【正文】 不銹鋼分公司海外培訓教材（不銹鋼基礎知識篇）2006年12月15日第一章 不銹鋼基礎知識不銹鋼是建筑、家電、石油、化工、化肥、合成纖維和石油提煉等工業(yè)部門中廣泛使用的金屬材料。通常所說的不銹鋼是不銹鋼與耐酸鋼的總稱。不銹鋼不一定耐酸，但耐酸鋼同時又是不銹鋼。%以上時，鋼的表面在大氣中會形成一層致密的氧化鉻，使鋼具有了防銹性，能防止鋼的基體進一步氧化，起到了對鋼基體的保護作用。%以上的鋼稱為不銹鋼。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。因此掌握各類不銹鋼的特點，對于正確選擇和使用不銹鋼是很重要的。不銹鋼不僅要耐蝕，還要具有較好的力學性能、良好的切削加工性能和焊接性能。到目前為止，不銹鋼已發(fā)展到了近200個鋼種，性能不同，生產(chǎn)工藝各異。不銹鋼良好的耐蝕性，較低的維護成本，優(yōu)良的外觀，使其在化工、食品、石油、建筑、電器工程、裝飾、核工業(yè)等領域廣泛得到應用。目前全世界年產(chǎn)不銹鋼在2400萬t左右。每年不銹鋼的需求量還以6%的比率增長，而中國需求量在以每年8%以上的速度增長，高于世界平均增長率。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：化學腐蝕和電化學腐蝕?；瘜W腐蝕在腐蝕過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形成一層膜，使金屬與介質(zhì)隔離開來。如果這層化學生成物是穩(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一步發(fā)展，對金屬起保護作用。形成保護膜的過程稱為鈍化?？梢姡趸さ漠a(chǎn)生及氧化膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是化學腐蝕的重要特征。因此，提高金屬耐化學腐蝕的能力，主要是通過合金化或其它方法，在金屬表面形成一層穩(wěn)定的、完整致密的并與基體結(jié)合牢固的氧化膜。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：指沿晶界進行的腐蝕，使晶粒的連接遭到破壞。這種腐蝕的危害性最大，它可以使合金變脆或喪失強度，敲擊時失去金屬聲響，易造成突然事故。晶間腐蝕為奧氏體不銹鋼的主要腐蝕形式。應力腐蝕：金屬在腐蝕介質(zhì)及拉應力（外加應力或內(nèi)應力）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，這是一種危險的低應力脆性斷裂，在氯化和堿性氧化物或其它水溶性介質(zhì)中常發(fā)生應力腐蝕，在許多設備的事故中占相當大的比例。點腐蝕：點腐蝕是發(fā)生在金屬表面局部區(qū)域的一種腐蝕破壞形式，點腐蝕形成后能迅速地向深處發(fā)展，最后穿透金屬。點腐蝕危害性很大，尤其是對各種容器是極為不利的。出現(xiàn)點腐蝕后應及時磨光或涂漆，以避免腐蝕加深。腐蝕疲勞：金屬在腐蝕介質(zhì)及交變應力作用下發(fā)生的破壞，其特點是產(chǎn)生腐蝕坑和大量裂紋。顯著降低鋼的疲勞強度，導致過早斷裂。腐蝕疲勞不同于機械疲勞，它沒有一定的疲勞極限，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞強度一直是下降的。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。從上述腐蝕機理可見，防止腐蝕的著眼點應放在：盡可能減少原電池數(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。提高鋼耐蝕性的方法很多，如表面鍍一層耐蝕金屬、涂敷非金屬層、電化學保護和改變腐蝕環(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腐蝕能力。一般往鋼中加入Cr、Ni、Si等元素均能提高其電極電位。由于Ni資源較缺，Si的大量加入會使鋼變脆，因此，只有Cr才是顯著提高鋼基體電極電位常用的元素。（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)合牢固的鈍化膜。從而提高鋼的耐化學腐蝕能力。