不銹鋼知識全面講解

1、不銹鋼知識全面講解2022-2-521.1.鋼種簡介鋼種簡介(1)(1)不銹鋼之涵義不銹鋼之涵義 不銹鋼是不銹鋼和耐酸鋼的總稱。不銹鋼不銹鋼是不銹鋼和耐酸鋼的總稱。不銹鋼系指耐大氣、蒸汽和水等弱介質(zhì)腐蝕的鋼，系指耐大氣、蒸汽和水等弱介質(zhì)腐蝕的鋼，耐酸鋼則指耐酸、堿、鹽等化學浸蝕性介質(zhì)耐酸鋼則指耐酸、堿、鹽等化學浸蝕性介質(zhì)腐蝕的鋼。不銹鋼不一定耐酸，而耐酸鋼一腐蝕的鋼。不銹鋼不一定耐酸，而耐酸鋼一般均具有不銹性。般均具有不銹性。 2022-2-53 不銹鋼具有不銹和耐蝕特性，其主要不銹鋼具有不銹和耐蝕特性，其主要原因是由于鋼表面形成富鉻氧化膜而鈍化。原因是由于鋼表面形成富鉻氧化膜而鈍化。研究表明

2、，鋼中鉻含量大于研究表明，鋼中鉻含量大于12%以后引起以后引起耐蝕性突變，因此，不銹鋼中含鉻量一般耐蝕性突變，因此，不銹鋼中含鉻量一般應大于應大于12%。國內(nèi)外都曾試圖開發(fā)節(jié)鉻和。國內(nèi)外都曾試圖開發(fā)節(jié)鉻和無鉻的不銹鋼，除特殊情況外，迄今尚未無鉻的不銹鋼，除特殊情況外，迄今尚未獲得有效的進展。獲得有效的進展。2022-2-54不銹鋼的發(fā)明是世界冶金史上的一項重不銹鋼的發(fā)明是世界冶金史上的一項重大進展。研究開發(fā)始于大進展。研究開發(fā)始于19041904年，年，1908190819111911年蒙納爾茲年蒙納爾茲(P.Monnartz)(P.Monnartz)于德國提出了不銹于德國提出了不銹性和鈍化理

3、論，開辟了工業(yè)用不銹鋼的先河，性和鈍化理論，開辟了工業(yè)用不銹鋼的先河，到到5050年代各種不銹鋼系列已具雛形，年代各種不銹鋼系列已具雛形，6060年代年代不銹鋼的冶煉技術得到了突破性進展，不銹鋼的冶煉技術得到了突破性進展，19501950年全世界不銹鋼總產(chǎn)量不足年全世界不銹鋼總產(chǎn)量不足100100萬噸，到萬噸，到19901990年增至年增至11001100萬噸，萬噸，4040年間增長了年間增長了1010倍以上。倍以上。2022-2-55(2)(2)不銹鋼的分類不銹鋼的分類不銹鋼鋼種很多，性能各異，常見分類方法有：不銹鋼鋼種很多，性能各異，常見分類方法有：n按鋼的組織結構分類：如馬氏體不銹鋼，鐵

4、素體按鋼的組織結構分類：如馬氏體不銹鋼，鐵素體不銹鋼；奧氏體不銹鋼，雙相不銹鋼，等。不銹鋼；奧氏體不銹鋼，雙相不銹鋼，等。n按鋼中主要化學元素或特征元素分類：如鉻不銹按鋼中主要化學元素或特征元素分類：如鉻不銹鋼，鉻鎳不銹鋼、鉻鎳鉬不銹鋼、超低碳不銹鋼；鋼，鉻鎳不銹鋼、鉻鎳鉬不銹鋼、超低碳不銹鋼；高鉬不銹鋼，等。高鉬不銹鋼，等。n按鋼的性能特點和用途分類：如高強度不銹鋼、按鋼的性能特點和用途分類：如高強度不銹鋼、耐應力腐蝕不銹鋼；耐硝酸不銹鋼，耐硫酸不銹耐應力腐蝕不銹鋼；耐硝酸不銹鋼，耐硫酸不銹鋼，耐點蝕不銹鋼，等。鋼，耐點蝕不銹鋼，等。n按鋼的功能特點分類：如低溫不銹鋼、無磷不銹按鋼的功能特點

