不銹鋼是指主加元素鉻含量能使鋼處于鈍化狀態(tài),又具有不銹特性的鋼。為此,不銹鋼w(Cr)應(yīng)高于12%(不銹鋼是一類(lèi)以Fe-Cr、Fe-Cr-C、Fe-Cr-Ni為合金系的高合金鋼,作為此類(lèi)的鋼必須含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于10.5%的鉻,含有這個(gè)最低鉻含量的鋼在其表面可以形成一個(gè)惰性氧化物層,這個(gè)惰性氧化物層可以保護(hù)內(nèi)層的金屬在不含腐蝕介質(zhì)的空氣中不被氧化和腐蝕。某些鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于11%的鋼,比如用于電站的w(Cr)=9%鉻的合金鋼有時(shí)也被劃為不銹鋼,同時(shí)也要指出某些w(Cr)=12%的鋼,甚至更高鉻含量的鋼,暴露在空氣中也會(huì)生銹。這是因?yàn)槟承┿t被結(jié)合成碳化物或其他化合物而降低了母材中的鉻含量,使其低于形成連續(xù)氧化物保護(hù)層所必須的鉻含量水平,如25%Cr-4%C)。此時(shí),鋼的表面能迅速形成致密的Cr2O3氧化膜,使鋼的電極電位和在氧化性介質(zhì)中的耐蝕性發(fā)生突變性提高。在非氧化介質(zhì)(HCl、H2SO4)中,鉻的作用并不明顯,除了鉻外,不銹鋼中還須加入能使鋼鈍化的鎳、鉬等其它元素。通常所說(shuō)的不銹鋼實(shí)際是不銹鋼和耐酸鋼的總稱,不銹鋼一般泛指在大氣、水等弱酸、堿、鹽等強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中耐蝕的鋼。兩者在化學(xué)成分上的共同特點(diǎn)是w(Cr)均在12%以上,但由于合金化的差異,不銹鋼并不一定耐酸,而耐酸鋼一般具有良好的不銹鋼性能。
一、不銹鋼發(fā)展史
1、 1821:法國(guó)人Berthier 進(jìn)行在鋼中加鉻的試驗(yàn);
2、 1897:德國(guó)人Goldschmidt開(kāi)發(fā)了生產(chǎn)低碳含鉻合金鋼的技術(shù);
3、 1904~1909:在法國(guó)和德國(guó)生產(chǎn)了w(Cr)=13%和17%的合金鋼;
4、 1913:英國(guó)人Brearly在Thomas Firth and Sons公司澆鑄了第一塊商業(yè)鑄錠,鑄件號(hào)No.1008,成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)):0.24%C、0.2%Si、0.44%Mn、12.86%Cr。
5、 1916:9月5日美國(guó)w(Cr)=9%~16%,w(Cr)<0.7%的鋼發(fā)布專(zhuān)利:專(zhuān)利號(hào)1,197,256。
把鉻加到鋼中并揭示其耐腐蝕的有利效應(yīng)要?dú)w功于法國(guó)人Berthier,他在1821年開(kāi)發(fā)了一種w(Cr)=1.5%的合金并建議用于餐刀。然而對(duì)這種鋼的早期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):隨鉻含量增加其成型性劇烈變壞(由于早期合金的碳含量很高),因而直到20世紀(jì)初期開(kāi)發(fā)這種鋼的興趣仍然不大。對(duì)于耐蝕鋼的興趣在1900年到1915年期間又重新興起,很多冶金學(xué)家為開(kāi)發(fā)耐蝕鋼而獲得信貸。這各重新興起開(kāi)發(fā)耐蝕鋼活動(dòng)的催化劑是1897年Goldschmidt在德國(guó)開(kāi)發(fā)了生產(chǎn)低碳含鉻合金鋼的技術(shù)。隨后不久Guillet(1904), Portevin(1909) 和Giesen(1909)等發(fā)表了描述w(Cr)=13%的馬氏體不銹鋼和w(Cr)=18%的鐵素體不銹鋼的微觀組織和性能的論文。1909年Guillet還發(fā)表了一篇關(guān)于鉻-鎳鋼研究的論文,這種鋼的奧氏體類(lèi)不銹鋼的前驅(qū)。
