不銹鋼在不同腐蝕環(huán)境下的選用與特點(diǎn)
不銹鋼在不同腐蝕環(huán)境下的選用與特點(diǎn)
不銹鋼是餐具、化肥、食品、石油、化工、國防、石油提煉和合成纖維等工業(yè)行業(yè)中廣泛使用的金屬材，而許多管道、閥門、容器、泵、等一般都因與各種腐蝕性介質(zhì)接觸遭受腐蝕而報廢。據(jù)統(tǒng)計，全世界每年因腐蝕而報廢的鋼材約占鋼材年產(chǎn)量的1／4。而不銹鋼的產(chǎn)量占鋼鐵總產(chǎn)量的1%。因此，材料受到腐蝕而失效是當(dāng)今材料研究與發(fā)展中的三大主要問題之一。???
???? 不銹鋼是指具有抗腐蝕性能的一類鋼種。??
??? 通常所說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＜0.01mm／年者為完全耐腐蝕鋼，速度＜0.1mm／年者為耐蝕鋼。所謂的耐酸鋼是指在各種強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中能耐酸的鋼．腐蝕速度＜0.1mm／年者為完全耐蝕，腐蝕速度＜1mm／年者為耐蝕。因此，不銹鋼并不是不腐蝕、只不過腐蝕速度較慢而已、絕對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．Ni-Cr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。不銹鋼一般以板、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；沉淀硬化型不銹鋼。??
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??? 一、腐蝕類型??
??? 金屬材料在工業(yè)生產(chǎn)中的腐蝕失效形式是多種多樣的。不同材料在不同負(fù)荷及不同介質(zhì)環(huán)境的作用下，其腐蝕形式主要有以下幾類：??
??? 一般腐蝕：金屬裸露表面發(fā)生大面積的較為均勻的腐蝕，雖降低構(gòu)件受力有效面積及其使用壽命，但比局部腐蝕的危害性小。??
??? 晶間腐蝕：指沿品界進(jìn)行的腐蝕，使晶粒的連接遭到破壞。這種腐蝕的危害性最大，它可以使金屬變脆或喪失強(qiáng)度，敲擊時失去金屬聲響，易造成突然事故。晶間腐蝕為奧氏體不銹鋼的主要腐蝕形式，這是由于晶界區(qū)域與晶內(nèi)成分或應(yīng)力有差別，引起晶界區(qū)域電極電位顯著降低而造成的電極電位助差別所致。??
??? 應(yīng)力腐蝕：金屬在腐蝕介質(zhì)及拉應(yīng)力（外加應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力）的共同作用下產(chǎn)生破裂現(xiàn)象。斷裂方式主要是沿晶的、也有穿晶的，這是一種危險的低應(yīng)力脆性斷裂、在氯化介質(zhì)和堿性氧化物或其它水溶性介質(zhì)中常發(fā)生應(yīng)力腐蝕，在許多設(shè)備的事故中占相當(dāng)大的比例。??
??? 點(diǎn)腐蝕：點(diǎn)腐蝕是發(fā)生在金屬表面局部區(qū)域的一種腐蝕破壞形式、點(diǎn)腐蝕形成后能迅速地向深處發(fā)展，最后穿透金屬。點(diǎn)腐蝕危害性很大，尤其是對各種容器是極為不利的。出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕后應(yīng)及時磨光或涂漆，以避免腐蝕加深。??
??? 點(diǎn)腐蝕產(chǎn)生的原因是在介質(zhì)的作用下，金屬表面鈍化膜受到局部損壞而造成的?；蛘咴诤新入x子的介質(zhì)中，材料表面缺陷疏松及非金屬夾雜物等都可引起點(diǎn)腐蝕。??
??? 腐蝕疲勞：金屬在腐蝕介質(zhì)及交變應(yīng)力作用下發(fā)生的破壞、其特點(diǎn)是產(chǎn)生腐蝕坑和大量裂紋。顯著降低鋼的疲勞強(qiáng)度，導(dǎo)致過早斷裂。腐蝕疲勞不同于機(jī)械疲勞，它沒有一定的疲勞極限，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞強(qiáng)度一直是下降的。??
