|
|
不銹鋼是指具有抗腐蝕性能的一類鋼種。通常所說(shuō)的不銹鋼是不銹鋼與耐酸鋼的總稱。不銹鋼不一定耐酸，但耐酸鋼同時(shí)又是不銹鋼。所謂不銹鋼是指能抵抗大氣及弱腐蝕介質(zhì)腐蝕的鋼種。腐蝕速度<0.01mm/年者分完全耐蝕腐蝕速度<0.1mm/年者為耐蝕。所謂的耐酸鈉是指在各種強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中能耐他的鋼．腐蝕速度<0.1mm/年者為完全耐蝕，腐蝕速度<1mm/年者為耐蝕。因此．不銹鋼并不是不腐蝕、只不過(guò)腐蝕速度較慢而已、絕對(duì)不被腐蝕的鋼是不存在的。
值得注意的是在同一介質(zhì)中．不同種類的不銹鋼腐蝕速度大不相同而同一種不銹鋼在不同的介質(zhì)中腐蝕行為也大不一樣。例如．Ni-Cr不銹鋼在氧化性介質(zhì)中的耐蝕性很好．但在非氧化介質(zhì)中(如鹽酸)的耐蝕性就不好了。因此掌握各類不銹鋼的特點(diǎn)、對(duì)于正確選擇和使用不銹鋼是很重要的。
不銹鋼不僅要耐蝕，還要承受或傳遞載荷，因此還需要具有較好的力學(xué)性能。不銹鋼一般以板、管等型材加工成構(gòu)件或零件，因此．要有良好的切削加工性能和良好的焊接性能。
不銹鋼按典型正火組織分為：鐵素體(F)型不銹鋼，馬氏體（M)型不銹鋼、奧氏體(A)型不銹鋼及奧氏體-鐵素體(A-F)雙相型不銹鋼及沉淀硬化或過(guò)渡型)不銹鋼。
一、金屬腐蝕
1、金屬的腐蝕過(guò)程
在外界介質(zhì)的作用下使金屬逐漸受到破壞的現(xiàn)象稱為腐蝕。腐蝕基本上有兩種形式：化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。在生產(chǎn)實(shí)際中遇到的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，化學(xué)腐蝕中不產(chǎn)生電流，巨在腐蝕過(guò)程中形成某種腐蝕產(chǎn)物。這種腐蝕產(chǎn)物一般都覆蓋在金屬表面上曬成一層膜，使金屬與介質(zhì)隔離開來(lái)。如果這層化學(xué)生成物是穩(wěn)定、致密、完整并同金屬表層牢固結(jié)合的，則將大大減輕甚至可以防止腐蝕的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)金屬起保護(hù)作用。形成保護(hù)膜的過(guò)程稱為鈍化。例如，生成SiO2、Al2O3、Cr2O3等氧化膜，這些氧化膜結(jié)構(gòu)致密、完整、無(wú)疏松、無(wú)裂紋且不易剝落，可起到保護(hù)基體金屬、避免繼續(xù)氧化的作用。例如鐵在高溫氧化時(shí)生成的Fe2O3。反之，有些氧化膜是不連續(xù)的，或者是多孔狀的．對(duì)基體金屬?zèng)]有保護(hù)作用。例如．有些金屬的氧化物，如Mo2O3、WO3在高溫下具有揮發(fā)性，完全沒(méi)有覆蓋基體的保護(hù)作用。
可見(jiàn)，氧化膜的產(chǎn)生及氧化膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是化學(xué)腐蝕的重要特征。因此，提高金屬耐化學(xué)腐蝕的能力，主要是通過(guò)合金化或其它方法，在金屬表面形成一層穩(wěn)定的、完整階致密的并與基體結(jié)合牢固的氧化膜(也稱為鈍化膜入電化學(xué)腐蝕是金屬腐蝕的更重要、更普遍的形式它是由不同的金屬或金屬的不同朝之間的電極電位不同而構(gòu)成原電池所產(chǎn)生的。這種原電池腐蝕是在顯微組織之間產(chǎn)生的故又稱之為微電池腐蝕。電化學(xué)腐蝕的特點(diǎn)是有電介質(zhì)存在，不同金屬之間、金屬微區(qū)之間或相之間有電位差異連通或接觸，同時(shí)有腐蝕電流產(chǎn)生。
