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不銹鋼中幾種重要元素的作用分別有什么作用

文章出處:人氣:-發表時間:2014-11-08 13:28【

【碳(C)在不銹鋼中的作用】

碳在奧氏體和鐵素體不銹鋼中以間隙元素存在于固溶體中,是奧氏體不銹鋼中最有效地固溶強化元素;在高碳馬氏體不銹鋼中,會有共晶碳化物和其他碳化物生成,對硬度及耐磨性非常有利,適合于生產各類刀具。

經固溶處理的奧氏體不銹鋼中,碳以固溶體存在,當C>0.03%時,若將鋼置于538~815℃的溫度范圍內,碳可能以碳化物形式在晶界析出,同時形成貧鉻(Cr)區(焊接時最易產生的現象),這種現象成為敏化析出(Susceptibility),使不銹鋼增加了晶界腐蝕的敏感性;鐵素體不銹鋼亦會產生鉻的碳化物而引起晶界腐蝕現象。

目前的技術手段,只有在奧氏體不銹鋼中把碳元素含量將至0.03%以下,或通過加入鈦(Ti)或Nb(鈮)元素以形成穩定的碳化物,來避免敏化及防止出現貧鉻(Cr)區(Poor - Cr Zone)及避免焊接時產生的刀狀腐蝕。

名詞解釋(Terms’Definition)

1.間隙元素(interstitial element):是指在金屬中熔質原子(碳,氧,氮等原子)填入溶劑金屬點陣中的間隙位置,所形成的一種固溶體的一種補充元素,起到穩定其金屬原子晶格形式的作用。

2.固溶體(solid solution):是金屬物在一定結晶構造位置上離子的互相置換,而不改變整個晶體的結構及對稱性;固溶體分為三種:替代式固溶體、填隙式固溶體和缺位式固溶。

3.敏化析出(sensitization):不銹鋼鋼中的碳(通常含0.03%)與鉻結合,在熱處理過程中或在焊接過程中在晶界析出;形成的碳化物使晶界出現貧鉻,發生局部的晶界腐蝕,降低了材料的耐應力腐蝕性。

4.貧鉻區(Poor - Cr Zone):是指不銹鋼中的碳元素與晶界處的鉻結合,使晶界處的鉻含量降低并析出; .造成不銹鋼表面或內部局部鉻含量低于平均含量的區域。貧鉻區的出現,通常是碳化鉻析出的結果。

5.刀狀腐蝕(Knife Line Attack):簡稱刀蝕。在含有穩定元素的奧氏體不銹鋼中(如1Cr18Ni9Ti,Cr18Ni12Mo3Ti等),焊接熱影響區的過熱區在腐蝕介質作用下,發生沿熔合線走向的深溝狀似刀痕的腐蝕,稱為刀狀腐蝕。

【鉻(Cr)在不銹鋼中的作用】

鉻是不銹鋼中不可缺少的元素,不銹鋼的耐蝕性和抗氧化性都由隨著的Cr含量的增加而增加;因為Cr在不銹鋼表面形成一層薄的氧化膜,阻礙或防止不銹鋼的進一步氧化和腐蝕,在氧化環境中這層膜得到了強化。

在Fe-Cr系中,在所有溫度下當Cr含量超過12%,均體現為鐵素體;但高溫情況下可能產生一下奧氏體組織,其原因是因為含有一定量的C和N元素的緣故。

名詞解釋

1.間隙相:當非金屬原子半徑與金屬原子半徑比值小于0.59時,形成具有簡單晶格的間隙化合物,稱為間隙相;當比值大于0.59時,形成具有復雜結構的間隙化合物。

2.中間相:兩組元A和B組成合金時,除了可形成以A為基體或以B為基體的固溶體外(端際固溶體)外,還可能形成晶體結構與A,B兩組元均不相同的新相。

3.空淬效應:鋼在一定條件下淬火時獲得淬硬層(馬氏體層)深度。它是衡量各個不同鋼種接受淬火能力的重要指標之一;淬透性主要取決于其臨界冷卻速度的大小,而臨界冷卻速度則主要取決于過冷奧氏體的穩定性。

【鎳(Ni)在不銹鋼中的作用】

最近鎳價一直上漲,影響了不銹鋼價格的波動。但鎳對于不銹鋼有什么影響?

