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不鏽鋼中合金元素的作用有哪些
發布者:不鏽鋼管廠(www.osunblock.com.cn) 發布時間:2020/7/22 閱讀:59

 不鏽鋼最常用的元素有十幾種,除了組成鋼的基本元素鐵以外,對不鏽鋼的性能與組織影響較大的元素有碳、鉻、鎳、氮、錳、鉬、鈦、铌等。實際上工業上應用的不鏽鋼都是同時存在幾種或十幾種元素的,當幾種元素共存於不鏽鋼中時,它們的影響要比單獨存在時複雜得多,因為在這種情況下不僅要考慮各元素自身的作用,而且要注意它們互相之間的影響。

 

 1. 碳

   碳是強烈形成並穩定奧氏體的元素,其形成奧氏體的能力很大,約為鎳的30倍,對不鏽鋼最終組織有非常大甚至決定性的影響。

  碳是一種間隙元素,通過固溶強化可以顯著提高不鏽鋼的強度和硬度,但降低了塑性和韌性。

  碳和鉻的親和力很大,在鋼中容易形成一係列複雜的碳化物,從而導致局部貧鉻,使不鏽鋼的耐腐蝕性能特別是耐晶間腐蝕性能下降。

  例如0Cr13~4Cr13這五個鋼號由於含碳量不同,強度與耐腐蝕性能也是有區別的,0Cr13~2Cr13鋼的耐腐蝕性相對較好但強度低於3Cr13和4Cr13鋼,多用於製造結構零件;後兩個鋼號由於含碳較高而可獲得高的強度多用於製造彈簧、刀具等要求高強度及耐磨的零件。又如為了克服18-8鉻鎳不鏽鋼的晶間腐蝕,可以將鋼的含碳量降至0.03%以下,或者加入比鉻和碳親和力更大的元素(鈦或铌),使之不形成碳化鉻。

  總的來講,目前工業中獲得應用的不鏽鋼的含碳量都是比較低的,大多數不鏽鋼的含碳量在0.1~0.4%之間,耐酸鋼則以含碳0.1~0.2%的居多。含碳量大於0.4%的不鏽鋼僅占鋼號總數的小部分,這是因為在大多數使用條件下,不鏽鋼總是以耐腐蝕為主要目的。此外,較低的含碳量也是出於某些工藝上的要求,如易於焊接及冷變形等。

 

 2. 鉻

  鉻是不鏽鋼中唯一的決定性的元素,也是使不鏽鋼獲得不鏽性和耐酸性最重要的元素。鉻在鋼中的含量超過一定的數值(約12%)後,鋼的耐腐蝕性發生突變,從容易生鏽到不易生鏽。

  鉻能提高不鏽鋼的耐腐蝕性能(如點腐蝕、縫隙腐蝕)和耐氧化性能。

  隨著鉻含量的增加,不鏽鋼中σ相(非磁性的脆性相)的析出傾向增加,容易導致不鏽鋼脆化。

  鉻是強碳化物形成元素,易與碳結合生成Cr23C6而發生晶間腐蝕。

  鉻是鐵素體形成元素。

 

 3. 鎳

  鎳是優良的耐腐蝕材料,但在不鏽鋼中的作用是與鉻配合後才發揮出來的。低碳鎳鋼中含鎳隻有大於27%時耐腐蝕性能才有顯著的變化,所以鎳不能單獨構成不鏽鋼。

  鎳是奧氏體不鏽鋼中的主要合金元素,其主要作用是形成並穩定奧氏體,使鋼獲得完全奧氏體組織,從而具有良好的強度和塑性、韌性的配合,並具有優良的冷、熱加工性和冷成行性。

  隨著不鏽鋼中鎳含量的提高,鋼的熱力學穩定性和鈍化膜穩定性增加,所以能提高不鏽鋼的高溫抗氧化性能和不鏽性。

  總之,鎳作為合金元素在不鏽鋼中的作用,在於它使高鉻鋼的組織發生變化,從而使不鏽鋼的耐腐蝕性能及工藝性能獲得某些改善。

 

 4. 氮

  氮是強烈形成並穩定奧氏體的元素,形成奧氏體的能力與碳相當,約為鎳的30倍。所以可以代替部分鎳,早期主要用於Cr-Mn-N(Cr-Mn-Ni-N)奧氏體不鏽鋼中,以節約鋼中的鎳。

