工业的发展，能源和水资源越来越紧张，正在加速向海洋开发，水下工程，特别是运送石油和天然气的装置、海水淡化装置等都需要大量耐海水腐蚀的不锈钢。此外，在酿造、饮料、罐头食品、制糖、牛奶等食品工业、制药工业中也都广泛地使用了不锈钢。6.世界不锈钢是怎样发展起来的?不锈钢自20世纪初间世至今已有90多年的历史，不锈钢的发明是世界冶金史上的一项伟大成就，不仅为现代工业的建立、发展和科技进步奠定了物质基础，而且在民用领域的扩大应用也显著提高了人们的生活质量。其实早在1820—1822年，英国学者法拉第(M.Faraday)就把低合金钢的生锈问题作为一项课题来研究，可以说他是不锈钢研究的创始人。到20世纪初，欧洲法、英、德等国的学者先后对钢铁的不锈性和钝化理论进行了研究：1906年法国人吉烈特(L.B.Guillet)、1909年法国人波特万(A.M.Portevin)、1909年英国人吉森(W.Giesen)分别发表了Fe—Cr和Fe—Cr—Ni合金的冶金学报告，发现了这些合金的耐腐蚀性能。1908～1911年德国人蒙纳尔茨(P.Monnartz)和鲍切尔斯(W.Borchers)发现了钝化现象，并提出了高Cr合金的钝化理论，这一时期的研究为开发工业用不锈钢奠定了理论基础。7.马氏体、铁素体和奥氏体三大类不锈钢分别是在哪一年研制成功的?1912～1916年英国科学家布莱尔利(H.Brearly)开发了含Crl2％一13％的马氏体不锈钢(相当于现在的AISl420)；1911～1914年美国人丹齐泽(C.Dantssi-gen)和怀特西(W.R.Whitsey)开发了含Crl4％～16％的铁素体不锈钢(相当于现在AISl430前期)；1912～1914年德国的马勒(E.Maurer)和斯特劳斯(B.Strauss)开发了含C1％、Crl5％～40％、Ni20％的奥氏体不锈钢(相当于现在AISl304的初型)；1929年德国克虏伯公司的斯特劳斯取得了低碳18—8奥氏体不锈钢的专利权。与此同时他们为了提高不锈钢的耐蚀性，又分别加入了Mo、Cu等元素，为了解决18—8钢的敏化态晶间腐蚀，通过实验加入了Ti、Nb等稳定元素，此外克虏伯在20世纪40～50年代又开发了节镍的Cr—Mn—N(200系列)不锈钢，耐晶间腐蚀的超低碳(C≤0.03％)奥氏体不锈钢，60年代又开发了C+N≤150×10-6的超纯铁素体不锈钢等，使不锈钢品种和性能进一步扩大和提高。8.不锈钢的另外两种类型——双相不锈钢和沉淀硬化型不锈钢是在何时研制成功的?不锈钢的另外两种类型，即双相不锈钢(即在钢的固溶组织中为铁素体+奥氏体双相，其中次量相≥15％，而现在要求双相不锈钢大多是二相比达40：50)和沉淀硬化型不锈钢(即经过冷热处理来控制奥氏体的稳定性和基体上的相析出沉淀，从而提高不锈钢的强度)是在20世纪的30～40年代研发成功的。1927年Bain和Griffiths首先发现了双相组织，1935年德国Unieux实验室发现了奥氏体不锈钢中含有铁素体时，钢的耐蚀性能会得到明显改善，从而获得了奥氏体+铁素体双相不锈钢的专利。美国于20世纪40年代研发出第一代双相不锈钢AISl329(Cr25Ni5M02)，70年代和80年代又开发成功第二代(用氮合金化)和第三代双相不锈钢(耐点蚀当量值≥40的超级DSS)。沉淀硬化不锈钢是1946年首先由美国的史密斯埃塔尔(R.Smithetal)开发成功的，当时他研制成功马氏体沉淀硬化不锈钢17-4PH，随后既具有高强度又可进行冷加工成形的半奥氏体沉淀硬化不锈钢17—7PH和PHl5—7Mo等也相继开发成功。至此不锈钢家族中的5大主要钢类：马氏体、铁素体、奥氏体、双相钢和沉淀硬化不锈钢就基本齐全了。9.不锈钢是依靠哪三大生产技术的进步才得以快速发展的?不锈钢主要生产技术的进步促进了不锈钢的快速发展，特别是炉外精炼、连续铸造和多辊冷轧机的使用，改善了不锈钢质量，提高了成材率，降低了生产成本。首先是不锈钢的冶炼技术。1910年开始用坩埚炉小批量熔炼不锈钢，随后法国人Herouh发明的电弧炉开始了较大规模的工业生产。进入1940年以后，美国人希尔蒂(D.C.Hihy)研究了Cr—C温度平衡，提出了高温脱碳保铬理论，从而为研制成功电弧炉返回吹氧法冶炼不锈钢奠定了基础。尽管这时可以用不锈钢废钢生产，但成本仍然很高，不锈钢仍然是一个高价钢种。进入20世纪60年代后，德国的维顿公司(Wit.ten)和美国的联合碳化物公司(UnionCarbide)分别研制成功具有革新技术的VOD和AOD精炼法，这使得采用便宜的原料(高碳铬铁)冶炼不锈钢成为可能，并大大提高了钢的纯净度，显著降低了不锈钢的生产成本。目前，AOD和VOD法已成为精炼不锈钢的主流技术，其中AOD法占不锈钢总产量的68.7％、VOD法占26.3％。其次是连铸技术。早在1857年，贝塞麦(H.Bessemer)就获得了对辊薄带连铸技术的专利，但第一台不锈钢连铸机是出现在1949年美国的阿·勒德隆公司(AL)，1954年加拿大阿特拉斯公司(Atlas)建造了世界上第一台不锈钢板坯连铸机，1960年日本新日铁光厂建造了世界上第一台宽度超过1m的不锈钢宽板坯连铸机，此后不锈钢的连铸机技术蓬勃发展，不锈钢连铸比已超过95％，成为不