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【不锈钢 所含各元素的作用】
发布时间:2011.03.01    来源:    人气:1761

    工业上 应用的不锈钢都是同时存在几种以至十几种元素的,当几种 元素共存于不锈钢这一个统一体中时,它们的 影响要比单独存在时复杂得多,因为在 这种情况下不仅要考虑各元素自身的作用,而且要 注意它们互相之间的影响,因此不 锈钢的组织决定于各种元素影响的总和。

  1)、各种元 素对不锈钢的性能和组织的影响和作用

  1-1、铬在不 锈钢中的决定作用:决定不 锈钢性属的元素只有一种,这就是铬,每种不 锈钢都含有一定数量的铬。迄今为止,还没有 不含铬的不锈钢。铬之所 以成为决定不锈钢性能的主要元素,根本的 原因是向钢中添加铬作为合金元素以后,促使其 内部的矛盾运动向有利于抵抗腐蚀破坏的方面发展。这种变 化可以从以下方面得到说明:

  ①铬使铁 基固溶体的电极电位提高

  ②铬吸收 铁的电子使铁钝化

  钝化是 由于阳极反应被阻止而引起金属与合金耐腐蚀性能被提高的现象。构成金 属与合金钝化的理论很多,主要有薄膜论、吸附论及电子排列论。

  1-2、碳在不 锈钢中的两重性

  碳是工 业用钢的主要元素之一,钢的性 能与组织在很大程度上决定于碳在钢中的含量及其分布的形式,在不锈 钢中碳的影响尤为显着。碳在不 锈钢中对组织的影响主要表现在两方面,一方面 碳是稳定奥氏体的元素,并且作用的程度很大(约为镍的30倍),另一方 面由于碳和铬的亲和力很大,与铬形成—系列复杂的碳化物。所以,从强度 与耐腐烛性能两方面来看,碳在不 锈钢中的作用是互相矛盾的。

  认识了 这一影响的规律,我们就 可以从不同的使用要求出发,选择不 同含碳量的不锈钢。

  例如工 业中应用最广泛的,也是最起码的不锈钢——0CRL3~4CR13这五个 钢号的标准含铬量规定为12~14%,就是把 碳要与铬形成碳化铬的因素考虑进去以后才决定的,目的即 在于使碳与铬结合成碳化铬以后,固溶体 中的含铬量不致低于11.7%这一最 低限度的含铬量。

  就这五 个钢号来说由于含碳量不同,强度与 耐腐蚀性能也是有区别的,0CR13~2CRL3钢的耐 腐蚀性较好但强度低于3CRL3和4CR13钢,多用于制造结构零件,后两个 钢号由于含碳较高而可获得高的强度多用于制造弹簧、刀具等 要求高强度及耐磨的零件。又如为了克服18-8铬镍不 锈钢的晶间腐蚀,可以将 钢的含碳量降至0.03%以下,或者加 入比铬和碳亲和力更大的元素(钛或铌),使之不形成碳化铬,再如当 高硬度与耐磨性成为主要要求时,我们可 以在增加钢的含碳量的同时适当地提高含铬量,做到既 满足硬度与耐磨性的要求,又兼顾—定的耐腐蚀功能,工业上用作轴承、量具与刃具有不锈钢9CR18和9CR17MOVCO钢,含碳量虽高达0.85~0.95%,由于它 们的含铬量也相应地提高了,所以仍 保证了耐腐蚀的要求。

  总的来讲,目前工 业中获得应用的不锈钢的含碳量都是比较低的,大多数 不锈钢的含碳量在0.1~0.4%之间,耐酸钢则以含碳0.1~0.2%的居多。含碳量大于0.4%的不锈 钢仅占钢号总数的一小部分,这是因 为在大多数使用条件下,不锈钢 总是以耐腐蚀为主要目的。此外,较低的 含碳量也是出于某些工艺上的要求,如易于 焊接及冷变形等。

  1-3、镍在不 锈钢中的作用是在与铬配合后才发挥出来的

  镍是优 良的耐腐蚀材料,也是合 金钢的重要合金化元素。镍在钢 中是形成奥氏体的元素,但低碳 镍钢要获得纯奥氏体组织,含镍量要达到24%;而只有含镍27%时才使 钢在某些介质中的耐腐蚀性能显着改变。所以镍 不能单独构成不锈钢。但是镍 与铬同时存在于不锈钢中时,含镍的 不锈钢却具有许多可贵的性能。

  基于上面的情况可知,镍作为 合金元素在不锈钢中的作用,在于它 使高铬钢的组织发生变化,从而使 不锈钢的耐腐蚀性能及工艺性能获得某些改善。

  1-4、锰和氮 可以代替铬镍不锈钢中镍

  铬镍奥 氏体钢的优点虽然很多,但近几 十年来由于镍基耐热合金与含镍20%以下的 热强钢的大量发展与应用,以及化 学工业日益发展对不锈钢的需要量越来越大,而镍的 矿藏量较少且又集中分布在少数地区,因此在 世界范围内出现了镍在供和需方面的矛盾。所以在 不锈钢与许多其他合金领域(如大型铸锻件用钢、工具钢、热强钢等)中,特别是 镍的资源比较缺乏的国家,广泛地 开展了节镍和以其他元素代镍的科学研究与生产实践,在这方 面研究和应用比较多的是以锰和氮来代替不锈钢与耐热钢中的镍。