5、分類：如低溫不銹鋼、無磷不銹鋼，易切削不銹鋼，等。鋼，易切削不銹鋼，等。2022-2-56在實際應用中，常按組織結構和化學在實際應用中，常按組織結構和化學元素兩者結合的分類方法，如：元素兩者結合的分類方法，如：五類：馬氏體不銹鋼，鐵素體不銹鋼，奧五類：馬氏體不銹鋼，鐵素體不銹鋼，奧 氏體不銹鋼，雙相不銹鋼和沉淀硬氏體不銹鋼，雙相不銹鋼和沉淀硬 化不銹鋼。化不銹鋼。兩類：鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼。兩類：鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼。2022-2-57不銹鋼的強化機制 不銹鋼的強化機制廣泛地采用固溶強化，此外還有相變強化、第二相強化、細化晶粒強化、沉淀強化和亞結構強化等。圖為在810Ni奧氏體不銹鋼中各種強化

6、機制對屈服強度的貢獻。 圖中顯示了在不銹鋼中，固溶強化是重要的強化機制，而晶粒細化對強度的貢獻最大。2022-2-58馬氏體不銹鋼具有較好的綜合機械性能，即較高的強度和一定的延展性； 鐵素體奧氏體不銹鋼的強度較高、延展性也較好； 鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼的強度性能相近，但后者的延展性遠較其他各類不銹鋼為高。在所有的不銹鋼中奧氏體不銹鋼塑性最好，沉淀硬化不銹鋼的強度最高。2022-2-59(3)(3)不銹鋼可加工成各類形狀，常見有：不銹鋼可加工成各類形狀，常見有：扁平材：熱軋板、帶卷、扁平材：熱軋板、帶卷、冷軋板、帶卷、冷軋板、帶卷、表面加工和涂層板、帶卷。表面加工和涂層板、帶卷。長型材：熱軋

7、棒材長型材：熱軋棒材冷拔棒材冷拔棒材冷拔絲、極細絲冷拔絲、極細絲熱軋管熱軋管冷拔管、極細管冷拔管、極細管鑄鑄件：閥門、管件件：閥門、管件2022-2-5102.2.不銹鋼冶煉的技術核心不銹鋼冶煉的技術核心不銹鋼冶煉的技術核心可歸納為四個不銹鋼冶煉的技術核心可歸納為四個字：字：脫碳保鉻脫碳保鉻在一般不銹鋼的成份范圍內(nèi)，可認為在一般不銹鋼的成份范圍內(nèi)，可認為在在Fe-Cr-C-O構成的四元體系中基本的反應構成的四元體系中基本的反應式為：式為： Cr3O4(s)+4C=3Cr+4CO(g)2022-2-511若取一氧化碳的分壓為一個大氣壓，若取一氧化碳的分壓為一個大氣壓，即即Pco=1atm，實用的

8、熱力學計算式為：實用的熱力學計算式為：其中：其中：T為絕對溫度為絕對溫度K%Cr和和%C分別為熔池中分別為熔池中Cr和和C的重量百分濃度。的重量百分濃度。2022-2-512相應的有下圖?？梢钥闯觯簩τ谙鄳挠邢聢D?？梢钥闯觯簩τ贑r=18%的不銹鋼，若使的不銹鋼，若使C降至降至0.12%以下，溶池溫度可達到以下，溶池溫度可達到1825 ，爐襯，爐襯將很快毀壞。這就是單爐法冶煉的基將很快毀壞。這就是單爐法冶煉的基本困難。本困難。2022-2-513在飽和氧的熔池中鉻、碳和溫度的關系在飽和氧的熔池中鉻、碳和溫度的關系2022-2-514考慮到考慮到Pco 的影響，熱力學計算式為的影響，熱力學計算

9、式為其中其中Pco 為氣相中一氧化碳的分壓，單位為為氣相中一氧化碳的分壓，單位為(atm)。由此式得到減壓操作有利于不銹鋼冶煉的啟示：由此式得到減壓操作有利于不銹鋼冶煉的啟示： 降低氣相中的降低氣相中的Pco 稀釋稀釋AOD 降低氣相總壓強降低氣相總壓強 真空真空 VOD2022-2-515AODArgon Oxygen Decarburization氬氧脫碳法，現(xiàn)今世界范圍內(nèi)最主要的不銹氬氧脫碳法，現(xiàn)今世界范圍內(nèi)最主要的不銹鋼冶煉手段。鋼冶煉手段。美國聯(lián)合碳化物公司美國聯(lián)合碳化物公司(UCC-Union Carbide Corporation )于于1954年開始研究，最初是研究年開始研究，