2、腐蝕類型
金屬材料在工業(yè)生產(chǎn)中的腐蝕失效形式是多種多樣的。不同材料在不同負(fù)荷及不同介質(zhì)環(huán)境的作用下，其腐蝕形式主要有以下幾類：
一般腐蝕：金屬裸露表面發(fā)生大面積的較為均勻的腐蝕，雖降低構(gòu)件受力有效面積及其使用壽命，但比局部腐蝕的危害性小。
晶間腐蝕：指沿品界進(jìn)行的腐蝕，使晶粒的連接遭到破壞。這種腐蝕的危害性****，它可以便會(huì)金變脆或喪失強(qiáng)度，敲擊時(shí)失去金屬聲響，易造成突然事故。品同腐蝕為奧氏體不銹鋼的主要腐蝕形式，這是由于品界區(qū)域與晶內(nèi)成分或應(yīng)力有差別，引起品界區(qū)域電極電位顯著降低而造成的電極電位助差別所致。
應(yīng)力腐蝕：金屬在腐蝕介質(zhì)及拉應(yīng)力(外加應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力)的 共同作用下產(chǎn)生破裂現(xiàn)象。斷裂方式主要是沿晶的、也有穿晶的，這是一種危險(xiǎn)的低應(yīng)力脆性斷裂、在氯化和堿性氛氧化物或其它水溶性介質(zhì)中常發(fā)生應(yīng)力腐蝕，在許多設(shè)備的事故中占相當(dāng)大的比例。
點(diǎn)腐蝕：點(diǎn)腐蝕是發(fā)生在金屬表面局部區(qū)域的一種腐蝕破壞形式、點(diǎn)腐蝕形成后能迅速地向深處發(fā)展，最后穿透金屬。點(diǎn)腐蝕危害性很大庸，尤其是對(duì)各種容器是極為不利的。出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕后應(yīng)及時(shí)磨光或涂漆，以避免腐蝕加深。
點(diǎn)腐蝕產(chǎn)生的原因是在介質(zhì)的作用下，金屬表面鈍化膜受到局部損壞而造成的。或者在含有氯離子的介質(zhì)中，材料表面缺陷疏松及非金屬夾雜物等都可引起點(diǎn)腐蝕。
腐蝕疲勞：金屬在腐蝕介質(zhì)及交變應(yīng)力作用下發(fā)生的破壞、其特點(diǎn)是產(chǎn)生腐蝕坑和大量裂紋。顯著降低鋼的疲勞強(qiáng)度，導(dǎo)致過(guò)早斷裂。腐蝕疲勞不同于機(jī)械疲勞，它沒(méi)有一定的疲勞極限，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞強(qiáng)度一直是下降的。
除了上述各種腐蝕形式以外，還有由于宏觀電池作用而產(chǎn)生的腐蝕。例如，金屬構(gòu)件中鉚釘與鉚接材料不同、異種金屬的焊接、船體與螺旋槳材料不同等因電極電位差別而造成的腐蝕。
從上述腐蝕機(jī)理可見(jiàn)，防止腐蝕的著眼點(diǎn)應(yīng)放在：盡可能減少原電池?cái)?shù)量，使鋼的表面形成一層穩(wěn)定的、完整的、與鋼的基體結(jié)合牢固的鈍化膜；在形成原電池的情況下，盡可能減少兩極間的電極電位差。
二、不銹鋼的合金化原理
提高鋼耐蝕性的方法很多，如表面鎮(zhèn)一層耐蝕金屬、涂敷非金屬層、電化學(xué)保護(hù)和改變腐蝕環(huán)境介質(zhì)等。但是利用合金化方法，提高材料本身的耐蝕性是最有效的防止腐蝕破壞的措施之一，其方法如下：
