不銹鋼中各元素有何效果

現(xiàn)在，已知的化學(xué)元素有100多種，在工業(yè)中常用的鋼鐵材猜中能夠遇到的化學(xué)元素約二十多種。關(guān)于人們?cè)谂c腐蝕現(xiàn)象作長(zhǎng)期斗爭(zhēng)的實(shí)踐而構(gòu)成的不銹鋼這一特別鋼系列來(lái)說(shuō)，最常用的元素有十幾種，除了組成鋼的底子元素鐵以外，對(duì)不銹鋼的功用與安排影響最大的元素是：碳、鉻、鎳、錳、硅、鉬、鈦、鈮、鈦、錳、氮、銅、鈷等。這些元素中除碳、硅、氮以外，都是化學(xué)元素周期表中坐落過(guò)渡族的元素。實(shí)踐上工業(yè)上運(yùn)用的不銹鋼都是一起存在幾種以致十幾種元素的，當(dāng)幾種元素共存于不銹鋼這一個(gè)統(tǒng)一體中時(shí)，它們的影響要比獨(dú)自存在時(shí)雜亂得多，因?yàn)樵谶@種狀況下不只要考慮各元素本身的效果，而且要注意它們相互之間的影響，因而不銹鋼的安排決議于各種元素影響的總和。
一、各種元素對(duì)不銹鋼的功用和安排的影響和效果
1-1鉻在不銹鋼中的決議效果：決議不銹鋼性屬的元素只要一種，這就是鉻，每種不銹鋼都含有必定數(shù)量的鉻。迄今為止，還沒(méi)有不含鉻的不銹鋼。鉻之所以成為決議不銹鋼功用的首要元素，底子的原因是向鋼中添加鉻作為合金元素今后，促進(jìn)其內(nèi)部的對(duì)立運(yùn)意向有利于反抗腐蝕損壞的方面展開(kāi)。這種改動(dòng)能夠從以下方面得到闡明：
①鉻使鐵基固溶體的電極電位進(jìn)步
②鉻吸收鐵的電子使鐵鈍化
鈍化是因?yàn)殛?yáng)極反響被阻撓而引起金屬與合金耐腐蝕功用被進(jìn)步的現(xiàn)象。構(gòu)成金屬與合金鈍化的理論許多，首要有薄膜論、吸附論及電子擺放論。
1-2.碳在不銹鋼中的兩重性
碳是工業(yè)用鋼的首要元素之一，鋼的功用與安排在很大程度上決議于碳在鋼中的含量及其散布的方式，在不銹鋼中碳的影響尤為顯著。碳在不銹鋼中對(duì)安排的影響首要表現(xiàn)在兩方面，一方面碳是安穩(wěn)奧氏體的元素，而且效果的程度很大（約為鎳的30倍），另一方面因?yàn)樘己豌t的親和力很大，與鉻構(gòu)成—系列雜亂的碳化物。所以，從強(qiáng)度與耐腐燭功用兩方面來(lái)看，碳在不銹鋼中的效果是相互對(duì)立的。
認(rèn)識(shí)了這一影響的規(guī)則，咱們就能夠從不同的運(yùn)用要求動(dòng)身，挑選不同含碳量的不銹鋼。
例如工業(yè)中運(yùn)用最廣泛的，也是最起碼的不銹鋼——0Crl3～4Cr13這五個(gè)鋼號(hào)的規(guī)范含鉻量規(guī)定為12～14％，就是把碳要與鉻構(gòu)成碳化鉻的要素考慮進(jìn)去今后才決議的，意圖即在于使碳與鉻結(jié)組成碳化鉻今后，固溶體中的含鉻量不致低于11.7％這一最低極限的含鉻量。
就這五個(gè)鋼號(hào)來(lái)說(shuō)因?yàn)楹剂坎煌?，?qiáng)度與耐腐蝕功用也是有差異的，0Cr13～2Crl3鋼的耐腐蝕性較好但強(qiáng)度低于3Crl3和4Cr13鋼，多用于制作結(jié)構(gòu)零件，后兩個(gè)鋼號(hào)因?yàn)楹驾^高而可取得高的強(qiáng)度多用于制作繃簧、刀具等要求高強(qiáng)度及耐磨的零件。又如為了戰(zhàn)勝18－8鉻鎳不銹鋼的晶間腐蝕，能夠?qū)摰暮剂拷抵?.03％以下，或許參加比鉻和碳親和力更大的元素（鈦或鈮），使之不構(gòu)成碳化鉻，再如當(dāng)高硬度與耐磨性成為首要要求時(shí)，咱們能夠在添加鋼的含碳量的一起適當(dāng)?shù)剡M(jìn)步含鉻量，做到既滿意硬度與耐磨性的要求，又統(tǒng)籌—定的耐腐蝕功用，工業(yè)上用作軸承、量具與刃具有不銹鋼9Cr18和9Cr17MoVCo鋼，含碳量雖高達(dá)0.85～0.95％，因?yàn)樗鼈兊暮t量也相應(yīng)地進(jìn)步了，所以仍確保了耐腐蝕的要求。
