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不銹鋼材料中的各種元素有什么作用?

2021-06-03   08:09:28   來自:admin

1.鉻——是構成不銹鋼的基本元素。 鉻是決定不銹鋼耐腐蝕性能的基本元素。在氧化性介質中,鉻能使鋼的表面很快形成 一層實際為腐蝕介質不能透過和不溶解的富鉻的氧化膜, 這層氧化膜很致密, 并與金屬基本 結合得很牢固,保護鋼免受外界介質進一步氧化浸蝕;鉻還能有效地提高鋼的電極電位。當 含鉻量不低于 12.5%原子時,可使鋼的電極電位發生突變,由負電位升到正的電極電位。因而 可顯著提高鋼的耐蝕性。鉻的含量越高,鋼的耐蝕性能越好。當含鉻量達到 25%、37.5% 原子時,會發生**次第三次的突變,使鋼具有更高的耐腐蝕性能。


2.鎳——單獨不能構成不銹鋼 鎳對不銹鋼耐腐蝕的影響,只有它與鉻配合時才能充分顯示出來。因為,低炭鎳鋼要獲 得純奧氏體組織,含鎳量需達 24%;要使鋼在某些介質中的耐腐蝕性能顯著改變,含鎳量 需在 27%以上。所以,鎳不能單獨構成不銹鋼。而在含鉻 18%的鋼中加入 9%的鎳,就能 使鋼在常溫下獲得單一奧氏體組織,并可以提高鋼對非氧化性介質(如:稀、、磷酸等)的 耐蝕性,并能改善鋼的焊接和冷彎等的工藝性能。

3.錳和氮——可代替鉻鎳不銹鋼中的鎳 錳和氮在不銹鋼中有鎳相仿的作用。錳的穩定奧氏體作用為鎳的二分之一,而氮的作 用比鎳大很多,約為鎳的 40 倍左右。因而錳和氮可代鎳獲得單一的奧氏體組織。但錳的加 入會使含鉻低的不銹鋼耐蝕性降低。同時,高錳奧氏體鋼不易加工。因此,在不銹鋼中不單 獨使用錳,只用部分代替鎳。


4.碳——在不銹鋼中具有兩重性 碳在不銹鋼中的含量及其分布的形式,在很大程度上左右著不銹鋼的性能和組織:一方 面碳是穩定奧氏體元素,并作用的程度很大,約為鎳的 30 倍,含碳量高的(馬氏體)不銹 鋼,完全可以接受淬火強化,從而在機械性能方面可大大提高它的強度;另一方面由于碳和 鉻的親和力很大, 在不銹鋼中要占用十七倍碳量的鉻與它結合成碳化鉻。 隨著鋼中含碳量的 增加,則與碳形成碳化物的鉻越多,從而顯著降低鋼的耐蝕性。所以,從強度與耐腐蝕性能 兩方面來看,碳在不銹鋼中的作用是互相矛盾的。在實際應用中,為了達到耐腐蝕的目的, 不銹鋼的含碳量一般較低,在大多在 0.1%左右,為了進一步提高鋼的耐腐蝕能力,特別是 抗晶間腐蝕的能力,常采用超低碳的不銹鋼,含碳量在 0.03%甚至更低;但用于制造滾動 軸承、彈簧、工具等不銹鋼,由于要求有高的硬度和耐磨性,因而含碳量較高,一般均在 0. 85~1.00%之間。如 9Cr18 鋼等。


5.鉬和銅——能提高某些不銹鋼對某些介質的耐腐蝕性能 鉬和銅能提高不銹鋼對、醋酸等腐蝕介質的耐蝕能力。鉬還能顯著提高對含氯離子的介 質(如)以及有機酸中的耐蝕能力。但含鉬的不銹鋼不宜在硝酸中應用,含鉬的不銹鋼在沸 騰的 65%硝酸中的腐蝕速度比不含鉬的增加一倍;銅加入鉻錳氮不銹鋼中,會加速不銹鋼 的晶間腐蝕。 鉬對鋼獲得單一奧氏體組織有不利影響,因此在含鉬鋼中,為了使鋼在熱處理后具有單 一的奧氏體組織。鎳在錳等元素的含量要相應的提高。


6.硅和鋁——能提高不銹鋼的抗氧化能力 硅對提高鉻鋼抗氧化能力的作用很顯著,含 5%鉻及 1%硅的鋼,抗氧化的能力可與 12% 鉻鋼相等。如使鋼在 1000℃能抵抗氧化,含 0.5%硅時需要 22%的鉻,如加入 2.5~3%的 硅以后,只需要 12%的鉻就可以了。有資料還介紹,向 Cr15Ni20 的鉻鎳鋼中加 2.5%的硅, 抗氧化性能可相當 Cr15Ni60 的鉻鎳合金。 向高鉻鋼中加鋁也能使抗氧化性能顯著提高,它的作用與加硅的功能相仿。 向高鉻鋼中加硅和鋁的目的: 一是為了進一步提高鋼的抗氧化性能, 二是為了節約用鉻。 硅和鋁對提高鉻鋼抗氧化性能的作用雖然很大,但也有很多缺點。主要的是它使鋼的 晶粒粗化和脆性傾向增大。


