201系不锈钢文献综述

摘要IABSTRACTII目录III第一章文献综述1.1200系列不锈钢的现状及发展1.1.1200系列不锈钢的现状1.1.2200系列不锈钢特点1.1.3200系列不锈钢的应用及发展1.1.4200系列不锈钢性能的改进1.2201不锈钢1.3201不锈钢的设计原理1.4不锈钢的腐蚀51.4.1不锈钢的全面腐蚀1.4.2不锈钢的局部腐蚀1.5稀土元素在不锈钢中的应用1.5.1稀土的作用机理1.5.2稀土元素对不锈钢组织的影响1.5.2稀土元素对不锈钢耐腐蚀性的影响1.5.3钢中加入稀土的方法1.6课题的主要研究内容第一章文献综述1.1200系列不锈钢的现状及发展1.1.1200系列不锈钢的现状近年来以中国和印度为中心，扩大了200系列不锈钢的生产和应用范围，其产量已占世界年不锈钢总产量的8%左右；我国镍资源缺乏，供不应求，因此为适应不锈钢产业高速发展的要求，根据我国的资源情况，大力发展以锰、氮代镍型和节镍型不锈钢，是中国发展不锈钢产业走“节镍”之路的又一个重要方向。200系列不锈钢是由美国在二战时期首先开发成功的。当时，美方的镍供应量严重不足，在这种情况下，美国开发出了这种节镍型的奥氏体不锈钢。二战结束后，美国镍的供应状况逐步改善，因此，300系列不锈钢的生产不再受原料紧张的制约，200系列不锈钢就没有再得到更大的发展。几位参与开发200系列不锈钢的印度人对这种以锰、氮代镍型奥氏体不锈钢在印度进一步进行研究、应用，结果取得了很大的成功。于是，造成了200系列不锈钢在美国开发、在印度发展的历史现象。不锈钢是指具有抗腐蚀性能的一类钢种，按化学成份与金相组织分类如图1.1所示。图1.1不锈钢的分类Figure1.1theclassificationofstainlesssteel奥氏体不锈钢可分为铬镍系奥氏体不锈钢和铬锰系奥氏体不锈钢两个系列。镍系奥氏体不锈钢（300系列）是以镍为主要奥氏体化元素，因其在多种腐蚀介质中均具有优秀的耐腐蚀性能和良好的综合力学性能、工艺性能及可焊性，所以在化工、石油、海洋、食品、轻工等众多领域具有广泛的用途。但该系列钢强度和硬度偏低，不宜承受较重负荷及对硬度和耐磨性有较高要求的设备及部件上使用。200系列不锈钢是国际上通行的称呼，我国称之为铬锰系不锈钢。200系列不锈钢是加入锰、氮代替部分贵重金属镍的奥氏体不锈钢，具有良好的力学性能和一定的耐蚀性。由于钢中锰起稳定奥氏体的作用，并且氮强烈地形成并稳定奥氏体且起很好的固溶强化作用，提高了奥氏体不锈钢的强度，因此，这个系列的不锈钢，适宜在承受较重负荷而耐蚀性要求不太高的设备和部件上使用。1.1.2200系列不锈钢特点200系列不锈钢固溶处理后的抗拉强度偏高，一般为800～1100MPa，而且无法将抗拉强度降下来；冷加工硬化率急剧上升，冷加工强化系数K15，加工难度大，过程成本增加；具有优良的耐磨性能；弯曲成形和冷顶锻性能较差；并且传统的200系列钢对晶间腐蚀很敏感，而且加稳定化元素也无法改变其敏感性。200系列的奥氏体稳定性相对较差，在冷加工中容易因诱发马氏体相变而发生开裂。200系列不锈钢虽然Mn稳定奥氏体的作用只有Ni的一半，但却因添加了Cr、Mo、N而改善了耐蚀性；加之在强度和成形性方面具有与SUS304几乎同等的特性，故在室内及内陆无苛刻腐蚀环境下可充分代替SUS304钢使用[1]。1.1.3200系列不锈钢的应用及发展我国是不锈钢生产大国，其中，用于汽车制造、日用装潢、家用电器和厨房用具的200系列不锈钢年产量是120万吨左右，并以每年20%的速度递增，已经超过所有等级的不锈钢平均增速。由于我国是镍资源贫乏国家，其中一半需要进口。世界金属镍总储量为6400万t，如果按全球每年消耗148万吨计算，50年后将会耗尽。所以要合理利用镍，节约用镍。目前，世界各国在镍资源开发控制方面的竞争十分激烈。为此，国家鼓励钢铁企业大力研发生产低镍200系列不锈钢产品。200系列不锈钢虽然耐蚀性较差，但其强度与耐磨性较300系列不锈钢强，因此有它独特的优势[2]。