總的來(lái)講，現(xiàn)在工業(yè)中取得運(yùn)用的不銹鋼的含碳量都是比較低的，大多數(shù)不銹鋼的含碳量在0.1～0.4％之間，耐酸鋼則以含碳0.1～0.2％的居多。含碳量大于0.4％的不銹鋼僅占鋼號(hào)總數(shù)的一小部分，這是因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)運(yùn)用條件下，不銹鋼總是以耐腐蝕為首要意圖。此外，較低的含碳量也是出于某些工藝上的要求，如易于焊接及冷變形等。
1-3.鎳在不銹鋼中的效果是在與鉻合作后才發(fā)揮出來(lái)的
鎳是優(yōu)秀的耐腐蝕材料，也是合金鋼的重要合金化元素。鎳在鋼中是構(gòu)成奧氏體的元素，但低碳鎳鋼要取得純奧氏體安排，含鎳量要到達(dá)24％；而只要含鎳27％時(shí)才使鋼在某些介質(zhì)中的耐腐蝕功用顯著改動(dòng)。所以鎳不能獨(dú)自構(gòu)成不銹鋼。可是鎳與鉻一起存在于不銹鋼中時(shí)，含鎳的不銹鋼卻具有許多可貴的功用。
根據(jù)上面的狀況可知，鎳作為合金元素在不銹鋼中的效果，在于它使高鉻鋼的安排發(fā)作改動(dòng)，從而使不銹鋼的耐腐蝕功用及工藝功用取得某些改進(jìn)。
1-4.錳和氮能夠替代鉻鎳不銹鋼中鎳
鉻鎳奧氏體鋼的長(zhǎng)處盡管許多，但近幾十年來(lái)因?yàn)殒嚮蜔岷辖鹋c含鎳20％以下的熱強(qiáng)鋼的很多展開(kāi)與運(yùn)用，以及化學(xué)工業(yè)日益展開(kāi)對(duì)不銹鋼的需要量越來(lái)越大，而鎳的礦藏量較少且又會(huì)集散布在少數(shù)區(qū)域，因而在世界范圍內(nèi)呈現(xiàn)了鎳在供和需方面的對(duì)立。所以在不銹鋼與許多其他合金范疇（如大型鑄鍛件用鋼、工具鋼、熱強(qiáng)鋼等）中，特別是鎳的資源比較缺少的國(guó)家，廣泛地展開(kāi)了節(jié)鎳和以其他元素代鎳的科學(xué)研討與出產(chǎn)實(shí)踐，在這方面研討和運(yùn)用比較多的是以錳和氮來(lái)替代不銹鋼與耐熱鋼中的鎳。
錳關(guān)于奧氏體的效果與鎳類似。但說(shuō)得切當(dāng)一些，錳的效果不在于構(gòu)成奧氏體，而是在于它下降鋼的臨界淬火速度，在冷卻時(shí)添加奧氏體的安穩(wěn)性，按捺奧氏體的分化，使高溫下構(gòu)成的奧氏體得以堅(jiān)持到常溫。在進(jìn)步鋼的耐腐蝕功用方面，錳的效果不大，如鋼中的含錳量從0到10．4%改動(dòng)，也不使鋼在空氣與酸中的耐腐蝕功用發(fā)作顯著的改動(dòng)。這是因?yàn)殄i對(duì)進(jìn)步鐵基固溶體的電極電位的效果不大，構(gòu)成的氧化膜的防護(hù)效果也很低，所以工業(yè)上雖有以錳合金化的奧氏體鋼（如40Mn18Cr4,50Mn18Cr4WN、ZGMn13鋼等），但它們不能作為不銹鋼運(yùn)用。錳在鋼中安穩(wěn)奧氏體的效果約為鎳的二分之一，即2％的氮在鋼中的效果也是安穩(wěn)奧氏體，而且效果的程度比鎳還要大。例如，欲使含18％鉻的鋼在常溫下取得奧氏體安排，以錳和氮代鎳的低鎳不銹鋼與元鎳的鉻錳氮不誘鋼，現(xiàn)在已在工業(yè)中取得運(yùn)用，有的已成功地替代了經(jīng)典的18-8鉻鎳不銹鋼。
1-5.不銹鋼中加鈦或鈮是為了避免晶間腐蝕。
1-6.鉬和銅能夠進(jìn)步某些不銹鋼的耐腐蝕功用。
1-7.其他元素對(duì)不銹鋼的功用和安排的影響