10、最初是研究鉻鐵生產(chǎn)的脫碳保鉻方法，于鉻鐵生產(chǎn)的脫碳保鉻方法，于1968年在美國喬年在美國喬斯林鋼公司斯林鋼公司(Joslyn Steel)成功用于生產(chǎn)。第一成功用于生產(chǎn)。第一臺臺AOD爐容量為爐容量為15t?，F(xiàn)專利權為普萊克斯現(xiàn)專利權為普萊克斯(PRAXAIR)公司所持有，公司所持有，已向全世界發(fā)放許可證一百多臺，其爐容量為已向全世界發(fā)放許可證一百多臺，其爐容量為3t175t。我國自制第一臺。我國自制第一臺AOD是太原鋼鐵公司是太原鋼鐵公司的的6噸爐，為噸爐，為1978年投產(chǎn)。年投產(chǎn)。2022-2-516主要裝備：主要裝備：n爐體爐體n供氣供氣(O2 、 Ar、N2)n供料供料n除塵除塵202

11、2-2-5172022-2-518VODVacuum Oxygen Decarburization真空吹氧脫碳法，現(xiàn)今世界范圍內(nèi)真空吹氧脫碳法，現(xiàn)今世界范圍內(nèi)第二位的不銹鋼冶煉手段，冶煉超低碳、第二位的不銹鋼冶煉手段，冶煉超低碳、高難度、高純度的不銹鋼更為有效。高難度、高純度的不銹鋼更為有效。為原西德維騰特殊鋼廠為原西德維騰特殊鋼廠(Edelstahlwerk Witten)于于1967年所發(fā)明，第一臺容量為年所發(fā)明，第一臺容量為50t?，F(xiàn)全世界共有近百臺，其容量為?，F(xiàn)全世界共有近百臺，其容量為5t150t。我國第一臺為。我國第一臺為13t，在大連鋼，在大連鋼廠廠1982年投產(chǎn)。年投產(chǎn)。202

12、2-2-519主要裝備有：主要裝備有：n鋼桶鋼桶n真空罐真空罐n氧槍氧槍n加料系統(tǒng)加料系統(tǒng)n取樣測溫取樣測溫n真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)n控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)2022-2-5202022-2-521一般來說，金屬(固溶體)的電極電位總是比其他化合物的電極電位低，所以在腐蝕過程中，金屬(固溶體)總是作為陽極而被腐蝕。提高鐵的電極電位，即可提高其耐蝕性。 研究表明，當鉻加人鐵中形成固溶體時，鐵固溶體的電極電位得到顯著的提高.3 合金元素對不銹鋼基體組織和耐蝕性的影響合金元素對不銹鋼基體組織和耐蝕性的影響2022-2-522電極電位隨鉻含量變化的規(guī)律是：在鉻量達到12.5%原子比(即1/8)時，電位有一個突躍升高

13、。當鉻量提高到25原子比(2/8)時，鐵的固溶體的電位又有一次突躍升高，這一現(xiàn)象稱為二元合金固溶體電位的n/8規(guī)律。假如鋼中雖含有12.5%原子比的鉻量，但因一部分鉻和鋼中的碳化合,固溶體中實際含鉻量低于12.5%,則鋼的耐蝕性就不能得到突躍的提高。鉻對于鐵鈍化性能和提高電極電位的良好作用,使鉻成為各種不銹鋼的主要合金化元素。n/8規(guī)律規(guī)律2022-2-523 不銹鋼的基體組織是獲得所需力學性能和工藝性能的保證，而更重要的是具有良好的耐蝕性的保證。 單相鐵素體鋼、單相奧氏體鋼，是不銹鋼中耐蝕性較好的兩類鋼。合金元素對基體組織的影響首先取決于合金元素是穩(wěn)定劑還是穩(wěn)定劑。 穩(wěn)定劑的元素占優(yōu)勢可獲得

14、單相不銹鋼；反之則獲得單相不銹鋼。2022-2-5242022-2-5252022-2-5262022-2-5271) 鉻： 鉻是決定不銹鋼耐蝕性的主要元素 當鉻含量(原子比)達到1/8,2/8時，鐵的電極電位就跳躍式地增加，耐蝕性也隨之而提高。鉻元素是穩(wěn)定化元素。 鉻的氧化物比較致密，可形成耐蝕的保護膜。2) 碳: 碳能強烈地穩(wěn)定奧氏體，穩(wěn)定奧氏體的能力均為鎳的30倍； 同時，又是不銹鋼強化的主要元素； 碳與鉻能形成一系列碳化物，使不銹鋼的耐蝕性受到嚴重影響； 同時碳使不銹鋼的加工性能和焊接性能變壞。2022-2-5283) 鎳： 鎳是不銹鋼中的一種重要元素，能提高耐蝕性； 鎳是穩(wěn)定化元素，

