不銹鋼的種類與防銹原理以及熱處理
時(shí)間:2024-04-24 12:18來(lái)源:德松官網(wǎng) 作者:德松模具鋼
不銹鋼并不是不會(huì)腐蝕，只不過(guò)腐蝕速度較慢而已、絕對(duì)不被腐蝕的鋼材是不存在的，在同一介質(zhì)中不同種類的不銹鋼腐蝕速度大不相同，同一種不銹鋼在不同的介質(zhì)中腐蝕行為也很大。
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據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年因腐蝕而報(bào)廢的鋼材約占鋼材年產(chǎn)量的四分之一，而不銹鋼的產(chǎn)量占鋼鐵總產(chǎn)量的百分之一。石油、化工、化肥、合成纖維和石油提煉等工業(yè)部門中廣泛使用的金屬材和許多容器、管道、閥門、泵等一般都因與各種腐蝕性介質(zhì)接觸遭受腐蝕而報(bào)廢。因此，材料受到腐蝕而失效是當(dāng)今材料研究與發(fā)展中的三大主要問(wèn)題之一，另兩個(gè)問(wèn)題是抗疲勞與耐磨損問(wèn)題。
不銹鋼是指具有抗腐蝕性能的一類鋼種，通常所說(shuō)的不銹鋼是不銹鋼與耐酸鋼的總稱。不銹鋼不一定耐酸，但耐酸鋼同時(shí)又是不銹鋼。所謂不銹鋼是指能抵抗大氣及弱腐蝕介質(zhì)腐蝕的鋼種。腐蝕速度小于0．01 mm每年者為完全耐蝕腐蝕，速度小于0.1 mm每年者為耐蝕。所謂的耐酸鈉是指在各種強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中能耐酸鈉的鋼。腐蝕速度小于0.1mm每年者為完全耐蝕，腐蝕速度小于1mm每年者為耐蝕。因此,不銹鋼并不是不腐蝕、只不過(guò)腐蝕速度較慢而已、絕對(duì)不被腐蝕的鋼是不存在的。
值得注意的是在同一介質(zhì)中,不同種類的不銹鋼腐蝕速度大不相同而同一種不銹鋼在不同的介質(zhì)中腐蝕行為也大不一樣。例如鎳鉻不銹鋼在氧化性介質(zhì)中的耐蝕性很好，但在非氧化介質(zhì)中(如鹽酸）的耐蝕性就不好了。因此掌握各類不銹鋼的特點(diǎn)、對(duì)于正確選擇和使用不銹鋼是很重要的。
不銹鋼不僅要耐蝕，還要承受或傳遞載荷，因此還需要具有較好的力學(xué)性能。一般以板、管等型材加工成構(gòu)件或零件，因此，要有良好的切削加工性能和良好的焊接性能。不銹鋼按典型正火組織分為：鐵素體(F)型不銹鋼、馬氏體(M)型不銹鋼、奧氏體(A)型不銹鋼、奧氏體-鐵素體(A-F)雙相型不銹鋼及沉淀硬化或過(guò)渡型不銹鋼。
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不銹鋼的合金化原理
提高鋼耐蝕性的方法很多，如表面鎮(zhèn)一層耐蝕金屬、涂敷非金屬層、電化學(xué)保護(hù)和改變腐蝕環(huán)境介質(zhì)等。但是利用合金化方法 ，提高材料本身的耐蝕性是最有效的防止腐蝕破壞的措施之一，其方法如下；
● 加入合金元素，提高鋼基體的電極電位，從而提高鋼的抗電化學(xué)腐蝕能力。一般住鋼中加入鉻、鎳、硅多元素均能提高其電極電位。由于Ni較缺，Si的大量加入會(huì)使鋼變脆，因此 ，只有Cr才是顯著提高鋼基體電極電位常用的元素。
鉻能提高鋼的電極電位，但不是呈線性關(guān)系、如圖5.1所示。實(shí)驗(yàn)證呼鋼的電極電位隨合金元素的增加，存在著一個(gè)量變到質(zhì)變的關(guān)系，遵循1/8規(guī)律。當(dāng)鉻含量達(dá)到一定值時(shí)即1/8原子(1/8、2/8、3/8…)時(shí) ，電極電位將有一個(gè)突變。因此，幾乎所有的不銹鋼中，鉻含量均在12.5%（原子）以上，即11.7%（質(zhì)量）以上。
● 加入合金元素使鋼的表面形成一層穩(wěn)定的、完整的與鋼的基體結(jié)合牢固的純化膜。從而提高鋼的耐化學(xué)腐蝕能力。如在鋼中加入鉻硅鋁等合金元素 ，使鋼的表層形成致密的Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜 ，就可提高鋼的耐蝕性。
● 加入合金元素使鋼在常溫時(shí)能以單相狀態(tài)存在，減少微電池?cái)?shù)目從而提高鋼的耐蝕性。如加入足夠數(shù)量的鉻或鉻鎳，使鋼在室溫下獲得單相鐵 素體或單相奧氏體。
● 加入Mo、Cu等元素，提高鋼抗非氧化性酸腐蝕的能力。
● 加入Ti、Nb等元素，消除Cr的晶間偏析，從而減輕了晶問(wèn)腐蝕傾向。