鎳是不銹鋼中僅次于鉻的重要合金元素。為了耐還原性酸和堿介質的腐蝕,鋼中僅含鉻是不夠的,鉻必須加入鎳。鎳促進不銹鋼鈍化膜的穩定性,提高不銹鋼的熱力學穩定性。因此,不銹鋼中鉻和鎳共存,可顯著強化不銹鋼的不銹性和耐蝕性。鎳對不銹鋼的高溫抗氧性有益,但對高溫抗硫化性有害。因為鎳與硫作用易形成低熔點硫化物。而低熔點硫化物的形成會顯著降低鋼的熱加工性。

鎳與鉻組合能顯著提高奧氏體不銹鋼在苛性介質(例如NaOH)中的耐蝕性,鎳還提高18-8不銹鋼耐氯化物應力腐蝕的性能。雖然在耐點蝕、耐縫隙腐蝕的PRE值(Cr+3.3Mo+16N,此值越大,耐點蝕、耐縫隙腐蝕性能越強)中并沒有鎳的作用在內,但在低鉻、鉬的通用鉻鎳奧氏體不銹鋼中,鎳的作用還是有益的。

鎳是奧氏體形成的穩定元素,若含Ni量約為8%時,Fe-Ni系中在室溫下為奧氏體組織,具有很好的可成型性,更好地焊接性,優異的韌性。Ni對高溫性能,特別是強度,冶金穩定性和保護性氧化膜的穩定性都有明顯地提高。

在鐵素體不銹鋼中,加入Ni可提高韌性及彎曲性能,焊接性能及耐蝕性。在沉淀硬化不銹鋼中,Ni是重要元素。在雙相鋼中,通過調整Cr和Ni的含量的變化,可改變鐵素體的百分比,Ni還可以改善雙相鋼抗全面腐蝕和抗應力腐蝕性能。

Ni在奧氏體不銹鋼中會降低其熔點,平均增加1%的鎳含量,就可降低其4.4℃。隨著Ni的增加而是δ相減少;但是熱加工性,低溫塑性和韌性可得到改善,其成型性能(深沖性能增加,加工硬化性能降低,還可增加在硫酸中的鈍化(passivation)作用。

鎳能顯著改善不銹鋼的塑、韌性,可使具有脆性轉變溫度的一些不銹鋼的脆性溫度下移。鎳可提高一些不銹鋼的冷成型性和焊接性,降低奧氏體不銹鋼的冷加工硬化傾向。鎳可提高一些不銹鋼的冷成型性和焊接性,降低奧氏體不銹鋼的冷加工硬化傾向。此外,Ni的另一方面的作用是表現了在其不銹鋼及鎳合金指數上不可替代的“王道”;一種足以讓不銹鋼和鎳金屬從業者們“HIGH”到極致的“搖頭丸”;一種其金融屬性已經遠遠超出其實際價值的“產業利益鏈”。

【錳(Mn)在不銹鋼中的作用】

錳元素可形成無限固溶體,有著強烈穩定奧氏體不銹鋼結構的作用;并且對于鐵素體和奧氏體不銹鋼均有較強的固溶強化作用,提高了不銹鋼的硬度和強度。

Mn是不銹鋼生產的重要合金元素,在CrNi系不銹鋼生產中作為脫氧元素,一般加入1.5%Mn,在Cr-Mn-Ni-N ,Cr-Mn-N系不銹鋼中作為重要的合金化元素,一般加入6—20%。和Cr-Ni奧氏體不銹鋼相比,Cr-Mn-Ni-N奧氏體不銹鋼最大的區別是大量地加入了合金元素Mn、N,從而帶來了一系列的性能變化。