(1)加入合金元素，提高鋼基體的電極電位，從而提高鋼的抗電化學(xué)腐蝕能力。一般住鋼中加入Cr、Ni、Si多元素均能提高其電極電位。由于Ni較缺，Si的大量加入會(huì)使鋼變脆，因此，只有Cr才是顯著提高鋼基體電極電位常用的元素。
Cr能提高鋼的電極電位，但不是呈線性關(guān)系、如圖5.1所示。實(shí)驗(yàn)證呼鋼的電極電位隨合金元素的增加，存在著一個(gè)量變到質(zhì)變的關(guān)系，遵循1/8規(guī)律。當(dāng)Cr含量達(dá)到一定值時(shí)即1/8原子(l/8、2/8、3/8……)時(shí)，電極電位將有一個(gè)突變。因此，幾乎所有的不銹鋼中，Cr含量均在12.%5(原子)以上，即11.7%(質(zhì)量)以上。
(2)加入合金元素使鋼的表面形成一層穩(wěn)定的、完整的與鋼的基體結(jié)合牢固的純化膜。從而提高鋼的耐化學(xué)腐蝕能力。如在鋼中加入Cr，Si，Al等合金元素，使鋼的表層形成致密的Cr2O3，SiO2，Al2O3等氧化膜，就可提高鋼的耐蝕性。
(3)加入合金元素使鋼在常溫時(shí)能以單相狀態(tài)存在，減少微電池?cái)?shù)目從而提高鋼的耐蝕性。如加入足夠數(shù)量的Cr或Cr－Ni，使鋼在室溫下獲得單相鐵素體或單相奧氏體。
(4)加入Mo、Cu等元素，提高鋼抗非氧化性酸腐蝕的能力。
(5)加入Ti，Nb等元素，消除Cr的晶間偏析，從而減輕了晶問(wèn)腐蝕傾向。
(6)加入Mn、N等元素，代替部分Ni獲得單相奧氏體組織，同時(shí)能大大提高銘不銹鋼在有機(jī)酸中的耐蝕性。
三、不銹鋼的種類和特點(diǎn)
不銹鋼有兩種分類法：一種是按合金元素的特點(diǎn)，劃分為鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼；另一種是按在正火狀態(tài)下鋼的組織狀態(tài)，劃分為M不銹鋼、F不銹鋼、A不銹鋼和A一F雙相不銹鋼。
1、馬氏體不銹鋼
典型的馬氏體不銹鋼鋼號(hào)有1Cr13～4Cr13和9Cr18等 1Cr13鋼加工工藝性能良好。可不經(jīng)預(yù)熱進(jìn)行深沖、彎曲、卷邊及焊接。2Crl3冷變形前不要求預(yù)熱，但焊接前需預(yù)熱，ICrl3、2Cr13主要用來(lái)制作耐蝕結(jié)構(gòu)件如汽輪機(jī)葉片等，而3Cr13、4Cr13主要用來(lái)制作醫(yī)療器械外科手術(shù)刀及耐磨零件；9Cll8可做耐蝕軸承及刀具。
2、鐵素體不銹鋼
鐵素作不銹鋼的含Cr量一般為13%～30%合碳量低于0.25%。有時(shí)還加入其它合金元素。金相組織主要是臺(tái)鐵素體，加熱及冷卻過(guò)程中沒(méi)有α<=>γ轉(zhuǎn)變，不能用熱處理進(jìn)行強(qiáng)化。抗氧化性強(qiáng)，加入合金元素比可在有機(jī)酸及含氯離子的介質(zhì)中有較強(qiáng)的抗蝕。同時(shí)，它還具有良好的熱加工性及一定的冷加工性。鐵體不銹鋼主要用來(lái)制作要求有較高的耐蝕性而強(qiáng)度要求較低的構(gòu)件，廣泛用于制造生產(chǎn)硝酸、氮肥等設(shè)備和化工使用的管道等。 典型的鐵案體不銹鋼有Crl7型、Cr25型和Cr28型，其成分性能及熱處理工藝如表所示。
3、奧氏體不銹鋼
奧氏作不銹鋼是克服馬氏作不銹鋼耐蝕性不足和鐵素體不銹鋼脆性過(guò)大而發(fā)展起來(lái)的。基本成分為Crl8%、Ni8%簡(jiǎn)稱18－8鋼。其特點(diǎn)是合碳量低于0.1%，利用Cr、Ni配合獲得單相奧氏體組織。
