不锈钢

全球不锈钢产量050010001500200025003000199519961997199819992000200120022003200420052006E1950年的世界不锈钢产量还不到100万吨，2005年全球不锈钢超量超过了2500万吨，2006年全球不锈钢生产量将超过2600万吨。55年来，不锈钢的年均消费量增长6.7%，不锈钢增长了25倍。世界主要金属增长率（1980～2004年）1.042.442.13.251.095.765.60510铅铜锌铝钢（不含不锈钢）不锈钢塑料中国不锈钢消费单位：万吨-100010020030040050060019901992199419961998200020022004不锈钢消费量不锈钢生产量线性(不锈钢消费量)不锈钢♪定义：“不锈钢”是一种习惯叫法，我们所说的不锈钢实际包括“不锈钢”和“耐酸钢”。♪不锈钢——在空气中耐腐蚀的钢。♪耐酸钢——在各种侵蚀性较强的酸性介质中耐腐蚀的钢。通常，我们把不锈钢和耐酸钢统称为不锈耐酸钢，习惯上称为“不锈钢”。不锈钢的发明是世界冶金史上的一重大成就。20世纪初，法国（1904-1906）发现了Fe-Cr合金英国（1909-1911）发现了Fe-Cr-Ni合金同期德国提出了不锈性和钝化理论。发展历史40-50年代，节Ni的Cr-Mn-N和Cr-Mn-Ni-N不锈钢、超低碳奥氏体不锈钢；60年代，1：1的双相不锈钢和高纯铁素体以及马氏体时效不锈钢取得进展；随后，通过化学成分（C、Cr、Ni）的调整和合金元素（Mo、Cu、Si、N、Mn、Nb）的填加，降低夹杂物，改善其使用性能，适应不同环境的要求。发展历史要求不锈钢要满足下列要求：♪1.耐腐蚀性♪2.有良好的力学性能♪3.有良好的工艺性：–热加工成型性–冷成型性–切削加工性–焊接性♪4.良好的经济性按钢的组织结构分类可分为：奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢。奥氏体不锈钢铁素体不锈钢双相不锈钢几种不锈钢的显微组织分类按钢的化学成分分类可分为：Cr不锈钢（400系）、Cr-Ni不锈钢（300系）、Cr-Mn-N-Ni不锈钢（200系）、超低碳不锈钢、高纯不锈钢等。按钢的功能分类可分为：低温不锈钢、耐热不锈钢、耐磨不锈钢、无磁不锈钢、易切削不锈钢和超塑性不锈钢等。分类GF-2010-0813♪不锈钢的分类方法很多，按主要化学成份可分为铬系不锈钢（俗称400系）、铬镍不锈钢&铬镍钼不锈钢（俗称300系）、铬锰氮不锈钢（俗称200系）。♪近些年来，中国不锈钢粗钢产量中，200系占比显著偏高。不锈钢按主要化学成份可分为400系、300系、200系。中国不锈钢粗钢产量中200系占比显著偏高。资料来源：JindalStainless、富宝金属GF-2010-08GF-2010-0815♪300系不锈钢含镍量最高，达到8%-10%，代表品种304主要应用于医药、机械、餐具等领域；♪400系不锈钢含镍量最低，含镍量不超过0.60%，代表品种430主要应用于耐热器具、家电产品等；♪200系不锈钢含镍量为3.5%-5.5%（也有部分国家如印度京德勒含镍量仅为1.5%），代表品种201主要应用于照明设备等干燥环境下。资料来源：JindalStainlessGF-2010-08GF-2010-08一、金属腐蚀的基本概念腐蚀是在外界介质的作用下使金属逐渐受到破坏的过程。腐蚀按照其化学原理可分为两类：电化学腐蚀：Fe-3e＝Fe3+6H++6e=3H2化学腐蚀：4Fe+3O2＝2Fe2O3Fe+2H2O═Fe(OH)2+H25.1金属腐蚀类型与提高耐腐蚀性的途径化学腐蚀的特点：不产生腐蚀电流，在反应表面形成一层化学生成物。氧化膜的形成及氧化膜的结构和性质是化学腐蚀的重要特征。致密的氧化物膜（钝化膜）能阻止进一步的腐蚀；不连续的或者多孔状的氧化膜对基体金属没有保护作用。例如，有些金属氧化物，如Mo2O3、WO3在高温下具有挥发性，完全没有覆盖基体的保护作用。