如在鋼中加入 Cr、Si、Al等合金元素 ，使鋼的表層形成致密的Cr2OSiOAl2O3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能以單相狀態(tài)存在，減少微電池數(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，從而減輕了晶間腐蝕傾向。（6）加入Mn、N等元素，代替部分Ni獲得單相奧氏體組織，同時能大大提高鉻不銹鋼在有機酸中的耐蝕性。 不銹鋼的種類和特點不銹鋼有兩種分類法：一種是按合金元素的特點，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)，劃分為馬氏體（M）不銹鋼、鐵素體（F）不銹鋼、奧氏體（A）不銹鋼和雙相（奧氏體A 鐵素體F）不銹鋼。經(jīng)熱處理后可以硬化，有磁性。在溫和的環(huán)境下抗腐蝕。具有相當好的彈性。410鋼是馬氏體不銹鋼的常用鋼種。%的鉻，在高溫下具有奧氏體組織，在合適的冷卻速度下，冷卻到室溫可以轉(zhuǎn)變成馬氏體。馬氏體不銹鋼鋼種演變見圖1。典型的馬氏體不銹鋼鋼號有4420（1Cr13～4Cr13）和440（9Cr18）等410鋼加工工藝性能良好?？刹唤?jīng)預熱進行深沖、彎曲、卷邊及焊接。420冷變形前不要求預熱，但焊接前需預熱，4420J1主要用來制作耐蝕結(jié)構(gòu)件如汽輪機葉片等，而420J2主要用來制作醫(yī)療器械外科手術刀及耐磨零件；440可做耐蝕軸承及刀具。馬氏體不銹鋼化學成分見表11。表11 馬氏體不銹鋼的化學成分/%鋼種CrCMnSiPS其 它403410414416416Se420420F422431440A440B440F~13~~12~1412~1412~1412~1411~1315~1716~1816~1817~~~ Se Mo ~,~％～30％，%（見表2）。有時還加入其它合金元素。金相組織主要是鐵素體，加熱及冷卻過程中沒有α=γ轉(zhuǎn)變，不能用熱處理進行強化，只是經(jīng)冷加工后有一些硬化?？寡趸詮姡尤牒辖鹪乜稍谟袡C酸及 含Cl的介質(zhì)中有較強的抗蝕。同時，它還具有良好的熱加工性及一定的冷加工性。鐵素體不銹鋼主要用來制作要求有較高的耐蝕性而強度要求較低的構(gòu)件，廣泛用于制造生產(chǎn)硝酸、氮肥等設備和化工使用的管道等。430鋼是鐵素體不銹鋼的代表性鋼種。典型的鐵素體不銹鋼有Crl7型、Cr25型和Cr28型。 鐵素體不銹鋼的鋼種演變見圖12。鐵素體不銹鋼的化學成分見表12。表12 鐵素體不銹鋼的化學成分/%鋼種CMnPSSiCr其它409405429430430F430FSe434436442446Ti6*C/ *C/ 奧氏體不銹鋼是克服馬氏體不銹鋼耐蝕性不足和鐵素體不銹鋼脆性過大而發(fā)展起來的（見表13）?；境煞譃閘8％Cr、8％Ni簡稱18－8鋼。％，利用Cr、Ni配合獲得單相奧氏體組織。奧氏體不銹鋼有很多共性。能夠冷加工硬化，但不能熱處理硬化，無磁性。雖然有些經(jīng)冷加工后有輕微的磁性，但是經(jīng)退火后磁性消失。有很好的耐蝕性，極好的成形性，而且經(jīng)過冷加工后能增加強度。表13 奧氏體不銹鋼的化學成分/%鋼種CrNiCMnSiPS其 它301304304L309S310S316L321161818201820222424261618171968812121519221014912Ti 5*C 奧氏體不銹鋼一般用于制造生產(chǎn)硝酸、硫酸等化工設備構(gòu)件、冷凍工業(yè)低溫設備構(gòu)件及經(jīng)形變強化后可用作不銹鋼彈簧和鐘表發(fā)條等。、家電、運輸、建筑、土木各領域在廚房器具方面主要有水洗槽和電氣、煤氣熱水器，家電產(chǎn)品主要有全自動洗衣機的滾筒。從節(jié)能和再循環(huán)等環(huán)保的觀點看，不銹鋼的需求有望進一步擴大。在運輸領域主要有鐵道車輛和汽車的排氣系統(tǒng)，這是不銹鋼最大的應用領域。從上世紀80年代以后，鐵路運輸車輛和客車車輛開始批量使用不銹鋼制造，提升了運輸車輛和客車車輛的壽命周期，降低了使用成本，提高了運輸效率。近年來隨著城市軌道交通的發(fā)展，從安全、經(jīng)濟方面的考慮，不銹鋼車輛的使用在不斷增加。在建筑領域，最近的需求急劇增長，如：新加坡地鐵車站的防護裝置，使用了不銹鋼外裝飾材。