不锈钢知识讲解

2020/7/81不锈钢(StainlessSteel)2020/7/821.钢种简介(1)不锈钢之涵义不锈钢是不锈钢和耐酸钢的总称。不锈钢系指耐大气、蒸汽和水等弱介质腐蚀的钢，耐酸钢则指耐酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢。不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢一般均具有不锈性。2020/7/83不锈钢具有不锈和耐蚀特性，其主要原因是由于钢表面形成富铬氧化膜而钝化。研究表明，钢中铬含量大于12%以后引起耐蚀性突变，因此，不锈钢中含铬量一般应大于12%。国内外都曾试图开发节铬和无铬的不锈钢，除特殊情况外，迄今尚未获得有效的进展。2020/7/84不锈钢的发明是世界冶金史上的一项重大进展。研究开发始于1904年，1908～1911年蒙纳尔兹(P.Monnartz)于德国提出了不锈性和钝化理论，开辟了工业用不锈钢的先河，到50年代各种不锈钢系列已具雏形，60年代不锈钢的冶炼技术得到了突破性进展，1950年全世界不锈钢总产量不足100万吨，到1990年增至1100万吨，40年间增长了10倍以上。2020/7/85(2)不锈钢的分类不锈钢钢种很多，性能各异，常见分类方法有：按钢的组织结构分类：如马氏体不锈钢，铁素体不锈钢；奥氏体不锈钢，双相不锈钢，等。按钢中主要化学元素或特征元素分类：如铬不锈钢，铬镍不锈钢、铬镍钼不锈钢、超低碳不锈钢；高钼不锈钢，等。按钢的性能特点和用途分类：如高强度不锈钢、耐应力腐蚀不锈钢；耐硝酸不锈钢，耐硫酸不锈钢，耐点蚀不锈钢，等。按钢的功能特点分类：如低温不锈钢、无磷不锈钢，易切削不锈钢，等。2020/7/86在实际应用中，常按组织结构和化学元素两者结合的分类方法，如：五类：马氏体不锈钢，铁素体不锈钢，奥氏体不锈钢，双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢。两类：铬不锈钢和铬镍不锈钢。2020/7/87不锈钢的强化机制不锈钢的强化机制广泛地采用固溶强化，此外还有相变强化、第二相强化、细化晶粒强化、沉淀强化和亚结构强化等。图为在8～10％Ni奥氏体不锈钢中各种强化机制对屈服强度的贡献。图中显示了在不锈钢中，固溶强化是重要的强化机制，而晶粒细化对强度的贡献最大。2020/7/88马氏体不锈钢具有较好的综合机械性能，即较高的强度和一定的延展性；铁素体＋奥氏体不锈钢的强度较高、延展性也较好；铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢的强度性能相近，但后者的延展性远较其他各类不锈钢为高。在所有的不锈钢中奥氏体不锈钢塑性最好，沉淀硬化不锈钢的强度最高。2020/7/89(3)不锈钢可加工成各类形状，常见有：扁平材：热轧板、带卷、冷轧板、带卷、表面加工和涂层板、带卷。长型材：热轧棒材冷拔棒材冷拔丝、极细丝热轧管冷拔管、极细管铸件：阀门、管件2020/7/8102.不锈钢冶炼的技术核心不锈钢冶炼的技术核心可归纳为四个字：脱碳保铬在一般不锈钢的成份范围内，可认为在Fe-Cr-C-O构成的四元体系中基本的反应式为：Cr3O4(s)+4[C]=3[Cr]+4{CO}(g)2020/7/811若取一氧化碳的分压为一个大气压，即Pco=1atm，实用的热力学计算式为：其中：T为绝对温度K[%Cr]和[%C]分别为熔池中Cr和C的重量百分浓度。2020/7/812相应的有下图。可以看出：对于Cr=18%的不锈钢，若使C降至0.12%以下，溶池温度可达到1825℃，炉衬将很快毁坏。这就是单炉法冶炼的基本困难。2020/7/813在饱和氧的熔池中铬、碳和温度的关系2020/7/814考虑到Pco的影响，热力学计算式为其中Pco为气相中一氧化碳的分压，单位为(atm)。