奧氏作不銹鋼一般用于制造生產(chǎn)硝酸、硫酸等化工設(shè)備構(gòu)件、冷凍工業(yè)低溫設(shè)備構(gòu)件及經(jīng)形變強(qiáng)化后可用作不銹鋼彈簧和鐘表發(fā)條等。
奧氏體不銹鋼具有良好的抗均勻腐蝕的性能，但在局部抗腐蝕方面，仍存在下列問(wèn)題：
①奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕
奧氏作不銹鋼在450～850℃保溫或緩慢冷卻時(shí)，會(huì)出現(xiàn)晶問(wèn)腐蝕。合碳量越高，晶間蝕傾向性越大。此外，在焊接件的熱影響區(qū)也會(huì)出現(xiàn)晶間腐蝕。這是由于在晶界上析出富Cr的Cr23C6。使其周圍基體產(chǎn)生貧鉻區(qū)，從而形成腐蝕原電池而造成的。這種晶間腐蝕現(xiàn)象在前面提到的鐵素體不銹鋼中也是存在的。
工程上常采用以下幾種方法防止晶間腐蝕：
(1)降低鋼中的碳量，使鋼中合碳量低于平衡狀態(tài)下在奧氏體內(nèi)的飽和溶解度，即從根本上解決了鉻的碳化物(Cr23C6)在晶界上析出的問(wèn)題。通常鋼中合碳量降至0.03%以下即可滿足抗晶間腐蝕性能的要求。
(2)加入Ti、Nb等能形成穩(wěn)定碳化物(TiC或NbC)的元素，避免在晶界上析出Cr23C6，即可防上奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕。
(3)通過(guò)調(diào)整鋼中奧氏體形成元素與鐵素體形成元素的比例，使其具有奧氏體+鐵索體雙相組織，其中鐵素體占5%一12%。這種雙相組織不易產(chǎn)生晶間腐蝕。
(4)采用適當(dāng)熱處理工藝，可以防止晶間腐蝕，獲得****的耐蝕性。
②奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕
應(yīng)力(主要是拉應(yīng)力)與腐蝕的綜合作用所引起的開裂稱為應(yīng)力腐蝕開裂，簡(jiǎn)稱SCC(StressCrackCorrosion)。奧氏體不銹鋼容易在含氯離子的腐蝕介質(zhì)中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。當(dāng)合Ni量達(dá)到8%一10%時(shí)，奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕傾向性****，繼續(xù)增加含Ni量至45%～50%應(yīng)力腐蝕傾向逐漸減小，直至消失。
防止奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的最主要途徑是加入Si2%～4%并從冶煉上將N含量控制在0.04%以下。此外還應(yīng)盡量減少P、Sb、Bi、As等雜質(zhì)的含量。另外可選用A-F雙用鋼，它在氯離子和OH-介質(zhì)中對(duì)應(yīng)力腐蝕不敏感。當(dāng)初始的微細(xì)裂紋遇到鐵素體相后不再繼續(xù)擴(kuò)展，體素體含量應(yīng)在6%左右。
③奧氏作不銹鋼的形變強(qiáng)化
單相的奧氏體不銹鋼具有良好的冷變形性能，可以冷拔成很細(xì)的鋼絲，冷軋成很薄的鋼帶或鋼管。經(jīng)過(guò)大量變形后，鋼的強(qiáng)度大力提高，尤其是在零下溫區(qū)軋制時(shí)效果更為顯著。抗拉強(qiáng)度可達(dá)2000MPa以上。這是因?yàn)槌死渥饔不Ч猓�疊加了形變誘發(fā)M轉(zhuǎn)變。
