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不锈钢中合金元素的作用有哪些

来源:至德钢业 日期:2021-05-05 19:32:43 人气:1117

 不锈钢最常用的元素有十几种,除了组成钢的基本元素铁以外,对不锈钢的性能与组织影响较大的元素有碳、铬、镍、氮、锰、钼、钛、铌等。实际上工业上应用的不锈钢都是同时存在几种或十几种元素的,当几种元素共存于不锈钢中时,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。


 一、碳


  碳是强烈形成并稳定奥氏体的元素,其形成奥氏体的能力很大,约为镍的30倍,对不锈钢最终组织有非常大甚至决定性的影响。


  碳是一种间隙元素,通过固溶强化可以显著提高不锈钢的强度和硬度,但降低了塑性和韧性。


  碳和铬的亲和力很大,在钢中容易形成一系列复杂的碳化物(如Cr23C6),从而导致局部贫铬,使不锈钢的耐腐蚀性能特别是耐晶间腐蚀性能下降。


  例如0Cr13~4Cr13这五个钢号由于含碳量不同,强度与耐腐蚀性能也是有区别的,0Cr13~2Cr13钢的耐腐蚀性相对较好但强度低于3Cr13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。


  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。


二、铬


  铬是不锈钢中唯一的决定性的元素,也是使不锈钢获得不锈性和耐酸性最重要的元素。铬在钢中的含量超过一定的数值(约12%)后,钢的耐腐蚀性发生突变,从容易生锈到不易生锈。


  铬能提高不锈钢的耐腐蚀性能(如点腐蚀、缝隙腐蚀)和耐氧化性能。


  随着铬含量的增加,不锈钢中σ相(非磁性的脆性相)的析出倾向增加,容易导致不锈钢脆化。


  铬是强碳化物形成元素,易与碳结合生成Cr23C6而发生晶间腐蚀。


  铬是铁素体形成元素。


三、镍


  镍是优良的耐腐蚀材料,但在不锈钢中的作用是与铬配合后才发挥出来的。低碳镍钢中含镍只有大于27%时耐腐蚀性能才有显著的变化,所以镍不能单独构成不锈钢。


  镍是奥氏体不锈钢中的主要合金元素,其主要作用是形成并稳定奥氏体,使钢获得完全奥氏体组织,从而具有良好的强度和塑性、韧性的配合,并具有优良的冷、热加工性和冷成行性。


  随着不锈钢中镍含量的提高,钢的热力学稳定性和钝化膜稳定性增加,所以能提高不锈钢的高温抗氧化性能和不锈性。


  总之,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。


四、氮


  氮是强烈形成并稳定奥氏体的元素,形成奥氏体的能力与碳相当,约为镍的30倍。所以可以代替部分镍,早期主要用于Cr-Mn-N(Cr-Mn-Ni-N)奥氏体不锈钢中,以节约钢中的镍。


  作为间隙元素,氮的固溶强化作用很强,可以显著提高强度,同时对韧性的损害并像碳那样大。


  氮能提高奥氏体不锈钢耐点腐蚀和缝隙腐蚀的能力。氮还可抑制碳化物析出和延缓σ相的形成。


  氮与其它合金金属Ti、Zr、V、Nb等结合形成氮化物,还可以起到细化晶粒的作用。


五、锰


  锰在钢中稳定奥氏体的作用与镍相似,能力约为镍的1/2,可以起到部分代替Ni的作用。


  在提高钢的耐腐蚀性能方面,锰的作用不大,以锰代镍的奥氏体不锈钢其耐腐蚀性主要取决于钢中的铬、镍、钼、氮等元素的含量。


  锰是有效的脱氧剂,能去除钢中所溶的氧;锰和硫有较强的亲和力(生成MnS),有利于消除钢中硫的有害作用。但是进一步的研究表明,正是MnS的存在常常导致奥氏体不锈钢耐点腐蚀、缝隙腐蚀能力的下降。


  锰含量增加能提高不锈钢的强度,但无镍的Cr-Mn-N不锈钢在低温下会出现韧性-脆性转变。


六、钼


  钼是形成和稳定铁素体的元素,形成铁素体的能力与铬相当。


  钼在奥氏体不锈钢中的主要作用是提高钢的耐还原性介质的腐蚀性能和耐点腐蚀、耐缝隙腐蚀能力。


  钼能提高不锈钢的高温强度,改善高温蠕变性能,因此含钼不锈钢也常常在高温下使用。


七、铜


  铜作为合金元素的作用是显著降低不锈钢的冷作硬化倾向,提高冷加工成形性能。在含钼奥氏体不锈钢中,铜与钼配合,能进一步提高不锈钢在还原性介质中的耐腐蚀性。


八、钛或铌


  钛或铌与碳的亲合力远大于铬,因此这两种元素主要作为稳定钢中碳的元素加入,优先与碳结合形成TiC或NbC,防止或减少M 23 C 6的形成,从而达到防止晶间腐蚀的目的。


  钛和铌均为强铁素体形成元素,因而含钛、铌的铁素体不锈钢一般具有单一的纯铁素体组织,而含钛、铌的奥氏体不锈钢有时会形成少量铁素体。钛和铌在钢中还能形成金属间相,提到细化晶粒、提高强度、高温强度的作用。


  含钛不锈钢也给生产也来一些难题:含钛不锈钢连铸困难,连铸坯表面质量差,非金属夹杂物严重;这些非金属夹杂物常常成为腐蚀源,使钢的耐点腐蚀性能变差。


九、硅


  硅是强烈形成铁素体的元素,在一般不锈钢中为常存杂质元素。


  但在某些特殊用途不锈钢中,硅是不可或缺的合金元素。如目前用于工程中的高硅铬镍奥氏体不锈钢中的硅含量在4%和6%两类,在浓硝酸和含Cr6+的硝酸以及浓硫酸中的耐腐蚀性能优良,主要是因为不锈钢表面富硅膜(SiO2)的形成抑制了钢中硫的有害作用。


十、硫


  硫在不锈钢中主要被视为有害杂质,因为它能降低不锈钢的热塑性和耐腐蚀性能,因此含量有严格的要求。


  但在易切削不锈钢中,硫是作为有益的合金元素添加的。这是因为细小的硫化物夹杂具有导致应力集中的缺口效应,降低切削抗力,能改善不锈钢的切削性能。硒也具有同样的作用。


十一、磷


  磷一般被看作有害杂质,而不是合金元素。但利用磷对钢的强化作用,也可加磷作为时效硬化不锈钢的合金元素,如PH17-10P钢约含0.25%的磷。



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