如录音机、录像机磁头中的精密轴承要求强度高，且不能有磁性，200系列不锈钢恰好能满足这一要求，并且还广泛适用于作建筑用钢，如钢筋和铆钉等。200系列不锈钢具有更好的韧性、塑性、耐磨性等力学性能以及一定的耐腐蚀性能，节约了镍资源，成本较低，有着很好的发展前景。目前，我国正处在工业化、城镇化、加快建设新农村进程的阶段，随着城乡居民消费收入的不断增长，将推动民用领域不锈钢消费的持续扩大，近几年国内对铬锰系不锈钢产品需求还有一定的拓展空间，今后对铬锰系不锈钢的需求将转为平稳较快增长。从生产环节与消费环节上大力推广节镍不锈钢，是我国经济高速发展的必然趋势，对于降低生产成本、节约资源、综合利用优势资源具有十分重要的战略意义。1.1.4200系列不锈钢性能的改进200系列不锈钢的性能主要通过以下几个方面加以改进：（1）以氮代碳，稳定奥氏体，在提高强度的同时提高耐蚀性。向含铬大于15％的低碳铬锰钢中加氮，可使铁素体量减少，奥氏体增多。在低镍奥氏体不锈钢生产中，由于其热加工工艺制度尚不完善，在热轧阶段易出现边损、表面裂纹等缺陷；并且这种钢的热轧性能受氮含量的影响较大。由于氮是强烈奥氏体化元素，含氮量为0.015%时，钢的金相组织为铁素体，含氮量为0.13%～0.33%时，钢的金相组织为铁素体和奥氏体，含氮量为0.58%时，则可获得单一奥氏体。但在实际生产中，对钢中的含氮量应严格控制，在一般的冶炼条件下，氮的加入量超过一定数量时，由于氮的析出及氮析出时促进了氢的析出，使铸件容易产生气孔和疏松缺陷。氮在铁中的溶解度很小，铁在1535℃时可溶解0.0394％氮，常温下仅可溶解0.025％氮。虽然因为含有大量的铬和锰可使氮的溶解度提高，但在200系列不锈钢发展过程中遇到的第一个问题，仍是氮在钢中的溶解度的问题。在奥氏体不锈钢中利用氮来部分取代或与锰元素结合来完全取代贵金属镍，可以更加稳定奥氏体组织，在显著提高不锈钢强度的同时不损害其延性，而且能够提高不锈钢的耐局部腐蚀能力。锰的加入有利于氮溶解，不足之处是降低钢的耐腐蚀性，另外，锰是一个稳定奥氏体结构重要因素，然而，过量锰会产生的金属间化合物，并降低韧性和耐腐蚀性[3]。（2）加Cu提高不锈钢的堆垛层错能，降低钢的冷加工硬化率，改善了耐腐蚀性能。为保证奥氏体稳定性，采用降低碳和镍量，提高氮、锰、铜量，不仅可以保证其组织稳定性及良好的冷加工成形性，而且大大降低了成本。如204Cu中铜的加入减少加工硬化率，冷加工性能优于304型不锈钢。（3）加入稀土可使200系列不锈钢的腐蚀电位正移，维钝电流降低，热力学稳定性增加,抗晶间腐蚀和抗点蚀能力增强，并能使抗磨性得到一定程度改善，加之耐蚀性的显著提高，从而获得了良好的抗腐蚀磨损性能。稀土元素具有独特的电子壳层结构、活泼的化学特性，对钢铁冶金动力学、热力学、结晶过程、晶格的电子特性都有影响。添加稀土的不锈钢经检测证明，抗拉强度提高15%以上，屈服强度提高5%左右，冲击韧性提高20%以上，硬度降低HV170以下。不锈钢中添加稀土元素可改善热加工及抗氧化性能。研究表明，加入稀土元素钇、铒可以使氧化层厚度变薄和细晶强化[4]。1.2201不锈钢我国不锈钢国家标准中列有铬锰系奥氏体不锈钢牌号七个，其中四个分别相当于美国ASTM标准牌号201、201L、201、204，一个为前苏联ГОСТ标准牌号，两个为国内研制牌号。201（GB/T5216:1Cr17Mn6Ni5N）不锈钢属以Mn、N代Ni的奥氏体不锈钢，相对304型不锈钢节约了50%的Ni，亦具有良好的耐蚀性。201不锈钢用锰和氮代替不锈钢中部分镍，从而获得良好的力学性能和耐蚀性能，成为一种节镍的新型不锈钢。具有耐酸、耐碱,密度高、抛光无气泡、无针孔等特点,是生产各种表壳、表带底盖的优质材料，主要用于做弹簧、筛网、装饰管、工业管及一些浅拉伸的制品。201不锈钢有以下优点：第一，从加工性能看，201不锈钢可以适用于交通运输，厨卫设备及工业部门的设备和部件等几乎所有的制品领域，应用范围相当广阔。