英國(guó)人Brearly被認(rèn)為是不銹鋼的發(fā)明者,當(dāng)時(shí)是為了研究由w(Cr)=5%鋼制作的來(lái)復(fù)槍槍膛因內(nèi)部腐蝕而失效的問(wèn)題,通過(guò)研究在1913年8月他鑄成了成份(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為12.86%Cr, 0.25%C, 0.20%Si, 和0.44%Mn的合格鑄錠。這種鋼被用來(lái)制造了12個(gè)實(shí)驗(yàn)槍管,雖然并沒(méi)有像所期望的那樣改進(jìn)槍管的腐蝕問(wèn)題,但其中某些材料被用來(lái)制造餐刀刀片而開(kāi)始了應(yīng)用不銹鋼的紀(jì)元。
二、不銹鋼的種類(lèi)、化學(xué)成分及其用途
不銹鋼按照組織類(lèi)型,可分為五類(lèi),即鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼。
不銹鋼的重要特性之一是耐蝕性,然而不銹鋼的不銹性和耐蝕性都是相對(duì)的,有條件的,受到諸多因素的影響,包括介質(zhì)種類(lèi)、濃度、純凈度、流動(dòng)狀態(tài)、使用環(huán)境的溫度、壓力等,目前還沒(méi)有對(duì)任何腐蝕環(huán)境都具有耐蝕性的不銹鋼。因此,不銹鋼的選用應(yīng)根據(jù)具體的使用條件加以合理選擇,才能獲得良好的使用效果。
奧氏體不銹鋼在各種類(lèi)型不銹鋼中應(yīng)用最廣泛,品種也最多。由于奧氏體不銹鋼的鉻、鎳含量較高,因此在氧化性、中性以及弱還原性介質(zhì)中均具有良好的耐蝕性。奧氏體不銹鋼的塑韌性優(yōu)良,冷熱加工性能俱佳,焊接性優(yōu)于其它類(lèi)型不銹鋼,因而廣泛應(yīng)用于建筑裝飾、食品工業(yè)、醫(yī)療器械、紡織印染設(shè)備以及石油、化工 、原子能等工業(yè)領(lǐng)域。
鐵素體不銹鋼的應(yīng)用比較廣泛,其中Cr13和Cr17型鐵素體不銹鋼主要用于腐蝕環(huán)境不十分苛刻的場(chǎng)合,例如室內(nèi)裝飾、廚房設(shè)備、家電產(chǎn)品、家用器具等。超低碳高鉻含鉬鐵素體不銹鋼因?qū)β然飸?yīng)力腐蝕不敏感,同時(shí)具有良好的耐點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕性能,因而廣泛用于熱交換設(shè)備、耐海水設(shè)備、有機(jī)酸及制堿設(shè)備等。
馬氏體不銹鋼應(yīng)用較為普遍的是Cr13型馬氏體不銹鋼。為獲得或改善某些性能,添加鎳、鉬等合金元素,形成一些新的馬氏體不銹鋼。馬氏體不銹鋼主要用于硬度、強(qiáng)度要求較高,耐腐蝕要求不太高的場(chǎng)合,如量具、刀具、餐具、彈簧、軸承、氣輪機(jī)葉片、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、泵、閥等。
雙相不銹鋼是金相組織由奧氏體和鐵素體兩相組成的不銹鋼,而且各相占有較大的比例。雙相不銹鋼具有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的一些特點(diǎn),韌性良好 、強(qiáng)度較高,耐氯化物應(yīng)力腐蝕。適于制作海水處理設(shè)備、冷凝器,熱交換器等,在石油、化工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
沉淀硬化不銹鋼是在不銹鋼中單獨(dú)或復(fù)合添加硬化元素,通過(guò)適當(dāng)熱處理獲得高強(qiáng)度、高韌性并具有良好腐蝕性的一類(lèi)不銹鋼。通常作為耐磨、耐蝕、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件,如軸、齒輪、葉片等轉(zhuǎn)動(dòng)部件和螺栓、銷(xiāo)子、墊圈、彈簧、閥、泵等零部件以及高強(qiáng)度壓力容器、化工處理設(shè)備等。
三、不銹鋼的組織特點(diǎn)
