机械网--不锈钢所含各元素的作用

目前已知的化学元素有100多种，在工业中常常使用的钢铁材料中可以遇到的化学元素约210多种。对人们在与腐蚀现象作长时间斗争的实践而构成的不锈钢这1特殊钢系列来说，最常常使用的元素有10几种，除组成钢的基本元素铁以外，对不锈钢的性能与组织影响最大的元素是：碳、铬、镍、锰、硅、钼、钛、铌、钛、锰、氮、铜、钴等。这些元素中除碳、硅、氮以外，都是化学元素周期表中位于过渡族的元素。实际上工业上利用的不锈钢都是同时存在几种以致10几种元素的，当几种元素共存于不锈钢这1个统1体中时，它们的影响要比单独存在时复杂很多，由于在这类情况下不但要考虑各元素本身的作用，而且要注意它们相互之间的影响，因此不锈钢的组织决定于各种元素影响的总和。1）、各种元素对不锈钢的性能和组织的影响和作用1－1、铬在不锈钢中的决定作用：决定不锈钢性属的元素只有1种，这就是铬，每种不锈钢都含有1定数量的铬。迄今为止，还没有不含铬的不锈钢。铬之所以成为决定不锈钢性能的主要元素，根本的缘由是向钢中添加铬作为合金元素以后，促使其内部的矛盾运动向有益于抵抗腐蚀破坏的方面发展。这类变化可以从以下方面得到说明：①铬使铁基固溶体的电极电位提高②铬吸收铁的电子使铁钝化钝化是由于阳极反应被制止而引发金属与合金耐腐蚀性能被提高的现象。构成金属与合金钝化的理论很多，主要有薄膜论、吸附论及电子排列论。1－2、碳在不锈钢中的两重性碳是工业用钢的主要元素之1，钢的性能与组织在很大程度上决定于碳在钢中的含量及其散布的情势，在不锈钢中碳的影响特别显著。碳在不锈钢中对组织的影响主要表现在两方面，1方面碳是稳定奥氏体的元素，并且作用的程度很大（约为镍的30倍），另外1方面由于碳和铬的亲和力很大，与铬构成—系列复杂的碳化物。所以，从强度与耐腐烛性能两方面来看，碳在不锈钢中的作用是相互矛盾的。认识了这1影响的规律，我们就可以够从不同的使用要求动身，选择不同含碳量的不锈钢。例如工业中利用最广泛的城市户口的农村房屋赔偿标准，也是最最少的不锈钢——0CRL3～4CR13这5个钢号的标准含铬量规定为12～14％，就是把碳要与铬构成碳化铬的因素考虑进去以后才决定的，目的即在于使碳与铬结合成碳化铬以后，固溶体中的含铬量不致低于11.7％这1最低限度的含铬量。就这5个钢号来说由于含碳量不同，强度与耐腐蚀性能也是有辨别的，0CR13～2CRL3钢的耐腐蚀性较好但强度低于3CRL3和4CR13钢，多用于制造结构零件，后两个钢号由于含碳较高而可获得高的强度多用于制造弹簧、刀具等要求高强度及耐磨的零件。又如为了克服18－8铬镍不锈钢的晶间腐蚀，可以将钢的含碳量降至0.03％以下，或加入比铬和碳亲和力更大的元素（钛或铌），使之不构成碳化铬，再如当高硬度与耐磨性成为主要要求时，我们可以在增加钢的含碳量的同时适当地提高含铬量，做到既满足硬度与耐磨性的要求，又兼顾—定的耐腐蚀功能，工业上用作轴承、量具与刃具有不锈钢9CR18和9CR17MOVCO钢，含碳量虽高达0.85～0.95％，由于它们的含铬量也相应地提高了，所以仍保证了耐腐蚀的要求。总的来讲，目前工业中获得利用的不锈钢的含碳量都是比较低的，大多数不锈钢的含碳量在0.1～0.4％之间，耐酸钢则以含碳0.1～0.2％的占多数。含碳量大于0.4％的不锈钢仅占钢号总数的1小部分，这是由于在大多数使用条件下存量违章建筑怎么处理，不锈钢总是以耐腐蚀为主要目的。另外，较低的含碳量也是出于某些工艺上的要求，如易于焊接及冷变形等。1－3、镍在不锈钢中的作用是在与铬配合后才发挥出来的镍是良好的耐腐蚀材料，也是合金钢的重要合金化元素。镍在钢中是构成奥氏体的元素，但低碳镍钢要获得纯奥氏体组织，含镍量要到达24％；而只有含镍27％时才使钢在某些介质中的耐腐蚀性能显著改变。所以镍不能单独构成不锈钢。但是镍与铬同时存在于不锈钢中时，含镍的不锈钢却具有许多宝贵的性能。基于上面的情况可知，镍作为合金元素在不锈钢中的作用，在于它使高铬钢的组织产生变化，从而使不锈钢的耐腐蚀性能及工艺性能获得某些改进。1－4、锰和氮可以代替铬镍不锈钢中镍铬镍奥氏体钢的优点虽然很多，但近几10年来由于镍基耐热合金与含镍20％以下的热强钢的大量发展与利用，和化学工业日益发展对不锈钢的需要量越来越大，而镍的矿藏量较少且又集中散布在少数地区，因此在世界范围内出现了镍在供和需方面的矛盾。所以在不锈钢与许多其他合金领域（如大型铸锻件用钢、工具钢、热强钢等）中，特别是镍的资源比较缺少的国家，广泛地展开了节镍和以其他元素代镍的科学研究与生产实践，在这方面研究和利用比较多的是以锰和氮来代替不锈钢与耐热钢中的镍。