因此要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、完整的、致密的并与基体结合牢固的氧化膜（也称钝化膜）。在生产实际中遇到的腐蚀主要是电化学腐蚀。钢的电化学腐蚀主要形式有均匀腐蚀、点腐蚀、晶界腐蚀、应力腐蚀、磨损腐蚀等。二、钢铁材料腐蚀的基本类型♪不同组织、成分、应力区域之间都可构成微电池。电化学腐蚀的特点：有液体电介质存在，不同金属或不同相之间有电极电位差并连通或接触，同时有腐蚀电流产生。在金属材料中，电化学腐蚀是由金属材料中不同相之间的电极电位的不同，在介质存在时构成原电池而产生的。在生产实际中遇到的腐蚀主要是电化学腐蚀。均匀腐蚀：腐蚀发生在金属裸露的整个表面上或零件使用的整个工作面上。又称一般腐蚀或连续腐蚀。点腐蚀：在金属表面上极局部区域由于氯离子或氯化物盐引起的一种腐蚀破坏形式，它是由钝化膜的局部破坏所引起的。又称点蚀或孔蚀。晶间腐蚀：晶界的电极电位低于晶内，导致晶界比晶内腐蚀程度大。应力腐蚀：在张应力状态和特定的腐蚀介质（主要是氯化物盐、碱的水溶液以及蒸汽介质）作用下，材料发生破裂的现象。磨损腐蚀：在同时存在着腐蚀和机械磨损时，两者相互加速的腐蚀称为磨损腐蚀。对不锈钢来说，晶间腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀是不允许发生的，凡是有其中一种腐蚀，即认为不锈钢在该介质中是不耐蚀的。答案请你当医生格林太太是位漂亮、开朗、乐观的妇女。当她开怀大笑的时候，人们可以发现她一口整齐洁白的牙齿中镶有两颗假牙：其中一颗是黄金的—这是她富有的标志：另一颗是不锈钢的—这是一次车祸后留下的痕迹。令人百思不解的是，自从车祸以后，格林太太经常头痛、夜间失眠、心情烦躁…医生绞尽了脑汁，格林太太的病情仍未有好转…一位年轻的化学家来看望格林太太，并为她揭开了病因。化学家发现了什么？你能为格林太太开一个药方吗？真相永远只有一个：由于金与铁（钢的主要成分）是活动性不同的两种金属，唾液中含有电解液，故构成了原电池，产生了微小的电流，使得格林太太头疼，因此必须换掉其中的一颗假牙。♪从上述腐蚀机理和类型的分析可见，要解决金属的电化学腐蚀问题，主要从以下几个方面入手：提高钢本身的耐蚀性能降低环境介质的腐蚀性采用机械保护或覆盖层提高钢的耐蚀性能的途径从提高钢本身的耐蚀性能（即金属材料的成分、组织设计）来说，可以有以下途径：第三使钢获得单相组织，降低微电池的数量；第二是提高不锈钢固溶体的电极电位或形成稳定的钝化区，降低微电池的电动势；第一使钢的表面形成稳定的保护膜，如钢中加入硅、铝、铬等；不锈钢的钝化钝化是指某些金属在特殊的环境下失去了金属活性，呈现与惰性金属相似的特性。钝化可改变金属表面状态，使电极电势升高。向钢中加入铬、铝、硅等元素，可在钢表面生成Cr2O3、Al2O3和SiO2等致密的钝化膜，起到防腐蚀作用。其中铬是最有效的元素，这就是不锈钢中加入铬元素的主要作用之一。另外，合金元素钼的加入可以进一步增强不锈钢的钝化作用，因此能提高钢在氧化性及非氧化性介质中的耐蚀性。合金元素对铁的电极电位的影响一般说来，合金固溶体的电极电位总是比其它合金化合物的电极电位低，因此在电化学腐蚀过程中，合金固溶体总是作为阳极而被腐蚀。研究表明，钢中加入Cr、Ni、Si等元素均能提高铁的电极电位。但实用中由于Ni较缺，而Si的大量加入会使钢变脆，因此只有Cr才是显著提高铁基固溶体电极电位的常用合金元素。Cr对Fe-Cr合金电极电势的影响(n(Q)为铬与铁的物质的量比)Tammann定律：铁基固溶体中Cr含量达12.5%原子比（即1/8）时，电极电位有一个突跃升高；当Cr的含量提高到25%原子比（即2/8）时，铁基固溶体的电极电位又有一个突跃的升高。这一现象称为二元合金固溶体电位的n/8规律。许多二元合金固溶体合金中存在这种规律。Me对不锈钢组织和力学性能的影响Me对铁基固溶体即钢的基体组织的影响首先取决于所加入的合金元素是α相稳定元素；还是γ相稳定元素。