因化學(xué)元素含量的上下限和熱處理狀態(tài)的差異,從各元素對(duì)不銹鋼組織的影響和作用程度來(lái)看,基本上有兩類(lèi)元素。一類(lèi)是形成或穩(wěn)定奧氏體的元素:碳、鎳、錳、氮和銅等,其中碳和氮作用程度最大。另一類(lèi)是縮小甚至封閉γ相區(qū)即形成鐵素體的元素:鉻、硅、鉬、鈦、鈮、鉭、釩、鎢和鋁等,其中鈮的作用程度最小。
不銹鋼的組織有以下幾種組織類(lèi)型:
1. 奧氏體不銹鋼
奧氏體不銹鋼有Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Ni-Mo、Fe-Cr-Ni-Mn等系列。為改善某些性能,滿足特殊用途要求,在一些鋼中單獨(dú)或復(fù)合添加了氮、鈮、銅、硅等合金元素。奧氏體不銹鋼通常在室溫下為純奧氏體組織,也有一些奧氏體不銹鋼室溫下的組織為奧氏體加少量鐵素體,這種少量鐵素體有助于防止熱裂紋的產(chǎn)生。奧氏體不銹鋼不能用熱處理方法強(qiáng)化,但由于這類(lèi)鋼具有明顯的冷加工硬化性,可通過(guò)冷變形方法提高強(qiáng)度。經(jīng)冷變形產(chǎn)生的加工硬化,可采用固溶處理使之軟化。
2. 鐵素體不銹鋼
今年來(lái)鐵素體不銹鋼逐漸向低碳高純度發(fā)展,使鐵素體不銹鋼的脆化傾向和焊接性得到明顯改善。該類(lèi)鋼在固溶狀態(tài)下為鐵素體組織。當(dāng)鋼中w(Cr)超過(guò)16%時(shí),仍存在加熱脆化傾向。在400~600℃溫度區(qū)間停留易出現(xiàn)475℃脆化,在650~850℃溫度區(qū)間易引起σ相析出而導(dǎo)致的脆化,加熱至900℃以上易造成晶粒粗化,使韌性降低。這類(lèi)鋼還有脆性轉(zhuǎn)變特性,其脆性轉(zhuǎn)變溫度與鋼中碳、氮含量,熱處理時(shí)的冷卻速度以及截面尺寸有關(guān),碳、氮含量越低,截面尺寸越小,脆性轉(zhuǎn)變溫度越低。475℃脆化和σ相析出引起的脆化,可通過(guò)熱處理方法予以消除。采用516℃以上短時(shí)加熱后空冷,可消除475℃脆化,加熱到900℃以上急冷可消除σ相脆化。
3. 馬氏體不銹鋼
馬氏體不銹鋼w(Cr)范圍在12%~18%,w(C)范圍在0.1%~1.0%,也有一些含碳量更低的馬氏體不銹鋼,如0Cr13Ni5Mo等。馬氏體不銹鋼加熱時(shí)可形成奧氏體,一般在油或空氣中冷卻即可得到馬氏體組織,含碳量較低的馬氏體不銹鋼淬火狀態(tài)的組織為板條馬氏體加少量鐵素體,如1Cr13、1Cr17Ni2、0Cr16Ni5Mo等。當(dāng)w(C)超過(guò)0.3%時(shí),正常淬火溫度加熱時(shí)碳化物不能完全固溶,淬火后的組織為馬氏體加碳化物。
馬氏體不銹鋼可以達(dá)到很寬的強(qiáng)度范圍,屈服強(qiáng)度可以從退火狀態(tài)下的275MPa到淬火+回火狀態(tài)下的1900MPa。對(duì)于大多數(shù)的工程應(yīng)用,淬火后的鋼一般要進(jìn)行回火,以得到所需的韌性和塑性。
4. 鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼
鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼室溫下的組織為鐵素體加奧氏體,通常鐵素體的體積分?jǐn)?shù)不低于50%。雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼相比,具有較低的熱裂傾向,而與鐵素體不銹鋼相比,則具有較低的加熱脆化傾向,其焊接熱影響區(qū)鐵素體的粗化程度也較低。但這類(lèi)鋼仍然存在鐵素體不銹鋼的各種加熱脆性傾向。
5. 沉淀硬化不銹鋼
沉淀硬化不銹鋼包括馬氏體沉淀硬化不銹鋼、半奧氏體沉淀硬化不銹鋼和奧氏體沉淀硬化不銹鋼。由于這類(lèi)鋼中含有較多硬化元素,比普通奧氏體不銹鋼的焊接性差。
四、不銹鋼的物理性能和力學(xué)性能
1. 不銹鋼物理性能
