宝钢不锈钢分公司海外培训教材
不锈钢分公司海外培训教材 〔不锈钢根底知识篇〕 2006年12月15日 第一章 不锈钢根底知识 不锈钢是建筑、家电、石油、化工、化肥、合成纤维和石油提炼等工业部门中广泛使用的金属材料。通常所说的不锈钢是不锈钢与耐酸钢的总称。不锈钢不一定耐酸,但耐酸钢同时又是不锈钢。当钢中铬含量在1%以上时,钢的外表在大气中会形成一层致密的氧化铬,使钢具有了防锈性,能防止钢的基体进一步氧化,起到了对钢基体的保护作用。铬含量大于10.5%以上的钢称为不锈钢。 在同一介质中,不同种类的不锈钢腐蚀速度大不相同,而同一种不锈钢在不同的介质中腐蚀行为也大不一样。因此掌握各类不锈钢的特点,对于正确选择和使用不锈钢是很重要的。 不锈钢不仅要耐蚀,还要具有较好的力学性能、良好的切削加工性能和焊接性能。 到目前为止,不锈钢已开展到了近200个钢种,性能不同,生产工艺各异。不锈钢良好的耐蚀性,较低的维护本钱,优良的外观,使其在化工、食品、石油、建筑、电器工程、装饰、核工业等领域广泛得到应用。 目前全世界年产不锈钢在2400万t左右。每年不锈钢的需求量还以6%的比率增长,而中国需求量在以每年8%以上的速度增长,高于世界平均增长率。 腐蚀机理 在外界介质的作用下使金属逐渐受到破坏的现象称为腐蚀。腐蚀根本上有两种形式:化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀在腐蚀过程中形成某种腐蚀产物。这种腐蚀产物一般都覆盖在金属外表上形成一层膜,使金属与介质隔离开来。如果这层化学生成物是稳定、致密、完整并同金属表层牢固结合的,那么将大大减轻甚至可以防止腐蚀的进一步开展,对金属起保护作用。形成保护膜的过程称为钝化。 可见,氧化膜的产生及氧化膜的结构和性质是化学腐蚀的重要特征。因此,提高金属耐化学腐蚀的能力,主要是通过合金化或其它方法,在金属外表形成一层稳定的、完整致密的并与基体结合牢固的氧化膜。 金属材料在工业生产中的腐蚀失效形式是多种多样的。不同材料在不同负荷及不同介质环境的作用下,其腐蚀形式主要有以下几类: 一般腐蚀:金属裸露外表发生大面积的较为均匀的腐蚀,虽降低构件受力有效面积及其使用寿命,但比局部腐蚀的危害性小。 晶间腐蚀:指沿晶界进行的腐蚀,使晶粒的连接遭到破坏。这种腐蚀的危害性最大,它可以使合金变脆或丧失强度,敲击时失去金属声响,易造成突然事故。晶间腐蚀为奥氏体不锈钢的主要腐蚀形式。 应力腐蚀:金属在腐蚀介质及拉应力〔外加应力或内应力〕的共同作用下产生破裂现象。断裂方式主要是沿晶的、也有穿晶的,这是一种危险的低应力脆性断裂,在氯化和碱性氧化物或其它水溶性介质中常发生应力腐蚀,在许多设备的事故中占相当大的比例。 点腐蚀:点腐蚀是发生在金属外表局部区域的一种腐蚀破坏形式,点腐蚀形成后能迅速地向深处开展,最后穿透金属。点腐蚀危害性很大,尤其是对各种容器是极为不利的。出现点腐蚀后应及时磨光或涂漆,以防止腐蚀加深。 腐蚀疲劳:金属在腐蚀介质及交变应力作用下发生的破坏,其特点是产生腐蚀坑和大量裂纹。显著降低钢的疲劳强度,导致过早断裂。腐蚀疲劳不同于机械疲劳,它没有一定的疲劳极限,随着循环次数的增加,疲劳强度一直是下降的。 除了上述各种腐蚀形式以外,还有由于宏观电池作用而产生的腐蚀。 