在奧氏體中,錳一般以合金形式存在,且含量小于2%;此含量對于不銹鋼組織不會造成明顯的影響。但是錳元素,在不銹鋼生產過程中被視為脫氧作用的殘留元素看待。錳元素在120℃以上溫度,會隨著溫度的升高而產生一定的揮發現象。

1、Mn在不銹鋼中的有益作用

(1)N在不銹鋼中的溶解度公式:N=0.021(Cr+0.9Mn)-0.204wt%。因此,為了提高N的溶解度,Mn元素被大量加入。在節鎳奧氏體不銹鋼中,Mn是非常重要的合金元素,其主要作用是使氨在鋼中的溶解度提高且提高鋼的強韌性,是節鎳奧氏體必不可少的元素。

(2)Mn是比較弱的奧氏體形成元素,但具有強烈穩定奧氏體的作用。Cr-Ni奧氏體不銹鋼中,隨著Mn含量增加強度提高。在無Ni的Cr-Mn-N奧氏體不銹鋼中低溫下會出現韌脆轉變現象。

(3)Mn在不銹鋼中的另一有益作用是形成MnS抑制鋼中硫的有害作用,提高了鋼的熱敏性,在焊接材料中加入2%以上的錳,可提高奧氏體不銹鋼焊縫的抗熱裂紋敏感性。

2、Mn的不利影響

(1)Mn對不銹鋼的不銹鋼耐蝕性的影響,基本上都是負面的。隨著錳量的增加,鋼的耐點蝕性、耐縫隙腐蝕性能下降。這與錳和硫形成MnS,或隨鋼中錳量增加,MnS中的鉻量降低所引起的MnS夾雜在腐蝕介質中的溶解,常常成為點蝕、縫隙腐蝕源。實驗證明,當將18-8不銹鋼中的錳量降到約0.1%,此鋼的耐點蝕能力將達到含2%Mo的316的水平。

(2) Mn在不銹鋼中還促進σ相等脆性相的析出,降低鋼的塑、韌性,為錳的高鉻、鉬不銹鋼中的應用帶來不利影響。

以Mn, N代Ni的節鎳和無鎳奧氏體不銹鋼,其耐蝕性主要取決于鋼的Cr、Ni、Mo、N等元素的含量,而Mn的作用甚微。目前研制成熟的鋼種主要有200系列以及Arlnco公司的Nitronic系列。還有一些鋼種也在廣泛研究中。

【磷(P)在不銹鋼中的作用】

磷(P)在不銹鋼中的存在不與碳元素形成碳化物,但是易造成不銹鋼中的嚴重偏析現象,一般來說,磷在不銹鋼冶煉和后續加工過程中都被認為有害元素,尤其在焊接時,會產生熱裂焊縫現象

在奧氏體不銹鋼中,磷被允許存在的含量約為0.03%~0.035%;此外,若不銹鋼中因焊接而在焊縫處所產生的鐵素體中,其磷元素被允許的最大含量約為0.03%。

磷元素對提高不銹鋼的強度及冷作硬化作用強,但卻會增加不銹鋼的脆性(尤其是低溫脆性)。

若磷與銅元素配合,可大大提高低合金鋼的耐大氣腐蝕的能力。

名詞解釋:

1.偏析現象:合金中各組成元素在結晶時分布不均勻的現象稱為偏析。

2.低溫脆性:材料的沖擊吸收功隨溫度降低而降低,當試驗溫度低于Tk(韌脆臨界轉變溫度)時,沖擊吸收功明顯下降,材料由韌性狀態變為脆性狀態,這種現象稱為低溫脆性。金屬的低溫脆性是由于金屬的屈服強度隨溫度降低而升高造成的。

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