由此式得到减压操作有利于不锈钢冶炼的启示：降低气相中的Pco－－稀释AOD降低气相总压强－－真空VOD2020/7/81518%Cr钢C%－温度－Pco的关系A：吹氧法操作条件B：降低Pco法操作条件2020/7/816AOD－ArgonOxygenDecarburization氩氧脱碳法，现今世界范围内最主要的不锈钢冶炼手段。美国联合碳化物公司(UCC-UnionCarbideCorporation)于1954年开始研究，最初是研究铬铁生产的脱碳保铬方法，于1968年在美国乔斯林钢公司(JoslynSteel)成功用于生产。第一台AOD炉容量为15t。现专利权为普莱克斯(PRAXAIR)公司所持有，已向全世界发放许可证一百多台，其炉容量为3t~175t。我国自制第一台AOD是太原钢铁公司的6吨炉，为1978年投产。2020/7/817主要装备：炉体供气(O2、Ar、N2)供料除尘2020/7/8182020/7/819VOD－VacuumOxygenDecarburization真空吹氧脱碳法，现今世界范围内第二位的不锈钢冶炼手段，冶炼超低碳、高难度、高纯度的不锈钢更为有效。为原西德维腾特殊钢厂(EdelstahlwerkWitten)于1967年所发明，第一台容量为50t。现全世界共有近百台，其容量为5t~150t。我国第一台为13t，在大连钢厂1982年投产。2020/7/820主要装备有：钢桶真空罐氧枪加料系统取样测温真空系统控制系统2020/7/8212020/7/822一般来说，金属(固溶体)的电极电位总是比其他化合物的电极电位低，所以在腐蚀过程中，金属(固溶体)总是作为阳极而被腐蚀。提高铁的电极电位，即可提高其耐蚀性。研究表明，当铬加人铁中形成固溶体时，铁固溶体的电极电位得到显著的提高.3合金元素对不锈钢基体组织和耐蚀性的影响2020/7/823电极电位随铬含量变化的规律是：在铬量达到12.5%原子比(即1/8)时，电位有一个突跃升高。当铬量提高到25％原子比(2/8)时，铁的固溶体的电位又有一次突跃升高，这一现象称为二元合金固溶体电位的n/8规律。假如钢中虽含有12.5%原子比的铬量，但因一部分铬和钢中的碳化合,固溶体中实际含铬量低于12.5%,则钢的耐蚀性就不能得到突跃的提高。铬对于铁钝化性能和提高电极电位的良好作用,使铬成为各种不锈钢的主要合金化元素。n/8规律2020/7/824不锈钢的基体组织是获得所需力学性能和工艺性能的保证，而更重要的是具有良好的耐蚀性的保证。单相铁素体钢、单相奥氏体钢，是不锈钢中耐蚀性较好的两类钢。合金元素对基体组织的影响首先取决于合金元素是α稳定剂还是γ稳定剂。α稳定剂的元素占优势可获得单相α不锈钢；反之则获得单相γ不锈钢。2020/7/8252020/7/8262020/7/8272020/7/8281)铬：铬是决定不锈钢耐蚀性的主要元素当铬含量(原子比)达到1/8,2/8…时，铁的电极电位就跳跃式地增加，耐蚀性也随之而提高。铬元素是α稳定化元素。铬的氧化物比较致密，可形成耐蚀的保护膜。2)碳:碳能强烈地稳定奥氏体，稳定奥氏体的能力均为镍的30倍；同时，又是不锈钢强化的主要元素；碳与铬能形成一系列碳化物，使不锈钢的耐蚀性受到严重影响；同时碳使不锈钢的加工性能和焊接性能变坏。2020/7/8293)镍：镍是不锈钢中的一种重要元素，能提高耐蚀性；镍是γ稳定化元素，镍能有效地降低Ms点，使奥氏体能保持到很低的温度.4)锰：锰是镍的代用品，是γ稳定化元素；锰在奥氏体不锈钢中部分替代Ni,2%Mn相当1％Ni.5)钛、铌：钛和铌是强的碳化物形成元素，可优先于铬同碳形成碳化物，防止晶间腐蚀，提高耐蚀性。2020/7/8306)钼：钼提高不锈钢的钝化作用和耐蚀性，可阻止点蚀。7)铬,镍当量可由下列公式计算：铬当量：由铁素体形成元素来确定：Cr当量=(Cr)+2(Si)+1.5(Mo)+5(V)+5.5(Al)+1.75(Nb)+1.5(Ti)+0.75(W)同样，镍当量由奥氏体形成元素确定：Ni当量=(Ni)+(Co)+0.5(Mn)+0.3(Cu)+25(N)+30(C)以上各元素均为重量百分比.2020/7/831合金元素可归纳为铬,镍当量对不锈钢组织的影响，见图.8)各种元素对不锈钢组织的影响根据上述计算式算出的铬,镍当量数，在Schaefflerdiagram图中求得其交点，根据交点所在相区，确定钢的相组成。