α相稳定元素占优势时可获得单相α基固溶体合金；γ相稳定元素占优势时可获得单相γ基固溶体合金。为了减少微电池的数量，可将金属材料设计成单相组织不锈钢的基体组织不仅是获得所需力学性能和工艺性能的保证，还是不锈钢具有良好耐蚀性能的组织保证。单相铁素体钢、单相奥氏体钢是不锈钢中耐蚀性能好的两类钢。三、合金元素对不锈钢基体组织的影响不锈钢的基体组织在室温下获得单相的组织(如单相铁素体和单相奥氏体)就可以减少微电池数目，这样钢的耐蚀性就得提高。当Cr的质量分数达到12.7％时，它能封闭γ相区，形成单一铁素体组织。为了获得单一奥氏体组织，若单独加镍元素，其加入Cr的质量分数必须达到30％以上；若镍与铬复合加入，则可减小钢中Cr的质量分数。因此，应对合金成分加以适当搭配,普通奥氏体不锈钢中Cr-Ni的搭配为：w(Cr)=18％、w(Ni)=8％，一般称这类钢为18-8型奥氏不锈钢。主要合金元素对不锈钢组织的影响碳作为不锈钢中的合金元素，对不锈钢的组织和性能都有重要的影响。碳是奥氏体的合金元素，稳定奥氏体的能力约为镍含量的三十倍。但碳与铬的亲和力很大，能形成一系列的复杂的碳、铬化合物，钢中C的质量分数越大，钢的耐蚀性越低。因此，不锈钢中C的质量分数一般比较小，大多数不锈钢中w(C)=0.1-0.2％，C的质量分数不超过0.4％，只有在少数情况下，为了获得高硬度、高耐磨性(如轴承、弹簧等)，才将C的质量分数增大；为了保证钢的耐蚀性，Cr的质量分数相应也要增大，如9Cr18钢。铬是不锈钢的主加合金元素，而铬又是稳定铁素体的元素。当碳含量较低，含铬量在13%时，就可获得铁素体不锈钢；当含铬量从13%增加到27%时，由于含铬量的增加，稳定铁素体的能力增加，故钢中碳含量可增加到0.05%~0.2%，仍能保持钢的铁素体组织。当铬含量在12%~18%时，一定的碳和镍等γ相稳定元素可使钢在加热时形成较多的或完全的γ相；同时又由于γ相稳定元素含量不是很多，使得MS点在室温以上，所以这类钢淬火能产生马氏体，即为马氏体不锈钢。镍是不锈钢中三个重要的元素（铬、碳、镍）之一，镍除能提高耐蚀性能外，还是γ相稳定元素，是不锈钢中获得单相奥氏体和促进奥氏体相形成的主要元素。单独使用镍的低碳镍钢，只有当镍的含量达到24%时才能获得单相奥氏体组织；镍和铬的配合使用时，如当含镍量高于3%，铬含量高于18%以后，铬、镍按比例地增加，可以获得铁素体-奥氏体双相不锈钢；当含镍量高于8%后，铬含量在18%~27%的范围内使不锈钢获得单相奥氏体组织。镍还能有效地降低MS点，使奥氏体能保持到-50℃以下。合金元素对不锈钢力学性能的影响主要取决于不锈钢的强化机制：强化：铬、硅、碳等合金元素提供了基体的固溶强化、相变强化、细化晶粒强化、第二相（δ铁素体）强化、沉淀强化及亚结构强化等强化机制均可使不锈钢获得大幅度强化。不锈钢的力学性能，除沉淀硬化型外，马氏体不锈钢具有较好的综合力学性能；铁素体+奥氏体双相不锈钢的强度和延展性也较好；单相的铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的强度性能相近，但前者屈服强度较高，而后者的延展性较好。韧化：不锈钢的韧性不仅取决于基体组织，而且还受钢中碳、氮以及杂质元素氧、硫、磷、锰、硅等的影响。铁素体不锈钢具有较低的冲击韧性和较高的韧-脆转变温度；而铁素体不锈钢中含有奥氏体相时，其冲击韧性得到改善，韧脆转变温度很快下降到了-50℃以下；奥氏体不锈钢具有很高的冲击韧性和很低的韧脆转变温度，所以，奥氏体不锈钢是很好的低温用钢。钢中的碳、氮及杂质元素氧、硫、磷、锰、硅等的含量愈低，不锈钢的韧脆转变温度愈低。因此，工程上对不锈钢中杂质元素的净化具有重要的适用意义。根据不锈耐蚀钢的基本组织,可分为:①马氏体不锈钢Cr13型不锈钢,高温加热淬火后基体为马氏体；②铁素体不锈钢如0Cr17Ti、1Cr25Ti等；③奥氏体不锈钢具有单相奥氏体组织，有铬镍奥氏