以上首要的九種元素對(duì)不銹鋼的功用和安排的影響，除這些元素對(duì)不銹鋼功用與安排影響較大的元素以外，不銹鋼中還含有一些其他的元素。有的是和一般鋼相同為常存雜質(zhì)元素，如硅、硫、磷等．也有的是為了某些特定的意圖而參加的，如鈷、硼、硒、稀土元素等。從不銹鋼的耐腐蝕功用這一首要性質(zhì)來(lái)說(shuō)，這些元素相關(guān)于已評(píng)論的九種元素，都對(duì)錯(cuò)首要方面的，盡管如此，但也不能徹底疏忽，因?yàn)樗鼈儗?duì)不銹鋼的功用與安排相同也發(fā)作影響。
硅是構(gòu)成鐵素體的元素，在一般不銹鋼中為常存雜質(zhì)元素。
鈷作為合金元素在鋼中運(yùn)用不多，這是因?yàn)殁挼膬r(jià)格高及其在其它方面（如高速鋼、硬質(zhì)合金、鈷基耐熱合金、磁鋼或硬磁合金等）有著更重要的用處。在一般不銹鋼中加鈷作合金元素的也不多，常用不銹鋼如9Crl7MoVCo鋼（含1.2-1.8％鈷）加鈷，意圖并不在于進(jìn)步耐腐蝕功用而在于進(jìn)步硬度，因?yàn)檫@種不銹鋼的首要用處是制作切片機(jī)械刃具、剪刀及手術(shù)刀片等。
硼：高鉻鐵素體不銹鋼Crl7Mo2Ti鋼中加0．005％硼，可使在歡騰的65％醋酸中的耐腐蝕功用進(jìn)步。加微量的硼（0.0006～0.0007％）可使奧氏體不銹鋼的熱態(tài)塑性改進(jìn)。少數(shù)的硼因?yàn)闃?gòu)成低熔點(diǎn)共晶體，使奧氏體鋼焊接時(shí)發(fā)生熱裂紋的傾向增大，但含有較多的硼（0．5～0．6％）時(shí)，反而可避免熱裂紋的發(fā)生。因?yàn)楫?dāng)含有0．5～0．6％的硼時(shí)，構(gòu)成奧氏體－硼化物兩相安排，使焊縫的熔點(diǎn)下降。熔池的凝結(jié)溫度低于半溶化區(qū)時(shí)，母材在冷卻時(shí)發(fā)生的張應(yīng)力，由處于液態(tài)．固態(tài)的焊縫金屬接受，此刻是不致引起裂縫的，即便在近縫區(qū)構(gòu)成了裂紋，也能夠?yàn)樘幱谝簯B(tài)－固態(tài)的熔池金屬所填充。含硼的鉻鎳奧氏體不銹鋼在原子能工業(yè)中有著特別的用處。
磷：在一般不銹鋼中都是雜質(zhì)元素，但其在奧氏體不銹鋼中的危害性不像在一般鋼中那樣顯著，故含量可答應(yīng)高一些，如有的材料提出可達(dá)0．06％，以利于鍛煉操控。單個(gè)的含錳的奧氏體鋼的含磷量可達(dá)0．06％（如2Crl3NiMn9鋼）以致0.08％（如Cr14Mnl4Ni鋼）。使用磷對(duì)鋼的強(qiáng)化效果，也有加磷作為時(shí)效硬化不銹鋼的合金元素，PH17－10P鋼(含0．25％磷)乃PH－HNM鋼（含0．30磷）等。
硫和硒：在一般不銹鋼中也是常有雜質(zhì)元素。但向不銹鋼中加0．2～0．4％的硫，可進(jìn)步不銹鋼的切削功用，硒也具有相同的效果。硫和硒進(jìn)步不銹鋼的切削功用，是因?yàn)樗鼈兿陆?a href="http://www.su-pay.cn/" target="_blank" rel="noopener" data-ke-src="http://www.su-pay.cn">不銹鋼的耐性，例如一般18－8鉻鎳不銹鋼的沖擊值可達(dá)30公斤/厘米2。含0．31％硫的18－8鋼（0．084％C、18．15％Cr、9．25％Ni）的沖擊值為1．8公斤/平方厘米；含0。22％硒的18－8鋼（0．094％C、18．4％Cr、9％Ni）的沖擊值為3．24公斤/平方厘米。硫與硒均下降不銹鋼的耐腐蝕功用，所以實(shí)踐運(yùn)用它們作為不銹鋼的合金化元素的很少。
稀土元素：稀土元素運(yùn)用于不銹鋼，現(xiàn)在首要在于改進(jìn)工藝功用方面。如向Crl7Ti鋼和Cr17Mo2Ti鋼中加少數(shù)的稀土元素，能夠消除鋼錠中因氫氣引起的氣泡和削減鋼坯中的裂紋。奧氏體和奧氏體－鐵素體不銹鋼中加0．02～0．5％的稀土元素（鈰鑭合金），可顯著改進(jìn)鑄造功用。曾有一種含19．5%鉻、23％鎳以及鉬銅錳的奧氏體鋼，因?yàn)闊峒庸すに嚬τ迷陉傥糁荒艹霎a(chǎn)鑄件，加稀土元素后則可軋制成各種型材。