● 加入Mn、N等元素，代替部分Ni獲得單相奧氏體組織，同時(shí)能大大提高銘不銹鋼在有機(jī)酸中的耐蝕性。
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不銹鋼的種類和特點(diǎn)
不銹鋼有兩種分類法：一種是按合金元素的特點(diǎn)，劃分為鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼；另一種是按在正火狀態(tài)下鋼的組織狀態(tài) ，劃分為M不銹鋼、F不銹鋼、A不銹鋼和A-F雙相不銹鋼。
● 馬氏體不銹鋼
典型的馬氏體不銹鋼鋼號(hào)有1Cr13，4Cr13和9Cr18等，1Cr13鋼加工工藝性能良好。可不經(jīng)預(yù)熱進(jìn)行深沖、彎曲、卷邊及焊接。2Crl3冷變形前不要求預(yù)熱，但焊接前需預(yù)熱 ，ICrl3、2Cr13主要用來(lái)制作耐蝕結(jié)構(gòu)件如汽輪機(jī)葉片等，而3Cr13、4Cr13主要用來(lái)制作醫(yī)療器械外科手術(shù)刀及耐磨零件；9Cll8可做耐蝕軸承及刀具。
● 鐵素體不銹鋼
鐵素作不銹鋼的含Cr量一般為13％～30％合碳量低于0.25%。有時(shí)還加入其它合金元素。金相組織主要是鐵素體，加熱及冷卻過(guò)程中沒(méi)有α<=>γ轉(zhuǎn)變，不能用熱處理進(jìn)行強(qiáng)化?？寡趸詮?qiáng)，加入合金元素比可在有機(jī)酸及 含Cl-的介質(zhì)中有較強(qiáng)的抗蝕。同時(shí)，它還具有良好的熱加工性及一定的冷加工性。鐵體不銹鋼主要用來(lái)制作要求有較高的耐蝕性而強(qiáng)度要求較低的構(gòu)件，廣泛用于制造生產(chǎn)硝酸、氮肥等設(shè)備和化工使用的管道等。典型的鐵素體不銹鋼有Cr17型、Cr25型和Cr28型,其成分性能及熱處理工藝如表所示
● 奧氏體不銹鋼
奧氏作不銹鋼是克服馬氏作不銹鋼耐蝕性不足和鐵素體不銹鋼脆性過(guò)大而發(fā)展起來(lái)的?；境煞譃镃r8％、Ni8％簡(jiǎn)稱18－8鋼。其特點(diǎn)是合碳量低于0.1％，利用Cr、Ni配合獲得單相奧氏體組織。奧氏作不銹鋼一般用于制造生產(chǎn)硝酸、硫酸等化工設(shè)備構(gòu)件、冷凍工業(yè)低溫設(shè)備構(gòu)件及經(jīng)形變強(qiáng)化后可用作不銹鋼彈簧和鐘表發(fā)條等。
奧氏體不銹鋼具有良好的抗均勻腐蝕的性能，但在局部抗腐蝕方面，仍存在下列問(wèn)題：
◎ 奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕
奧氏作不銹鋼在450～850℃保溫或緩慢冷卻時(shí)，會(huì)出現(xiàn)晶問(wèn)腐蝕。合碳量越高，晶間蝕傾向性越大。此外，在焊接件的熱影響區(qū)也會(huì)出現(xiàn) 晶間腐蝕。這是由于在晶界上析出富Cr的Cr23C6。使其周圍基體產(chǎn)生貧鉻區(qū)，從而形成腐蝕原電池而造成的。這種晶間腐蝕現(xiàn)象在前面提到的鐵素體不銹鋼中也是存在的。
工程上常采用以下幾種方法防止晶間腐蝕：
◎ 降低鋼中的碳量，使鋼中合碳量低于平衡狀態(tài)下在奧氏體內(nèi)的飽和溶解度，即從根本上解決了鉻的碳化物（Cr23C6）在晶界上 析出的問(wèn)題。通常鋼中合碳量降至0.03％以下即可滿足抗晶間腐蝕性能的要求。
◎ 加入Ti、Nb等能形成穩(wěn)定碳化物（TiC或NbC）的元素，避免在晶界上析出Cr23C6，即可防上奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕。
◎ 通過(guò)調(diào)整鋼中奧氏體形成元素與鐵素體形成元素的比例，使其具有奧氏體 鐵索體雙相組織，其中鐵素體占5％-12％。這種雙相組織不易產(chǎn)生晶間腐蝕。
◎ 采用適當(dāng)熱處理工藝，可以防止晶間腐蝕，獲得最佳的耐蝕性。
● 奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕
