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奥氏体不锈钢及合金元素对其组织和性能的影响

Update: 2018-02-26 11:49:11  Clicks: 652

不锈钢中最重要的钢类是奥氏体不锈钢,其产量及用量约占不锈钢总量的80%,钢号也最多,奥氏体不锈钢牌号列入国家标准的有47个。经典的第一代奥氏体不锈钢称18-8钢,含铬约18%左右、镍8%~10%,是最典型最基本的代表钢种。其他奥氏体不锈钢均是在18-8钢基础上发展起来的。至今仍在大量生产的有我国1Cr18Ni19和0Cr19Ni9(相当于美国AISI302和304)等钢。第二代是1Cr18Ni9Ti(相当于美国304L)等钢,此钢产量最大,应用最普及。在18-8钢基础上添加2%左右钼的奥氏体不锈钢,也称作18-8Mo钢,如我国0Cr18Ni2Mo2Ti、00Cr17Nil4Mo2(相当于AISI316L)钢。这些18-8类钢均属常用或通用,是大量生产的基本钢种奥氏体不锈钢可分为铬镍不锈钢和铬锰不锈钢两大系列,前者是奥氏体不锈钢的主体,后者又称为铬锰氮不锈钢或铬锰镍氮不锈钢。
1奥氏体不锈钢特性
(1)耐蚀性
与其他类不锈钢相比,其耐蚀性是最好的一类。
(2)韧性、塑性和可焊性
有优良的韧性和塑性,容易进行各种复杂的冷、热变形加工,并具有优良的可焊性。
(3)磁性和热导率
纯奥氏体不锈钢无磁性,不能通过相变,只能通过冷加工强化,与铁素体钢相比,其热导率低而线胀系数大。
(4)主要缺点
镍的价格昂贵。使用中的主要危险是局部腐蚀,并与晶间腐蚀密切相关。经受480~850℃左右加热(称敏化)后,在某些腐蚀环境下使用,会发生晶间腐蚀。20世纪30年代初贝茵等人提出著名的“贫铬理论”,把敏化归于在晶粒边界富铬碳化物的析出,引起晶界邻接区的“贫铬”,这种存在晶界贫铬区的钢具有晶间腐蚀倾向。此理论为大量实验所证实,已达成共识。产生敏化态晶间腐蚀的根本原因是由于钢中含有一定量的碳元素,若将碳含量降至其固溶极限(饱和值)以下,基本可避免晶间腐蚀。后来就出现了超低碳不锈钢(C≤0.03%),也即在钢号前面加“00”或“000”的不锈钢。
(5)刀口腐蚀
量在焊缝与母材熔合线处因腐蚀造成的沟槽,称刀口腐蚀,这是稳定化奥氏体不锈钢本质所决定的难以克服的缺点,刀口腐蚀或热影响区腐蚀,可采用超低碳奥氏体不锈钢予以防止。
2超低碳奥氏体不锈钢
我国在20世纪80年代大量推广应用这种新钢种,取代已过时的1Cr18Ni9Ti。最有代表性和通用性的超低碳奥氏体不锈钢00Cr19Ni11和00Cr17Nil4Mo2(相当于美国 AISI304L和316L),也是第三代不锈钢的典型代表。
3高纯奥氏体不锈钢
20世纪70年代以来,我国不锈钢的主要发展方向是高纯化和微合金化,即降低有害杂质和添加少量有益元素,从而改善各种性能,达到所谓最佳化的效果。20世纪70年代发展了硝酸级Cr-Ni奥氏体不锈钢和尿素级 Cr-Ni-Mo奥氏体不锈钢等。如高纯18-8型000Cr19Ni15(简称C18)钢等
4.高硅奥氏体不锈钢
硅是主要耐蚀合金元素之一。我国于20世纪60年代末,开始发展耐浓硝酸腐蚀用的高硅奥氏体不锈钢,近30多年来发展迅速,广泛推广应用,其铬含量8%~25%,镍14%~25%。高的硅含量提高了在98%浓硝酸中耐全面腐蚀性能(在稀硝酸中正相反)和抗氧化物应力腐蚀及点腐蚀性能。应用最广的是00Cr14Ni14Si4(简称C4)钢。
5.高钼奥氏体不锈钢
钼是不锈钢中常用主要耐蚀合金元素之一,也是提高不锈钢抗点腐蚀和缝隙腐蚀最重要的元素。钼含量一般不大于6%。1933年法国研制的20-25Mo型钢,我国20世纪70年代以来,多为超低碳型,主要用于硫酸、磷酸和醋酸等有机酸以及海水等介质环境。除经典的20-25Mo型外还有18-8Mo型,一般含钼量4%~5%,最高达7%。
6.铬锰奥氏体不锈钢
镍是形成和稳定奥氏体的主要元素,但属于稀缺和昂贵的金属。为此发展了以锰、氮代镍的不锈钢(也称节镍奥氏体不锈钢)。
7.合金元素对奥氏体不锈钢组织和性能的影响
(1)碳的影响
碳在奥氏体不锈钢中是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体区的元素,碳形成奥氏体的能力为镍的30倍。钢中随碳含量增加,奥氏体不锈钢强度也随之提高;此外,还能提高奥氏体不锈钢在高浓氯化物(如42%MgCl2沸腾溶液)中的耐应力腐蚀性能。但是在奥氏体不锈钢中,碳常被视为有害元素,因为在焊接或加热到450~850℃,碳可与钢中的铬形成Cr23C6型碳化物,导致局部铬贫化,使钢的耐晶间腐蚀性能下降。20世纪60年代以来新发展的铬镍奥氏体不锈钢,为含碳量小于0.03%或0.02%的超低碳型。因此,在冷、热加工及焊接与碳弧气刨时应防止不锈钢表面增碳以免铬的碳化物析出。