  锰对于 奥氏体的作用与镍相似。但说得确切一些,锰的作 用不在于形成奥氏体,而是在 于它降低钢的临界淬火速度,在冷却 时增加奥氏体的稳定性,抑制奥氏体的分解,使高温 下形成的奥氏体得以保持到常温。在提高 钢的耐腐蚀性能方面,锰的作用不大,如钢中的含锰量从0到10.4%变化,也不使 钢在空气与酸中的耐腐蚀性能发生明显的改变。这是因 为锰对提高铁基固溶体的电极电位的作用不大,形成的 氧化膜的防护作用也很低,所以工 业上虽有以锰合金化的奥氏体钢(如40MN18CR4,50MN18CR4WN、ZGMN13钢等),但它们 不能作为不锈钢使用。锰在钢 中稳定奥氏体的作用约为镍的二分之一,即2%的氮在 钢中的作用也是稳定奥氏体,并且作 用的程度比镍还要大。例如,欲使含18%铬的钢 在常温下获得奥氏体组织,以锰和 氮代镍的低镍不锈钢与元镍的铬锰氮不诱钢,目前已 在工业中获得应用,有的已 成功地代替了经典的18-8铬镍不锈钢。

  1-5、不锈钢 中加钛或铌是为了防止晶间腐蚀。

  1-6、钼和铜 可以提高某些不锈钢的耐腐蚀性能。

  1-7、其他元 素对不锈钢的性能和组织的影响

  以上主 要的九种元素对不锈钢的性能和组织的影响,除这些 元素对不锈钢性能与组织影响较大的元素以外,不锈钢 中还含有一些其他的元素。有的是 和一般钢一样为常存杂质元素,如硅、硫、磷等。也有的 是为了某些特定的目的而加入的,如钴、硼、硒、稀土元素等。从不锈 钢的耐腐蚀性能这一主要性质来说,这些元 素相对于已讨论的九种元素,都是非主要方面的,虽然如此,但也不能完全忽略,因为它 们对不锈钢的性能与组织同样也发生影响。

  硅是形 成铁素体的元素,在一般 不锈钢中为常存杂质元素。

  钴作为 合金元素在钢中应用不多,这是因 为钴的价格高及其在其它方面(如高速钢、硬质合金、钴基耐热合金、磁钢或硬磁合金等)有着更重要的用途。在一般 不锈钢中加钴作合金元素的也不多,常用不锈钢如9CRL7MOVCO钢(含1.2-1.8%钴)加钴,目的并 不在于提高耐腐蚀性能而在于提高硬度,因为这 种不锈钢的主要用途是制造切片机械刃具、剪刀及手术刀片等。

  硼:高铬铁素体不锈钢CRL7MO2TI钢中加0.005%硼,可使在沸腾的65%醋酸中 的耐腐蚀性能提高。加微量的硼(0.0006~0.0007%)可使奥 氏体不锈钢的热态塑性改善。少量的 硼由于形成低熔点共晶体,使奥氏 体钢焊接时产生热裂纹的倾向增大,但含有较多的硼(0.5~0.6%)时,反而可 防止热裂纹的产生。因为当含有0.5~0.6%的硼时,形成奥氏体-硼化物两相组织,使焊缝的熔点降低。熔池的 凝固温度低于半溶化区时,母材在 冷却时产生的张应力,由处于液态。固态的焊缝金属承受,此时是 不致引起裂缝的,即使在 近缝区形成了裂纹,也可以为处于液态-固态的 熔池金属所填充。含硼的 铬镍奥氏体不锈钢在原子能工业中有着特殊的用途。

  磷:在一般 不锈钢中都是杂质元素,但其在 奥氏体不锈钢中的危害性不像在一般钢中那样显着,故含量可允许高一些,如有的资料提出可达0.06%,以利于冶炼控制。个别的 含锰的奥氏体钢的含磷量可达0.06%(如2CRL3NIMN9钢)以至0.08%(如CR14MNL4NI钢)。利用磷 对钢的强化作用,也有加 磷作为时效硬化不锈钢的合金元素,PH17-10P钢(含0.25%磷)乃PH-HNM钢(含0.30磷)等。

  硫和硒:在一般 不锈钢中也是常有杂质元素。但向不锈钢中加0.2~0.4%的硫,可提高 不锈钢的切削性能,硒也具有同样的作用。硫和硒 提高不锈钢的切削性能,是因为 它们降低不锈钢的韧性,例如一般18-8铬镍不 锈钢的冲击值可达30公斤/厘米2。含0.31%硫的18-8钢(0.084%C、18.15%CR、9.25%NI)的冲击值为1.8公斤/平方厘米;含0.22%硒的18-8钢(0.094%C、18.4%CR、9%NI)的冲击值为3.24公斤/平方厘米。硫与硒 均降低不锈钢的耐腐蚀性能,所以实 际应用它们作为不锈钢的合金化元素的很少。

  稀土元素:稀土元 素应用于不锈钢,目前主 要在于改善工艺性能方面。如向CRL7TI钢和CR17MO2TI钢中加 少量的稀土元素,可以消 除钢锭中因氢气引起的气泡和减少钢坯中的裂纹。奥氏体和奥氏体-铁素体不锈钢中加0.02~0.5%的稀土元素(铈镧合金),可显着改善锻造性能。曾有一种含19.5%铬、23%镍以及 钼铜锰的奥氏体钢,由于热 加工工艺性能在过去只能生产铸件,加稀土 元素后则可轧制成各种型材。

 

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