奧氏體不銹鋼比電阻可達(dá)碳鋼的5倍,線膨脹系數(shù)比碳鋼的約大50%,而馬氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的線膨脹系數(shù)大體上和碳鋼的相等。奧氏體不銹鋼的熱導(dǎo)率為碳鋼的1/2左右。奧氏體不銹鋼通常是非磁性的。鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量較低的奧氏體不銹鋼在冷加工變形較大的情況下,會(huì)產(chǎn)生形變誘導(dǎo)馬氏體,從而產(chǎn)生磁性。用熱處理方法可消除這種馬氏體和磁性。
2. 不銹鋼的力學(xué)性能
馬氏體不銹鋼在退火狀態(tài)下,硬度最低,可淬火硬化,正常使用時(shí)的回火狀態(tài)的硬度又稍有下降。鐵素體鋼的特點(diǎn)是常溫沖擊韌性低。當(dāng)高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱時(shí),力學(xué)性能將進(jìn)一步惡化,可能導(dǎo)致475℃脆化、σ脆性或晶粒粗大等。奧氏體不銹鋼常溫具有低的屈強(qiáng)比(40%~50%),伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和沖擊吸收功均很高并具有高的冷加工硬化性。某些奧氏體不銹鋼經(jīng)高溫加熱后,會(huì)產(chǎn)生σ相和晶界析出碳化鉻引起的脆化現(xiàn)象。在低溫下,鐵素體和馬氏體不銹鋼的夏比沖擊吸收功均很低,而奧氏體不銹鋼則有良好的低溫韌性。對(duì)含有百分之幾鐵素體的奧氏體不銹鋼,則應(yīng)注意低溫下塑性和韌性降低的問(wèn)題。
五、不銹鋼的耐腐蝕性能
金屬受介質(zhì)的化學(xué)及電化學(xué)作用而破壞的現(xiàn)象稱為腐蝕,不銹鋼的主要腐蝕形式有均勻腐蝕(表面腐蝕)和局部腐蝕,局部腐蝕包括晶間腐蝕、點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕等。據(jù)統(tǒng)計(jì),在不銹鋼腐蝕破壞事故中,由均勻腐蝕引起的僅占約10%,而由局部腐蝕引起的則高達(dá)90%以上,由此可見(jiàn),局部腐蝕是相當(dāng)嚴(yán)重的。
1. 均勻腐蝕
均勻腐蝕是指接觸的金屬表面全部產(chǎn)生腐蝕的現(xiàn)象。檢查方法多半使用失重法。
2. 局部腐蝕
①. 晶間腐蝕
在腐蝕介質(zhì)作用下,起源于金屬表面沿晶界深入金屬內(nèi)部的腐蝕稱為晶間腐蝕。它是一種局部性腐蝕。晶間腐蝕導(dǎo)致晶粒間的結(jié)合力喪失,材料強(qiáng)度幾乎消失,是一種很值得重視的危險(xiǎn)的腐蝕現(xiàn)象。導(dǎo)致奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的原因很多,概括有以下幾種:
a.碳化鉻析出引起的晶間腐蝕
b.σ相析出引起的晶間腐蝕
c.晶界吸附引起的晶間腐蝕
d.穩(wěn)定元素高溫溶解引起的晶間腐蝕
②. 點(diǎn)蝕及縫隙腐蝕
點(diǎn)蝕及縫隙腐蝕的共同機(jī)理是腐蝕區(qū)間產(chǎn)生“閉塞電池腐蝕”作用所致,但各自的具體原因不相同。
點(diǎn)蝕是指在金屬材料表面產(chǎn)生的尺寸約小于1.0mm的穿孔性或蝕坑性的宏觀腐蝕。點(diǎn)蝕的形成主要是由于材料表面鈍化膜的局部破壞所引起的。
縫隙腐蝕是金屬構(gòu)件縫隙處發(fā)生的斑點(diǎn)狀或潰瘍形宏觀蝕坑。它是以腐蝕部位的特征命名的。和點(diǎn)蝕形成機(jī)理有差異之點(diǎn)在于縫隙腐蝕主要是由介質(zhì)的電化學(xué)不均勻性引起的。因此,改善運(yùn)行條件、改變介質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)形式是防止縫隙腐蝕的重要措施。
③. 應(yīng)力腐蝕斷裂(SCC)
應(yīng)力腐蝕是指在靜拉伸應(yīng)力與電化學(xué)介質(zhì)共同作用下,因陽(yáng)極溶解過(guò)程引起的斷裂。在應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)共同作用下有三種不同類(lèi)型的局部腐蝕——應(yīng)力腐蝕、氫脆和腐蝕疲勞。