第二，在无腐蚀或弱腐蚀条件下将其作为装饰材料的应用领域也非常广阔，而且随着人们生活水平的提高，这个应用领域还将进一步扩大。第三，由于201不锈钢成分中含镍量低，在价格上比304不锈钢便宜约3000元/t，具有巨大的价格优势。1.3201不锈钢的设计原理锰是200系列不锈钢中用于代镍、节镍的主要合金化元素，具有弱形成和稳定奥氏体的作用，可提高不锈钢的强度。它与镍一样都是形成奥氏体的元素，其效果是镍的1/2。然而对高于12%Cr的钢，只加锰不能稳定奥氏体。研究表明，需要两倍的锰含量才能弥补每单位的镍含量，这是形成有关200系列不锈钢合金成分的基础。完全用锰代替Cr-Ni不锈钢中的镍是不可取的，其原因是Cr-Mn钢要获得完全奥氏体组织，除了要具有合适的含锰量外，还要考虑含碳量的影响，含碳量太低很难获得完全奥氏体组织。反之，提高含碳量对耐腐蚀性能不利。在锰对σ相形成的影响上，锰不是全部而是部分代替了镍。锰可提高氮的溶解度，奥氏体相区扩大。然而，氮在Cr-Mn不锈钢中不像在Cr-Ni不锈钢中有着强的奥氏体化作用，这也是Cr-Mn不锈钢的耐蚀性不占优势的主要原因[6]。锰的影响有两方面：一是可以防止在全奥氏体焊缝中的热裂纹，二是提高氮的溶解度。一般大气条件下生产这样的高铬高锰钢，Mn对N相互作用参数大且为负值，大约要0.2%的增氮量，因此，氮在钢中的溶解度由于Mn的存在明显提高。氮作为合金元素加入不锈钢中，在不影响钢的塑性和韧性情况下提高钢的强度，可部分替代不锈钢中的镍，降低成本。氮与钢中的合金元素相互作用，形成弥散分布的氮化物，起到弥散强化作用。氮是强烈的奥氏体形成和稳定化元素，可稳定和扩大奥氏体相区，形成奥氏体的能力相当于碳，约为镍的30倍。不锈钢中加入氮会抑制铁素体的形成，显著降低铁素体的含量，使奥氏体相更加稳定。因此，为了保证耐腐蚀性能和避免低镍奥氏体钢因冷加工而过度强化，比较合适的成分是：铬16～18％、锰7～9％、镍3.5～4.5％[7]。1.4不锈钢的腐蚀在众多的工业用途中，不锈钢都能提供今人满意的耐蚀性能。但不锈钢不是不发生腐蚀的钢，而是不容易发生腐蚀的钢。金属腐蚀按腐蚀形态可分为全面腐蚀和局部腐蚀两大类。不锈钢的主要腐蚀形态为局部腐蚀（即应力腐蚀开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、疲劳腐蚀以及缝隙腐蚀），这些局部腐蚀所导致的失效事例几乎占失效事例的一半以上。全面腐蚀是用来描述在整个合金表面上以比较均匀的方式所发生腐蚀现象的术语。当发生全面腐蚀时，材料由于腐蚀而逐渐变薄，甚至腐蚀失效。1.4.1不锈钢的全面腐蚀全面腐蚀是均匀腐蚀，在整个金属表面上以比较均匀的方式所发生的腐蚀，使金属逐渐变薄，最终失效。它是一种最常见的腐蚀形态，不锈钢在强酸和强碱中可能呈现全面腐蚀，例如钢在稀硫酸中的腐蚀就属于全面腐蚀。全面腐蚀和局部腐蚀有明显的区别：全面腐蚀的阴极与阳极都很微小而靠近，用肉眼甚至显微镜也难以分辩，即在整个金属的表面到处有微小的阴极和阳极随机地分布着，由于到处有微阳极，所以全面受腐蚀。金属发生局部腐蚀时，其阴极区与阳极区通常可以辩认，在发生较严重腐蚀处为阳极区，而且由于在多数情况下总是阴极区大于阳极区，阳极区的腐蚀电流密度大于阴极区，因此局部腐蚀要比全面腐蚀迅速[8]。据统计在所有腐蚀中腐蚀疲劳、全面腐蚀和应力腐蚀引起的破坏事故所占比例较高，分别为23%、22%和19%，其他十余种形式腐蚀合计为36%。从腐蚀重量上看，全面腐蚀（均匀腐蚀）造成金属的最大破坏，但从技术观点来看，全面腐蚀虽可造成金属的大量损失，但由于全面腐蚀速度易于测定，容易发觉，其危害性远不如局部腐蚀大。根据破坏形式的不同，对金属腐蚀程度的大小有各种不同的评定方法。对于全面腐蚀来说，通常用平均腐蚀速度来衡量[8]，腐蚀速度可用失重法、增重法、深度法和电流密度来表示。防止或减少全面腐蚀可采用下列措施：合理选取材料；表面涂覆保护层；介质中加入缓蚀剂；