从上述腐蚀机理可见,防止腐蚀的着眼点应放在:尽可能减少原电池数量,使钢的外表形成一层稳定的、完整的、与钢的基体结合牢固的钝化膜;在形成原电池的情况下,尽可能减少两极间的电极电位差。 不锈钢的合金化原理 提高钢耐蚀性的方法很多,如外表镀一层耐蚀金属、涂敷非金属层、电化学保护和改变腐蚀环境介质等。但是利用合金化方法 ,提高材料本身的耐蚀性是最有效防止腐蚀破坏的措施之一,其方法如下; 〔1〕参加合金元素,提高钢基体的电极电位,从而提高钢的抗电化学腐蚀能力。一般往钢中参加Cr、Ni、Si等元素均能提高其电极电位。由于Ni资源较缺,Si的大量参加会使钢变脆,因此,只有Cr才是显著提高钢基体电极电位常用的元素。 〔2〕参加合金元素使钢的外表形成一层稳定的、完整的与钢的基体结合牢固的钝化膜。从而提高钢的耐化学腐蚀能力。如在钢中参加 Cr、Si、Al等合金元素 ,使钢的表层形成致密的Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜 ,就可提高钢的耐蚀性。 〔3〕参加合金元素使钢在常温时能以单相状态存在,减少微电池数目从而提高钢的耐蚀性。如参加足够数量的Cr或Cr-Ni,使钢在室温下获得单相铁素体或单相奥氏体。 〔4〕参加Mo、Cu等元素,提高钢抗非氧化性酸腐蚀的能力。 〔5〕参加Ti、Nb等元素,消除Cr的晶间偏析,从而减轻了晶间腐蚀倾向。 〔6〕参加Mn、N等元素,代替局部Ni获得单相奥氏体组织,同时能大大提高铬不锈钢在有机酸中的耐蚀性。 1.2 不锈钢的种类和特点 不锈钢有两种分类法:一种是按合金元素的特点,划分为铬不锈钢和铬镍不锈钢;另一种是按在正火状态下钢的组织状态,划分为马氏体〔M〕不锈钢、铁素体〔F〕不锈钢、奥氏体〔A〕不锈钢和双相〔奥氏体A -铁素体F〕不锈钢。 经热处理后可以硬化,有磁性。在温和的环境下抗腐蚀。具有相当好的弹性。410钢是马氏体不锈钢的常用钢种。 马氏体不锈钢含有多于10.5%的铬,在高温下具有奥氏体组织,在适宜的冷却速度下,冷却到室温可以转变成马氏体。马氏体不锈钢钢种演变见图1。 典型的马氏体不锈钢钢号有410、420〔1Cr13~4Cr13〕和440〔9Cr18〕等 410钢加工工艺性能良好。可不经预热进行深冲、弯曲、卷边及焊接。420冷变形前不要求预热,但焊接前需预热,410、420J1主要用来制作耐蚀结构件如汽轮机叶片等,而420J2主要用来制作医疗器械外科手术刀及耐磨零件;440可做耐蚀轴承及刀具。马氏体不锈钢化学成分见表1-1。 表1-1 马氏体不锈钢的化学成分/% 钢种 Cr C Mn Si P S 其 它 403 410 414 416 416Se 420 420F 422 431 440A 440B 440F 11.5~13 12~14 12~14 12~14 12~14 11~13 15~17 16~18 16~18 17 最小 5 最小 0.030 选择 或 选择 最小 选择 Ni0.5~1.0, 铁素体不锈钢的含Cr量一般为1%~30%,碳含量低于0.25%〔见表2〕。有时还参加其它合金元素。金相组织主要是铁素体,加热及冷却过程中没有αγ转变,不能用热处理进行强化,只是经冷加工后有一些硬化。抗氧化性强,参加合金元素可在有机酸及 含Cl-的介质中有较强的抗蚀。同时,它还具有良好的热加工