锰对奥氏体的作用与镍类似。但说得确切1些，锰的作用不在于构成奥氏体，而是在于它降落钢的临界淬火速度，在冷却时增加奥氏体的稳定性，抑制奥氏体的分解，使高温下构成的奥氏体得以保持到常温。在提高钢的耐腐蚀性能方面，锰的作用不大，如钢中的含锰量从0到10.4％变化，也不使钢在空气与酸中的耐腐蚀性能产生明显的改变。这是由于锰对提高铁基固溶体的电极电位的作用不大，构成的氧化膜的防护作用也很低，所以工业上虽有以锰合金化的奥氏体钢（如40MN18CR4，50MN18CR4WN、ZGMN13钢等），但它们不能作为不锈钢使用。锰在钢中稳定奥氏体的作用约为镍的2分之1，即2％的氮在钢中的作用也是稳定奥氏体，并且作用的程度比镍还要大。例如，欲使含18％铬的钢在常温下获得奥氏体组织，以锰和氮代镍的低镍不锈钢与元镍的铬锰氮不诱钢，目前已在工业中获得利用，有的已成功地代替了经典的18－8铬镍不锈钢。1－5、不锈钢中加钛或铌是为了不晶间腐蚀。1－6、钼和铜可以提高某些不锈钢的耐腐蚀性能。1－7、其他元素对不锈钢的性能和组织的影响以上主要的9种元素对不锈钢的性能和组织的影响，除这些元素对不锈钢性能与组织影响较大的元素以外，不锈钢中还含有1些其他的元素。有的是和1般钢1样为常存杂质元素，如硅、硫、磷等。也有的是为了某些特定的目的而加入的，如钴、硼、硒、稀土元素等。从不锈钢的耐腐蚀性能这1主要性质来说，这些元素相对已讨论的9种元素，都是非主要方面的，虽然如此，但也不能完全忽视，由于它们对不锈钢的性能与组织1样也产生影响。硅是构成铁素体的元素，在1般不锈钢中为常存杂质元素。钴作为合金元素在钢中利用不多，这是由于钴的价格高及其在其它方面（如高速钢、硬质合金、钴基耐热合金、磁钢或硬磁合金等）有着更重要的用途。在1般不锈钢中加钴作合金元素的也不多，常常使用不锈钢如9CRL7MOVCO钢（含1.2－1.8％钴）加钴，目的其实不在于提高耐腐蚀性能而在于提高硬度，由于这类不锈钢的主要用途是制造切片机械刃具、剪刀及手术刀片等。硼：高铬铁素体不锈钢CRL7MO2TI钢中加0.005％硼，可使在沸腾的65％醋酸中的耐腐蚀性能提高。加微量的硼（0.0006～0.0007％）可使奥氏体不锈钢的热态塑性改进。少量的硼由于构成低熔点共晶体，使奥氏体钢焊接时产生热裂纹的偏向增大，但含有较多的硼（0.5～0.6％）时，反而可避免热裂纹的产生。由于当含有0.5～0.6％的硼时，构成奥氏体－硼化物两相组织，使焊缝的熔点降落。熔池的凝固温度低于半溶化区时，母材在冷却时产生的张应力，由处于液态。固态的焊缝金属承受，此时是不致引发裂缝的，即使在近缝区构成了裂纹，也能够为处于液态－固态的熔池金属所填充。含硼的铬镍奥氏体不锈钢在原子能工业中有着特殊的用途。磷：在1般不锈钢中都是杂质元素，但其在奥氏体不锈钢中的危害性不像在1般钢中那样显著，故含量可允许高1些，如有的资料提出可达0.06％，以利于冶炼控制。个别的含锰的奥氏体钢的含磷量可达0.06％（如2CRL3NIMN9钢）以致0.08％（如CR14MNL4NI钢）。利用磷对钢的强化作用，也有加磷作为时效硬化不锈钢的合金元素，PH17－10P钢（含0.25％磷）乃PH－HNM钢（含0.30磷）等。硫和硒：在1般不锈钢中也是常有杂质元素。但向不锈钢中加0.2～0.4％的硫，可提高不锈钢的切削性能，硒也具有1样的作用。硫和硒提高不锈钢的切削性能，是由于它们降落不锈钢的韧性，例如1般18－8铬镍不锈钢的冲击值可达30公斤／厘米2。含0.31％硫的18－8钢（0.084％C、18.15％CR、9.25％NI）的冲击值为1.8公斤／平方厘米；含0.22％硒的18－8钢（0.094％C、18.4％CR、9％NI）的冲击值为3.24公斤／平方厘米。硫与硒均降落不锈钢的耐腐蚀性能，所以实际利用它们作为不锈钢的合金化元素的很少。稀土元素：稀土元素利用于不锈钢，目前主要在于改进工艺性能方面。如向CRL7TI钢和CR17MO2TI钢中加少量的稀土元素，可以消除钢锭中因氢气引发的气泡和减少钢坯中的裂纹。奥氏体和奥氏体－铁素体不锈钢中加0.02～0.5％的稀土元素（铈镧合金），可显著改进铸造性能。曾有1种含19.5％铬、23％镍和钼铜锰的奥氏体钢，由于热加工工艺性能在过去只能生产铸件，加稀土元素后则可轧制成各种型材。 资讯分类行业动态帮助文档展会专题报道5金人物商家文章