??? 除了上述各種腐蝕形式以外，還有由于宏觀電池作用而產(chǎn)生的腐蝕。例如，金屬構(gòu)件中鉚釘與鉚接材料不同、異種金屬的焊接、船體與螺旋槳材料不同等因電極電位差別而造成的腐蝕。??
??? 從上述腐蝕機(jī)理可見，防止腐蝕的著眼點(diǎn)應(yīng)放在：盡可能減少原電池數(shù)量，使鋼的表面形成一層穩(wěn)定的、完整的、與鋼的基體結(jié)合牢固的鈍化膜；在形成原電池的情況下，盡可能減少兩極間的電極電位差。??
??? 不銹鋼的合金化原理??
??? 提高鋼耐蝕性的方法很多，如表面涂一層耐蝕金屬、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：??
?? （1）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。一般鋼中加入Cr、Ni、Si多元素均能提高其電極電位。由于Ni較缺，Si的大量加入會使鋼變脆，因此，只有Cr才是顯著提高鋼基體電極電位常用的元素。??
??? Cr能提高鋼的電極電位，但不是呈線性關(guān)系。實驗證明鋼的電極電位隨合金元素的增加，存在著一個量變到質(zhì)變的關(guān)系，遵循1/8規(guī)律。??
??? 當(dāng)Cr含量達(dá)到一定值時即1／8原子（l／8、2／8、3/8……）時，電極電位將有一個突變。因此，幾乎所有的不銹鋼中，Cr含量均在12.%（原子）以上，即11.7%（質(zhì)量）以上。??
?? （2）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Cr,Si.Al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。??
?? （3）加入合金元素使鋼在常溫時能以單相狀態(tài)存在，減少微電池數(shù)目從而提高鋼的耐蝕性。如加入足夠數(shù)量的Cr或Cr－Ni,使鋼在室溫下獲得單相鐵素體或單相奧氏體。??
?? （4）加入Mo、Cu等元素，提高抗腐蝕的能力。??
?? （5）加入Ti，Nb等元素，消除Cr的晶間偏析，從而減輕了晶間腐蝕傾向。??
?? （6）加入Mn、N等元素，代替部分Ni獲得單相奧氏體組織，同時能大大提高鉻不銹鋼在有機(jī)酸中的耐蝕性。??
??? 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、A一F雙相不銹鋼。?
? 二、金屬腐蝕?
?? （一）金屬的腐蝕過程??
??? 在外界介質(zhì)的作用下使金屬逐漸受到破壞的現(xiàn)象稱為腐蝕。腐蝕基本上有兩種形式．化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。在生產(chǎn)實際中遇到的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，化學(xué)腐蝕中不產(chǎn)生電流，巨在腐蝕過程中形成某種腐蝕產(chǎn)物。這種腐蝕產(chǎn)物一般都覆蓋在金屬表面上形成一層膜，使金屬與介質(zhì)隔離開來。??
??? 如果這層化學(xué)生成物是穩(wěn)定、致密、完整并同金屬表層牢固結(jié)合的，則將大大減輕甚至可以防止腐蝕的進(jìn)一步發(fā)展，對金屬起保護(hù)作用。形成保護(hù)膜的過程稱為鈍化。例如，生成SiO2、Al2O3、Cr2O3等氧化膜，這些氧化膜結(jié)構(gòu)致密、完整、無疏松、無裂紋且不易剝落，可起到保護(hù)基體金屬、避免繼續(xù)氧化的作用。例如鐵在高溫氧化時生成的Fe2O3。反之，有些氧化膜是不連續(xù)的，或者是多孔狀的．對基體金屬沒有保護(hù)作用。例如．有些金屬的氧化物，如Mo2O3、WO3在高溫下具有揮發(fā)性，完全沒有覆蓋基體的保護(hù)作用。??