奧氏體不銹鋼經(jīng)形變強(qiáng)化后可用來(lái)制造不銹彈簧、鐘表發(fā)條、航空結(jié)構(gòu)中的鋼絲繩等。形變后若需焊接，則只能采用點(diǎn)焊工藝、形變使應(yīng)力腐蝕傾向性增加。并因部分γ->M轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生鐵磁性，在使用時(shí)(如儀表零件中)應(yīng)予以考慮。
再結(jié)晶溫度隨形變量而改變，當(dāng)形變量為60%時(shí)，其再結(jié)晶溫度降為650℃冷變形奧氏體不銹鋼再結(jié)晶退火溫度為850～1050℃，850℃則需保溫3h，1050℃時(shí)透燒即可，然后水冷。
④奧氏作不銹鋼的熱處理
奧氏體不銹鋼常用的熱處理工藝有：固溶處理、穩(wěn)定化處理和去應(yīng)力處理等。
(1)固溶處理。將鋼加熱到1050～1150℃后水淬，主要目的是使碳化物溶于奧氏體中，并將此狀態(tài)保留到室溫，這樣鋼的耐蝕性會(huì)有很大改善。如上所述，為了防止晶問(wèn)腐蝕，通常采用固溶化處理，使Cr23C6溶于奧氏體中，然后快速冷卻。對(duì)于薄壁件可采用空冷，一般情況采用水冷。
(2)穩(wěn)定化處理。一般是在固溶處理后進(jìn)行，常用于含Ti、Nb的18-8鋼，固處理后，將鋼加熱到850～880℃保溫后空冷，此時(shí)Cr的碳化物完全溶解，脫而鈦的碳化物不完全溶解，且在冷卻過(guò)程中充分析出，使碳不可能再形成格的碳化物，因而有效地消除了晶間腐蝕。
(3)去應(yīng)力處理。去應(yīng)力處理是消除鋼在冷加工或焊接后的殘余應(yīng)力的熱處理工藝一般加熱到300～350℃回火。對(duì)于不含穩(wěn)定化元素Ti、Nb的鋼，加熱溫度不超過(guò)450t，以免析出鉻的碳化物而引起晶間腐蝕。對(duì)于超低碳和合Ti、Nb不銹鋼的冷加工件和焊接件，需在500～950℃，加熱，然后緩冷，消除應(yīng)力(消除焊接應(yīng)力取上限溫度)，可以減輕晶間腐蝕傾向并提高鋼的應(yīng)力腐蝕抗力。
4、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼
在奧氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加Cr含量并減少Ni含量，并與回溶化處理相配合，可獲得具有奧氏體和鐵素體的雙相組織(含40～60%δ-鐵素體)的不銹鋼，典型鋼號(hào)有0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti、OCr21Ni6Mo2Ti等。雙相不銹鋼與里氏體不銹鋼相比有較好的焊接性，焊后不需熱處理，而且其晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕傾向性也較小。但由于含Cr量高，易形成σ相，使用時(shí)應(yīng)加以注意。
四、氯離子的腐蝕
處于鈍態(tài)的金屬仍有一定的反應(yīng)能力，即鈍化膜的溶解和修復(fù)(再鈍化)處于動(dòng)平衡狀態(tài)。當(dāng)介質(zhì)中含有活性陰離子(常見(jiàn)的如氯離子)時(shí)，平衡便受到破壞，溶解占優(yōu)勢(shì)。其原因是氯離子能優(yōu)先地有選擇地吸附在鈍化膜上，把氧原子排擠掉，然后和鈍化膜中的陽(yáng)離子結(jié)合成可溶性氯化物，結(jié)果在新露出的基底金屬的特定點(diǎn)上生成小蝕坑(孔徑多在20～30μm)，這些小蝕坑稱為孔蝕核，亦可理解為蝕孔生成的活性中心。氯離子的存在對(duì)金屬的鈍態(tài)起到直接的破壞作用。 |