15、鎳能有效地降低Ms點，使奧氏體能保持到很低的溫度. 4) 錳： 錳是鎳的代用品，是穩(wěn)定化元素； 錳在奧氏體不銹鋼中部分替代Ni, 2%Mn相當1Ni.5) 鈦、鈮： 鈦和鈮是強的碳化物形成元素，可優(yōu)先于鉻同碳形成碳化物，防止晶間腐蝕，提高耐蝕性。2022-2-5296) 鉬： 鉬提高不銹鋼的鈍化作用和耐蝕性，可阻止點蝕。 7) 鉻,鎳當量可由下列公式計算： 鉻當量：由鐵素體形成元素來確定： Cr當量 = (Cr)+2(Si)+1.5(Mo)+5(V)+5.5(Al) +1.75(Nb)+1.5(Ti)+0.75(W) 同樣，鎳當量由奧氏體形成元素確定： Ni當量=(Ni)+(Co)+0.5(M

16、n)+0.3(Cu)+25(N)+30(C) 以上各元素均為重量百分比. 2022-2-530奧氏體不銹鋼是含有鉻和較多的穩(wěn)定奧氏體元素鎳、錳、氮，使用狀態(tài)為奧氏體的一種不銹鋼。1） A不銹鋼體系4 奧氏體不銹鋼2022-2-531Micrograph of AISI 316 austenitic stainless steel showing a microstructure consisting of 100% austenite. The straight-edged areas (marked by arrows) within the grains are annealing twi

17、ns. Electrolytically etched in 60 parts nitric acid in 40 parts water, stainless steel cathode,at 6 V direct current. 2002） A不銹鋼組織2022-2-5323）A不銹鋼的晶間腐蝕 奧氏體不銹鋼焊接后，在腐蝕介質(zhì)中工作時，在離焊縫不遠處會有嚴重的晶間腐蝕。這是由于焊接時焊縫周圍有一個溫度為450800的過渡區(qū)，這一溫度導致沿晶界析出(Cr,Fe)23C6,從而使晶界產(chǎn)生貧鉻區(qū)。沿晶界析出Cr23C6過程可見圖 2022-2-533工程上為防止奧氏體鋼晶間腐蝕現(xiàn)象，可采取如下

18、措施： 降低鋼中碳含量； 在鋼中加穩(wěn)定碳化物形成元素(Ti、Nb)，與碳結合析出特殊碳化物，消除晶間貧鉻區(qū)。 鋼經(jīng)10501100加熱淬火，保證固溶體中碳和鉻的含量。 對非穩(wěn)定性鋼進行退火，使奧氏體成分均勻化，消除貧鉻區(qū)；對穩(wěn)定性鋼，將鉻的碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)殁仭⑩壍奶厥馓蓟?，保證耐蝕所需要的固溶體含鉻水平2022-2-534在鉻鎳鋼中, 如果該鋼在450800的溫度下工作, 或人工在這溫度下進行時效處理，也會得到由于焊接加熱而產(chǎn)生的同樣的效果。這種時效處理會導致不銹鋼晶間腐蝕的敏感性，所以又稱敏化處理。 敏化處理和敏感性關系通常用(Time-Temperature-Sensitivation)曲線來表示， 曲線1表示鋼開始產(chǎn)生晶間腐蝕傾向； 曲線2表示此時由于時間充分晶間腐蝕傾向已不出現(xiàn)。 4）敏化處理2022-2-5354）奧氏體不銹鋼的熱處理 為了獲得均勻的單相奧氏體組織，需要進行淬火處理； 為了消除由于焊接、熱加工和其他工業(yè)操作中造成的應力和晶間腐蝕傾向，通常采用淬火，再退火處理。 淬火處理時淬火溫度必須高于碳化鉻的溶解溫度(Tp)一定溫度。 因此鋼中碳量愈高，淬火溫度應愈高.淬火后的鋼，即具有優(yōu)越的強度性能和耐蝕性的配合。 對于不含鈦、鈮穩(wěn)定化元素的鋼進行退火，可以提高奧氏體-碳化物晶界鉻的濃度，使鋼具有高的抗晶界腐蝕性。 對于用鈦、鈮合金化的鋼進行退