??? 可見，氧化膜的產(chǎn)生及氧化膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是化學(xué)腐蝕的重要特征。因此，提高金屬耐化學(xué)腐蝕的能力，主要是通過合金化或其它方法，在金屬表面形成一層穩(wěn)定的、完整致密的并與基體結(jié)合牢固的氧化膜，也稱為鈍化膜，電化學(xué)腐蝕是金屬腐蝕更重要的、更普遍的形式，它是由不同的金屬或金屬的不同電極電位而構(gòu)成原電池所產(chǎn)生的。??
??? 這種原電池腐蝕是在顯微組織之間產(chǎn)生的故又稱之為微電池腐蝕。電化學(xué)腐蝕的特點(diǎn)是有電介質(zhì)存在，不同金屬之間、金屬微區(qū)之間或相之間有電位差異連通或接觸，同時有腐蝕電流產(chǎn)生。?
???? 三、鐵素體不銹鋼??
??? 鐵素不銹鋼的含Cr量一般為13％～30％合碳量低于0.25%。有時還加入其它合金元素。金相組織主要是鐵素體，加熱及冷卻過程中沒有αγ轉(zhuǎn)變，不能用熱處理進(jìn)行強(qiáng)化。抗氧化性強(qiáng)。同時，它還具有良好的熱加工性及一定的冷加工性。鐵素體不銹鋼主要用來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Crl7型、Cr25型和Cr28型。??
?? 四、馬氏體不銹鋼??
??? 典型的馬氏體不銹鋼有1Cr13～4Cr13和9Cr18等??
??? 1Cr13鋼加工工藝性能良好?？刹唤?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，1Crl3、2Cr13主要用來制作耐蝕結(jié)構(gòu)件如汽輪機(jī)葉片等，而3Cr13、4Cr13主要用來制作醫(yī)療器械外科手術(shù)刀及耐磨零件；9Crl8可做耐蝕軸承及刀具。??
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??? 五、奧氏體不銹鋼??
??? 奧氏體不銹鋼是克服馬氏作不銹鋼耐蝕性不足和脆性過大而發(fā)展起來的。基本成分為Crl8%、Ni8%簡稱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，仍存在下列問題：??
??? 1、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，會出現(xiàn)晶問腐蝕。??
??? 含碳量越高，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：??
?? （1）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。??
?? （2）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。??
?? （3）通過調(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％一12％。這種雙相組織不易產(chǎn)生晶間腐蝕。??
?? （4）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。??
??? 2、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，簡稱SCC（StressCrackCorrosion）。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)含Ni量達(dá)到8%一10%時，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雙相鋼，它在Cl-和OH-介質(zhì)中對應(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，鐵素體含量應(yīng)在6%左右。??
??? 3、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，效果更為顯著?？估瓘?qiáng)度可達(dá)2000MPa以上。這是因為除了冷作硬化效果外，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γ->M轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生鐵磁性，在使用時（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，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℃時透燒即可，然后水冷。??
??? 4、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。??
?? （1）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，這樣鋼的耐蝕性會有很大改善。??
??? 如上所述，為了防止晶問腐蝕，通常采用固溶化處理，使Cr23C6溶于奧氏體中，然后快速冷卻。對于薄壁件可采用空冷，一般情況采用水冷。??
?? （2）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，且在冷卻過程中充分析出，使碳不可能再形成鉻的碳化物，因而有效地消除了晶間腐蝕。??
?? （3）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。對于不含穩(wěn)定化元素Ti、Nb的鋼，加熱溫度不超過450℃，以免析出鉻的碳化物而引起晶間腐蝕。對于超低碳和含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。??
??? 六、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼??
??? 在奧氏不銹鋼的基礎(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，典型鋼號有0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti、OCr21Ni6Mo2Ti等。雙相不銹鋼有較好的焊接性，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，使用時應(yīng)加以注意。