(2)铬的影响
在奥氏体不锈钢中,铬是强烈形成并稳定铁素体的元素,可以缩小奥氏体区。在铬镍奥氏体不锈钢中,当碳含量为0.1%,铬含量为18%时,为获得稳定的单一奥氏体组织,所需的镍含量最低,约为8%。铬能增大碳的溶解度而降低铬的贫化度,因而提高铬含量对奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀是有益的。铬还能极有效地改善奥氏体不锈钢的耐点蚀及缝隙腐蚀性能。因此铬对奥氏体不锈钢性能影响最大的是耐蚀性。主要表现如上所述外,还有以下作用,如铬可提高钢的耐氧化性介质和酸性氯化物介质的性能;在Ni、Mo、Cu的复合作用下,铬可提高钢耐一些还原性介质、有机酸、碱介质的性能。
(3)镍的影响
奥氏体不锈钢中主要合金元素是镍,其主要作用是形成并稳定奥氏体,获得完全奥氏体组织,使钢具有良好的强度、塑性和韧性并具有优良的冷、热加工性、可焊性及低温与无磁性,镍还可以显著降低奥氏体不锈钢的冷加工硬化倾向。由于镍能改善铬的氧化膜成分、结构和性能,从而提高了奥氏体不锈钢耐氧化性介质的性能。但是降低了钢的抗高温硫化性能,这是由于钢中晶界处形成低熔点硫化镍所致
(4)钼的影响
钼的作用主要是提高钢在还原性介质(比如H2SO4、H3PO4以及一些有机酸和尿素环境)的耐蚀性,并提高钢的耐点蚀及缝隙腐蚀等性能。含钼不锈钢的热加工性比不含钼为差,钼含量越高,热加工性越坏。另外,含钼奥氏体不锈钢中容易形成X(a)沉淀,这会恶化钢的塑性和韧性。钼的耐点蚀和耐缝隙腐蚀的能力相当于铬的3倍左右。
(5)氮的影响
氮日益成为铬镍氮奥氏体不锈钢的重要合金元素,氮能提高钢的耐局部腐蚀(耐晶间腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀)性,氮形成奥氏体的能力与碳相当,约为镍的30倍。作为间隙元素的氮,其固溶强化作用很强,因而它的加入可显著提高奥氏体不锈钢的强度。每加入0.10%氮可使铬镍奥氏体不锈钢的室温强度提高60-100MPa。在酸介质中,氮可提高奥氏体不锈钢的耐一般腐蚀性能,适量的氮还可提高敏化态奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀性能。在氯化物环境中,氮提高奥氏体不锈钢耐点蚀和缝隙腐蚀的性能十分显著
(6)铜的影响
铜能够显著降低铬镍奥氏体不锈钢的冷作硬化倾向,提高冷加工成型性能。奥氏体不锈钢中的铜含量为1%~4%时,铜对钢的组织没有影响,对钢的冷成型性有良好作用,因此含铜的奥氏体不锈钢多用于要求冷作的一些用途中。铜可显著降低热加工性,特别是当奥氏体不锈钢中镍含量较低时更为明显,因而当钢中铜含量较高时,镍含量应相应提高。
(7)硅的影响
对于耐氯化物应力腐蚀,耐浓硝酸、硫酸的腐蚀,硅是铬镍奥氏体不锈钢中不可缺少的重要合金元素。硅在奥氏体不锈钢中可提高耐蚀性,另一个重要作用是显著提高钢在高温浓硫酸(93%H2SO4和98%H2SO4)中的耐蚀性,其机理是在钢表面上形成了稳定的富硅氧化膜。
(8)锰的影响
在节镍奥氏体不锈钢中,锰是非常重要的合金元素,其主要作用是与氮、镍等强烈形成奥氏体的元素复合而加入到钢中,以节约奥氏体不锈钢中的镍。
(9)钛和铌的影响小最
钛和铌主要是作为稳定化元素加入,以防止敏化态晶间腐蚀发生。钛、铌的加入可提高奥氏体不锈钢的强度,包括高温强度。铌不像钛那样容易氧化和氮化,因此含铌奥氏体不锈钢多用作焊接材料。
(10)磷的影响
标准中规定p≤0.035%~0.045%。磷在不锈钢中,般看成是有害杂质,磷显著降低铬镍奥氏体不锈钢在固溶态和敏化态下耐各种浓度硝酸腐蚀的性能。追
(11)硫的影响
硫在奥氏体不锈钢中主要被视为有害杂质,其含量限制在0.03%~0.035%以下。但是由于硫的加入可提高钢的切削性能,故在易切削不锈钢中,硫被看的是合金元素。硫的有害作用主要是降低奥氏体不锈钢的热塑性,影响热加工性,降低耐蚀性。
(12)硼的影响
硼在奥氏体不锈钢中是不常用元素,其作用利大于弊。Ni不锈钢中硼含量达到0.006%,便有明显效果,微量硼加入可提高奥氏体不锈钢的热塑性,改善热加工性。
(13)稀土元素的影响
稀土元素(铈、镧)对改善铬镍奥氏体钢的热加工性是很有效的。稀土元素有明显的脱硫作用,随着钢中稀土元素含量的增加,硫含量则随之降低。