應(yīng)力（主要是拉應(yīng)力）與腐蝕的綜合作用所引起的開裂稱為應(yīng)力腐蝕開裂，簡(jiǎn)稱SCC（Stress Crack Corrosion）。奧氏體不銹鋼容易在含氯離子的腐蝕介質(zhì)中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。當(dāng)合Ni量達(dá)到8％-10％時(shí)，奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕傾向性最大，繼續(xù)增加 含Ni量至45％～50％應(yīng)力腐蝕傾向逐漸減小，直至消失。防止奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的最主要途徑是加入Si2％～4％并從冶煉上將N含量控制在0.04％以下。此外還應(yīng)盡量減少P、Sb、Bi、As等雜質(zhì)的含量 。另外可選用A-F雙用鋼，它在Cl-和OH-介質(zhì)中對(duì)應(yīng)力腐蝕不敏感。當(dāng)初始的微細(xì)裂紋遇到鐵素體相后不再繼續(xù)擴(kuò)展，體素體含量應(yīng)在6%左右。
● 奧氏作不銹鋼的形變強(qiáng)化
單相的奧氏體不銹鋼具有良好的冷變形性能，可以冷拔成很細(xì)的鋼絲，冷軋成很薄的鋼帶或鋼管。經(jīng)過(guò)大量變形后，鋼的強(qiáng)度大力提高 ，尤其是在零下溫區(qū)軋制時(shí)效果更為顯著?？估瓘?qiáng)度可達(dá) 2 000 MPa以上。這是因?yàn)槌死渥饔不Ч?，還疊加了形變誘發(fā)M轉(zhuǎn)變。
奧氏作不銹鋼經(jīng)形變強(qiáng)化后可用來(lái)制造不銹彈簧、鐘表發(fā)條、航空結(jié)構(gòu)中的鋼絲繩等。形變后若需焊接，則只能采用點(diǎn)焊工藝、形變使應(yīng)力腐蝕傾向性增加 。并因部分Y-＞M轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生鐵磁性，在使用時(shí)（如儀表零件中）應(yīng)予以考慮。
再結(jié)晶溫度隨形變量而改變，當(dāng)形變量為60％時(shí)，其再結(jié)晶溫度降為650℃冷變形奧氏體不銹鋼再結(jié)晶退火溫度為850～1050℃，850℃則需保溫3h，1050℃時(shí) 透燒即可，然后水冷。
● 奧氏作不銹鋼的熱處理
奧氏體不銹鋼常用的熱處理工藝有：固溶處理、穩(wěn)定化處理和去應(yīng)力處理等。
◎ 固溶處理
將鋼加熱到1050～1150℃后水淬，主要目的是使碳化物溶于奧氏體中，并將此狀態(tài)保留到室溫 ，這樣鋼的耐蝕性會(huì)有很大改善。如上所述，為了防止晶問(wèn)腐蝕，通常采用固溶化處理，使Cr23C6溶于奧氏體中，然后快速冷卻。對(duì)于薄壁件可采用空冷 ，一般情況采用水冷。
◎ 穩(wěn)定化處理
一般是在固溶處理后進(jìn)行，常用于含Ti、Nb的18-8鋼，固處理后，將鋼加熱到850～880℃保溫后空冷 ，此時(shí)Cr的碳化物完全溶解，脫而鈦的碳化物不完全溶解，且在冷卻過(guò)程中充分析出，使碳不可能再形成格的碳化物，因而有效地消除了晶間腐蝕。
◎ 去應(yīng)力處理
去應(yīng)力處理是消除鋼在冷加工或焊接后的殘余應(yīng)力的熱處理工藝一般加熱到300～350℃回火。對(duì)于不 含穩(wěn)定化元素Ti、Nb的鋼，加熱溫度不超過(guò)450t，以免析出鉻的碳化物而引起晶間腐蝕。對(duì)于超低碳和合Ti、Nb不銹鋼的冷加工件和焊接件，需在500～950℃,加熱 ，然后緩冷，消除應(yīng)力（消除焊接應(yīng)力取上限溫度），可以減輕晶間腐蝕傾向并提高鋼的應(yīng)力腐蝕抗力。
● 奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼
在奧氏作不銹鋼的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加Cr含量并減少Ni含量，并與回溶化處理相配合，可獲得具有奧氏體和鐵素體的雙相組織（含40～60％δ-鐵素體）的不銹鋼，典型鋼號(hào)有0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti、OCr21Ni6Mo2Ti等。雙相不銹鋼與里氏體不銹鋼相比有較好的焊接性，焊 后不需熱處理，而且其晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕傾向性也較小。但由于含Cr量高，易形成σ相，使用時(shí)應(yīng)加以注意。
(德松模具鋼供稿 http://mwbright.cn）
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