7.鎢和釩加入鋼中,其主要作用是提高鋼的熱強性。


8.硼 高鉻鐵素體不銹鋼(Cr17MO2Ti)中加 0.005%的硼,可使鋼在沸騰的 65%醋酸中的耐 腐蝕性能提高;奧氏體不銹鋼中加入微量(0.0006~0.0007%)的硼,可使鋼的熱態塑性改 善;硼對提高鋼的熱強性有良好的作用,可使不銹鋼的熱強性顯著提高;含硼的鉻鎳奧氏體 不銹鋼在原子能工業中有著特殊的用途。 但不銹鋼中含硼會使鋼的塑性和沖擊韌性降低。


9.除以上元素外,有些不銹鋼中還分別加入稀有金屬元素和稀土元素以改善鋼 的性能。 以上談到了構成不銹鋼的基本元素——鉻,和影響不銹鋼組織、性能的重要元素——碳, 以及改善不銹鋼性能和組織的添加元素——鎳、錳、氮、鈦、鈮、鉬、銅、硅、鋁、鎢、釩、 硼等十多個元素。 在工業上實際應用的不銹鋼, 很多鋼中同時存在著幾種至十幾種合金元素, 當幾種元素共存于不銹鋼這一統一體中時,決定不銹鋼組織的是各種元素影響的總和。 各種元素對不銹鋼組織的影響,根據其共同性,概括起來,基本上分屬于兩大類:一類 是形成或穩定奧氏體的元素,它們是碳、鎳、錳、氮、銅、以碳和氮的作用程度;另一 類是形成鐵素體的元素,它們是鉻、鎢、鉬、鈮、硅、鈦、釩、鋁等,這一類元素形成鐵素 體的作用,如以鉻為 1 來加以比較,其他元素的作用都比鉻大。 這兩類元素共存于不銹鋼中時,不銹鋼的組織就取決于他們互相影響的結果。如果穩定 奧氏體的元素的作用居于主要方面的話, 不銹鋼的組織就以奧氏體為主, 很少以至沒有鐵素 體; 如果他們的作用程度還不能使鋼的奧氏體保持至室溫的話, 這種不穩定的奧氏體在冷卻 時即發生馬氏體轉變, 鋼的組織則為馬氏體; 如果形成鐵素體的元素的作用成為主要方面的 話,鋼的組織則以鐵素體為主。 不銹鋼的性能除工藝因素外,主要取決于其內部組織的構成,而構成不銹鋼組織的是各 種合金元素在鋼中的總和。因此說,不銹鋼的性能,歸根到底主要是由合金元素決定的。 只含有鉻元素的不銹鋼,人們通常稱它為“不銹鐵”,工業上稱它為“鉻不銹鋼”。這類鋼都 具有磁性,他們的金相組織為鐵素體、馬氏體或鐵素體、馬氏體為主體的復相組織。這類鋼 具有抵抗大氣及弱腐蝕介質的能力,或有更高的耐腐蝕性能與抗氧化性能,或可淬火使用。 但他們的機械性能或工藝性能較差, 幾乎沒有焊接性能等等的不足之處。 這類鋼遠不能滿足 工業用鋼的特殊要求。 在鉻級不銹鋼的基體中,加入適量的鎳元素。如在含鉻 18%的低炭(0.12%以下的炭) 的鐵素體鋼中加入 8%的鎳后,在常溫下可獲得理想的純奧氏體組織,這種鋼就是人們通 常所稱的無磁性的不銹鋼。這類鉻鎳不銹鋼與相同含鉻量的鐵素體或馬氏體耐酸不銹鋼比 較, 不僅具有更高的耐腐蝕性能, 更重要提他們具有良好的冷變形使之硬化的性能和焊接性 能,在常溫或低溫下均具有很高的塑性和沖擊韌性,不具磁性等等的優良性能。這類不銹鋼 的缺點是機械性能比較低, 對晶間腐蝕及應力腐蝕比較敏感, 但通過適量的合金添加劑或工 藝措施,就能改善或消除。 在鉻級不銹鋼的基本中,添加以錳為主要合金元素的不銹鋼。就是人們通常所講的“鉻錳 氮”不銹鋼。這類不銹鋼除強度比鉻鎳鋼為高外,其他如耐腐蝕性和工藝性能等都不如鉻鎳 奧氏體不銹鋼好。這類不銹鋼除個別情況下,主要是為了節約昂貴的鎳元素,所以這類 鋼又叫節鎳不銹鋼。


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