  作為間隙元素,氮的固溶強化作用很強,可以顯著提高強度,同時對韌性的損害並像碳那樣大。

  氮能提高奧氏體不鏽鋼耐點腐蝕和縫隙腐蝕的能力。氮還可抑製碳化物析出和延緩σ相的形成。

  氮與其它合金金屬Ti、Zr、V、Nb等結合形成氮化物,還可以起到細化晶粒的作用。

 

 5. 錳

  錳在鋼中穩定奧氏體的作用與鎳相似,能力約為鎳的1/2,可以起到部分代替Ni的作用。
 
  在提高鋼的耐腐蝕性能方麵,錳的作用不大,以錳代鎳的奧氏體不鏽鋼其耐腐蝕性主要取決於鋼中的鉻、鎳、鉬、氮等元素的含量。

  錳是有效的脫氧劑,能去除鋼中所溶的氧;錳和硫有較強的親和力(生成MnS),有利於消除鋼中硫的有害作用。但是進一步的研究表明,正是MnS的存在常常導致奧氏體不鏽鋼耐點腐蝕、縫隙腐蝕能力的下降。

  錳含量增加能提高不鏽鋼的強度,但無鎳的Cr-Mn-N不鏽鋼在低溫下會出現韌性-脆性轉變。

 

 6. 鉬

  鉬是形成和穩定鐵素體的元素,形成鐵素體的能力與鉻相當。

  鉬在奧氏體不鏽鋼中的主要作用是提高鋼的耐還原性介質的腐蝕性能和耐點腐蝕、耐縫隙腐蝕能力。

  鉬能提高不鏽鋼的高溫強度,改善高溫蠕變性能,因此含鉬不鏽鋼也常常在高溫下使用。

 

 7. 銅

  銅作為合金元素的作用是顯著降低不鏽鋼的冷作硬化傾向,提高冷加工成形性能。在含鉬奧氏體不鏽鋼中,銅與鉬配合,能進一步提高不鏽鋼在還原性介質中的耐腐蝕性。

 

 8. 鈦或铌

  鈦或铌與碳的親合力遠大於鉻,因此這兩種元素主要作為穩定鋼中碳的元素加入,優先與碳結合形成TiC或NbC,防止或減少M23C6的形成,從而達到防止晶間腐蝕的目的。

  鈦和铌均為強鐵素體形成元素,因而含鈦、铌的鐵素體不鏽鋼一般具有單一的純鐵素體組織,而含鈦、铌的奧氏體不鏽鋼有時會形成少量鐵素體。鈦和铌在鋼中還能形成金屬間相,提到細化晶粒、提高強度、高溫強度的作用。

  含鈦不鏽鋼也給生產也來一些難題:含鈦不鏽鋼連鑄困難,連鑄坯表麵質量差,非金屬夾雜物嚴重;這些非金屬夾雜物常常成為腐蝕源,使鋼的耐點腐蝕性能變差。

 

 9. 矽

  矽是強烈形成鐵素體的元素,在一般不鏽鋼中為常存雜質元素。

  但在某些特殊用途不鏽鋼中,矽是不可或缺的合金元素。如目前用於工程中的高矽鉻鎳奧氏體不鏽鋼中的矽含量在4%和6%兩類,在濃硝酸和含Cr 6+的硝酸以及濃硫酸中的耐腐蝕性能優良,主要是因為不鏽鋼表麵富矽膜(二氧化矽)的形成抑製了鋼中硫的有害作用。

 

 10. 硫

  硫在不鏽鋼中主要被視為有害雜質,因為它能降低不鏽鋼的熱塑性和耐腐蝕性能,因此含量有嚴格的要求。

  但在易切削不鏽鋼中,硫是作為有益的合金元素添加的。這是因為細小的硫化物夾雜具有導致應力集中的缺口效應,降低切削抗力,能改善不鏽鋼的切削性能。硒也具有同樣的作用。

 

 11. 磷

  磷一般被看作有害雜質,而不是合金元素。但利用磷對鋼的強化作用,也可加磷作為時效硬化不鏽鋼的合金元素,如PH17-10P鋼約含0.25%的磷。

 

 

 
 

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