再如日本1980年以后，用于建筑業(yè)的不銹鋼增長了約4倍，主要用作屋頂、大樓內(nèi)外裝飾和結(jié)構(gòu)材。在土木領域，日本的水壩吸水塔使用不銹鋼。歐美的寒冷地區(qū)，為防止高速公路和橋梁的凍結(jié)需撒鹽，使用不銹鋼鋼筋。今后不銹鋼在該領域的市場將有所作為。、長壽命和IT的普及關于環(huán)保方面，首先從大氣環(huán)保的觀點看，用于抑制二噁英發(fā)生的高溫垃圾焚燒裝置、LNG發(fā)電裝置和使用煤的高效發(fā)電裝置的耐熱、耐高溫腐蝕不銹鋼的需求將擴大。還有估計在21世紀初將投入實際應用的燃料電池汽車的電池殼也將使用不銹鋼。從水質(zhì)環(huán)保的觀點看，在給水、排水處理裝置中，具有優(yōu)異耐蝕性的不銹鋼也將擴大需求。關于長壽命，在歐洲已有的橋梁、高速公路、隧道等設施中，不銹鋼的應用在增加，預計這種潮流將遍及全世界。還有日本一般住宅建筑的壽命特別短為20～30年，廢材處理成為一大問題。最近以壽命達到100年為目標的建筑物開始出現(xiàn)，這樣具有優(yōu)異耐久性的材料需求將增長。隨著IT的迅速發(fā)展，在IT的發(fā)展和普及過程中，功能材料在設備硬件方面起很大的作用，對高精密度、高功能材料的要求非常大。如：在手機和微機部件中，靈活應用了不銹鋼的高強度、彈性和非磁性等特性，使得不銹鋼的應用擴大。還有在半導體和各種基板的制造設備中，具有良好清潔度和耐久性的不銹鋼發(fā)揮了重要作用。不銹鋼具有多種其它金屬沒有的優(yōu)異性能，是一種具有優(yōu)異耐久性和再循環(huán)性的材料，今后對應時代的變化，不銹鋼將廣泛應用于各種領域。第二章 不銹鋼金相組織及熱處理 奧氏體形成元素和鐵素體形成元素不銹鋼的組成元素按照其對組織的形成影響,分成鐵素體形成元素和奧氏體形成元素。鐵素體形成元素在相圖中有擴大鐵素體區(qū)的作用，如鉻、鉬、硅、鈦、鈮等；奧氏體形成元素有擴大奧氏體區(qū)的作用,如碳、鎳、錳、鈷、氮、銅等。在不銹鋼的熱加工和使用性能方面可以通過控制鐵素體形成元素或奧氏體形成元素的含量,達到改善熱加工性能和使用性能的目的。奧氏體不銹鋼在450～850℃保溫或緩慢冷卻時，會出現(xiàn)晶間腐蝕。含碳量越高，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）降低鋼中的碳含量，從根本上解決鉻的碳化物（Cr23C6）在晶界上析出的問題。％以下即可滿足抗晶間腐蝕性能的要求。（2）加入Ti、Nb，形成穩(wěn)定的碳化物（TiC或NbC），避免在晶界上析出Cr23C6。（3）通過調(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+鐵素體雙相組織，其中鐵素體占5％～12％。這種雙相組織不易產(chǎn)生晶間腐蝕。（4）采用適當熱處理工藝，可以防止晶間腐蝕，獲得最佳的耐蝕性。應力（主要是拉應力）與腐蝕的綜合作用所引起的開裂稱為應力腐蝕開裂，簡稱SCC（Stress Crack Corrosion）。奧氏體不銹鋼容易在含氯離子的腐蝕介質(zhì)中產(chǎn)生應力腐蝕。當含Ni量達到8％～10％時，奧氏體不銹鋼應力腐蝕傾向性最大，繼續(xù)增加Ni含量至45％～50％，應力腐蝕傾向逐漸減小，直至消失。防止奧氏體不銹鋼應力腐蝕的最主要途徑是加入2％～4％ ％以下。此外還應盡量減少P、Sb、Bi、As等雜質(zhì)的含量。另外可選用AF雙相鋼，它在Cl和OH介質(zhì)中對應力腐蝕不敏感。單相的奧氏體不銹鋼具有良好的冷變形性能，可以冷拔成很細的鋼絲，冷軋成很薄的鋼帶或鋼管。經(jīng)過大量變形后，鋼的強度大大提高，尤其是在零下溫度區(qū)間軋制時效果更為顯著?？估瓘姸瓤蛇_2000 MPa以上。奧氏體不銹鋼經(jīng)形變強化后可用來制造不銹彈簧、鐘表發(fā)條、航空結(jié)構(gòu)中的鋼絲繩等。 奧氏體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，這樣鋼的耐蝕性會有很大改善。（2）穩(wěn)定化處理。一般是在固溶處理后進行，常用于含Ti、Nb的188鋼，固溶處理后，將鋼加熱到850～880℃保溫后空冷，此時Cr的碳化物完全溶解，而鈦的碳化物不完全溶解，且在冷卻過程中充分析出，使碳不可能再形成碳化物，因而有效地消除了晶間腐蝕。（3）去應力處理。去應力處理是消除鋼在冷加工或焊接后的殘余應力的熱處理工藝