2020/7/832奥氏体不锈钢是含有铬和较多的稳定奥氏体元素镍、锰、氮，使用状态为奥氏体的一种不锈钢。1）A不锈钢体系4奥氏体不锈钢2020/7/833MicrographofAISI316austeniticstainlesssteelshowingamicrostructureconsistingof100%austenite.Thestraight-edgedareas(markedbyarrows)withinthegrainsareannealingtwins.Electrolyticallyetchedin60partsnitricacidin40partswater,stainlesssteelcathode,at6Vdirectcurrent.2002）A不锈钢组织2020/7/8343）A不锈钢的晶间腐蚀奥氏体不锈钢焊接后，在腐蚀介质中工作时，在离焊缝不远处会有严重的晶间腐蚀。这是由于焊接时焊缝周围有一个温度为450～800℃的过渡区，这一温度导致沿晶界析出(Cr,Fe)23C6,从而使晶界产生贫铬区。沿晶界析出Cr23C6过程可见图2020/7/835工程上为防止奥氏体钢晶间腐蚀现象，可采取如下措施：①降低钢中碳含量；②在钢中加稳定碳化物形成元素(Ti、Nb)，与碳结合析出特殊碳化物，消除晶间贫铬区。③钢经1050～1100℃加热淬火，保证固溶体中碳和铬的含量。④对非稳定性钢进行退火，使奥氏体成分均匀化，消除贫铬区；对稳定性钢，将铬的碳化物转变为钛、铌的特殊碳化物，保证耐蚀所需要的固溶体含铬水平2020/7/836在铬镍钢中,如果该钢在450～800℃的温度下工作,或人工在这温度下进行时效处理，也会得到由于焊接加热而产生的同样的效果。这种时效处理会导致不锈钢晶间腐蚀的敏感性，所以又称敏化处理。敏化处理和敏感性关系通常用(Time-Temperature-Sensitivation)曲线来表示，曲线1表示钢开始产生晶间腐蚀倾向；曲线2表示此时由于时间充分晶间腐蚀倾向已不出现。4）敏化处理2020/7/8374）奥氏体不锈钢的热处理为了获得均匀的单相奥氏体组织，需要进行淬火处理；为了消除由于焊接、热加工和其他工业操作中造成的应力和晶间腐蚀倾向，通常采用淬火，再退火处理。淬火处理时淬火温度必须高于碳化铬的溶解温度(Tp)一定温度。因此钢中碳量愈高，淬火温度应愈高.淬火后的钢，即具有优越的强度性能和耐蚀性的配合。对于不含钛、铌稳定化元素的钢进行退火，可以提高奥氏体-碳化物晶界铬的浓度，使钢具有高的抗晶界腐蚀性。对于用钛、铌合金化的钢进行退火，能够将碳化铬转变成特殊碳化物TiC或NbC,这样也就消除了晶间腐蚀倾向.2020/7/8381）F不锈钢体系5F不锈钢由于铬稳定α相的作用，在铬含量到达13％时，铁铬合金将无γ相变，从高温到低温一直保持α铁素体铁素体的耐蚀性(对硝酸氨水等)和抗氧化性均较好，特别是抗应力腐蚀性能较好，但机械性能及工艺性能较差，多用于受力不大的耐酸结构和作抗氧化钢使用。2020/7/8392）铁素体不锈钢的脆性σ相按Fe-Cr相图，45％Cr在820℃开始形成σ相。但实际生产中，由于铬钢中的显微偏析和其他稳定α相合金元素的作用，17％Cr的不锈钢就有可能形成σ相.σ相具有高的硬度(HRC68以上)，常常沿晶界分布，故引起很大的脆性，并可能促进晶间腐蚀。475℃脆性高铬钢中，当含Cr15%时，在400～525℃温度范围长时间加热后或在此温度范围内缓冷时，钢在室温下变得很脆。这个现象尤以475℃加热最甚，因而这种脆性被称为475℃脆性。2020/7/8403）铁素体不锈钢的热处理铁素体不锈钢平衡组织为铁素体＋铬的碳化物。碳化物析出时容易产生点蚀和产生晶间腐蚀，为了获得成分均匀的铁素体组织，减少碳化物析出，消除晶间腐蚀（Ⅰ区域）倾向，以及消除σ相（Ⅱ区域）析出和475℃脆性（Ⅲ区域），铁素体不锈钢