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    不銹鋼中合金元素的作用有哪些
    發布者:不銹鋼管廠(www.wuhansk.cn) 發布時間:2020/7/22 閱讀:50

     不銹鋼最常用的元素有十幾種,除了組成鋼的基本元素鐵以外,對不銹鋼的性能與組織影響較大的元素有碳、鉻、鎳、氮、錳、鉬、鈦、鈮等。實際上工業上應用的不銹鋼都是同時存在幾種或十幾種元素的,當幾種元素共存于不銹鋼中時,它們的影響要比單獨存在時復雜得多,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

       碳是強烈形成并穩定奧氏體的元素,其形成奧氏體的能力很大,約為鎳的30倍,對不銹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銹鋼的強度和硬度,但降低了塑性和韌性。

      碳和鉻的親和力很大,在鋼中容易形成一系列復雜的碳化物,從而導致局部貧鉻,使不銹鋼的耐腐蝕性能特別是耐晶間腐蝕性能下降。

      例如0Cr13~4Cr13這五個鋼號由于含碳量不同,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于3Cr13和4Cr13鋼,多用于制造結構零件;后兩個鋼號由于含碳較高而可獲得高的強度多用于制造彈簧、刀具等要求高強度及耐磨的零件。又如為了克服18-8鉻鎳不銹鋼的晶間腐蝕,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(鈦或鈮),使之不形成碳化鉻。

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

     

     2. 鉻

      鉻是不銹鋼中唯一的決定性的元素,也是使不銹鋼獲得不銹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%)后,鋼的耐腐蝕性發生突變,從容易生銹到不易生銹。

      鉻能提高不銹鋼的耐腐蝕性能(如點腐蝕、縫隙腐蝕)和耐氧化性能。

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

      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,但在不銹鋼中的作用是與鉻配合后才發揮出來的。低碳鎳鋼中含鎳只有大于27%時耐腐蝕性能才有顯著的變化,所以鎳不能單獨構成不銹鋼。

      鎳是奧氏體不銹鋼中的主要合金元素,其主要作用是形成并穩定奧氏體,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,并具有優良的冷、熱加工性和冷成行性。

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

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

     

     4. 氮

      氮是強烈形成并穩定奧氏體的元素,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,早期主要用于Cr-Mn-N(Cr-Mn-Ni-N)奧氏體不銹鋼中,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,同時對韌性的損害并像碳那樣大。

      氮能提高奧氏體不銹鋼耐點腐蝕和縫隙腐蝕的能力。氮還可抑制碳化物析出和延緩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面,錳的作用不大,以錳代鎳的奧氏體不銹鋼其耐腐蝕性主要取決于鋼中的鉻、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),有利于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銹鋼耐點腐蝕、縫隙腐蝕能力的下降。

      錳含量增加能提高不銹鋼的強度,但無鎳的Cr-Mn-N不銹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。

      鉬在奧氏體不銹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。

      鉬能提高不銹鋼的高溫強度,改善高溫蠕變性能,因此含鉬不銹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銹鋼的冷作硬化傾向,提高冷加工成形性能。在含鉬奧氏體不銹鋼中,銅與鉬配合,能進一步提高不銹鋼在還原性介質中的耐腐蝕性。

     

     8. 鈦或鈮

      鈦或鈮與碳的親合力遠大于鉻,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。

      鈦和鈮均為強鐵素體形成元素,因而含鈦、鈮的鐵素體不銹鋼一般具有單一的純鐵素體組織,而含鈦、鈮的奧氏體不銹鋼有時會形成少量鐵素體。鈦和鈮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。

      含鈦不銹鋼也給生產也來一些難題:含鈦不銹鋼連鑄困難,連鑄坯表面質量差,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. 硅

      硅是強烈形成鐵素體的元素,在一般不銹鋼中為常存雜質元素。

      但在某些特殊用途不銹鋼中,硅是不可或缺的合金元素。如目前用于工程中的高硅鉻鎳奧氏體不銹鋼中的硅含量在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,主要是因為不銹鋼表面富硅膜(二氧化硅)的形成抑制了鋼中硫的有害作用。

     

     10. 硫

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

      但在易切削不銹鋼中,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,能改善不銹鋼的切削性能。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銹鋼的合金元素,如PH17-10P鋼約含0.25%的磷。

     

     

     
     

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