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不锈耐酸钢

不锈钢和耐酸钢的总称。通常称耐大气、蒸汽和水等弱腐蚀性介质腐蚀的钢为不锈钢。

称耐酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢为耐酸钢。二者在合金化程度上有差异,因此习惯上将不锈耐酸钢简称为不锈钢。

据工业上主要用途,不锈耐酸钢分为不锈钢和耐酸两种。在空气中能抵抗腐蚀的叫不锈钢;在各种侵蚀性强烈的介质中能抵抗腐蚀作用的钢叫耐酸钢。不锈钢并不一定耐酸,而耐酸钢也并非一定耐锈。这类钢主要含铬、镍等合金元素,有和还含有少量的钼、钒、铜、锰、氮或其他元素。铬含量有的高达25-左右(含铬量在13-以下的钢,只有在腐蚀不强烈的情况下才是耐蚀的),镍含量高达20-左右。这类钢主要用于制造化工设备、医疗器械、食品工业设备以及其他要求不锈的器件等。

不锈钢的发明是冶金史上的一项重大成就。20世纪初,吉耶(L.B.Guillet)于1904~1906年和波特万(A.M.Portevin)于1909~1911年在法国;吉森(W.Giesen)于1907~1909年在英国发现了铁-铬和铁-铬-镍合金的耐腐蚀性能。蒙纳尔茨(P.Monnartz)于1908~1911年在德国提出了不锈性和钝化理论的许多观点。工业用不锈钢的发明者:含Cr12~13-的马氏体不锈钢是布里尔利(H.Brearley)1912~1913年在英国;含Cr14~16-,C0.07~0.15-的铁素体不锈钢是丹齐曾 (C.Dantsizen)1911~1914年在美国;含C<1-,Cr15~40-,Ni<20-的奥氏体不锈钢是毛雷尔 (E.Maurer)和施特劳斯(B.Strauss)1912~1914年在德国。在此基础上随后又发展了著名的“18-8”不锈钢(C~0.1-,Cr~18-,Ni~8-)。在马氏体、铁素体和奥氏体三大类型不锈钢相继出现后,30年代又发明了奥氏体-铁素体双相不锈钢。40年代至50年代,马氏体和半奥氏体沉淀硬化不锈钢和节约镍的Cr-Mn-Ni-N等不锈钢以及含碳量低于 0.03-的超低碳不锈钢也开始生产。60年代以后又出现了马氏体时效不锈钢,TRIP(transformation inducedplasticity,见形变热处理)不锈钢和碳,氮总量低于150ppm的高纯铁素体不锈钢。70年代末,世界不锈钢年产量超过1000万吨,一些国家不锈钢产量约占其总钢产量的1-左右。中国于1952年开始大量试制和生产不锈钢,至70年代已有45个定型牌号。

不锈钢最重要的技术要求是耐蚀性,合适的力学性能,良好的冷、热加工和焊接等工艺性能。铬是不锈钢获得耐蚀性的基本元素。当钢中含铬量达到12-左右时,钢在氧化性介质中的耐蚀性发生突变性的上升。此时钢的表面形成一层极薄而致密的铬的氧化膜,阻止金属基体被继续侵蚀(见金属腐蚀)。除铬外,不锈钢中还含其他元素,有些是作为主要成分加入的,有的则是残留的杂质;其影响见下表。

不锈耐酸钢种类繁多,特性各异,按组织分类及其特性如下:

以铬为主要合金元素,含Cr12~30-,C≤0.25-;有些钢种还含Mo、Ti等元素,如1Cr17,1Cr25,0Cr18Mo2Ti等。一般呈单相铁素体或半铁素体组织。由于此类钢是单相组织,没有相变,因而无法通过热处理使之强化。此类钢热导率较大而热胀系数较小,抗氧化性强,而且耐蚀性随钢中铬量增加而提高,故多用于制造耐大气、蒸汽、水及氧化性酸和有机酸腐蚀的零部件和耐热部件。它们的耐氯化物应力腐蚀的性能优于一般Cr-Ni奥氏体钢,但对晶间腐蚀比较敏感。当钢中增加含硫量(S0.35-)时,还具有良好的易切削性能。

如果钢中含铬量≥15-,铁素体不锈钢的韧性-脆性转变温度会升到室温以上,而且在≥900℃加热时会出现晶粒长大而导致出现脆性。在550~750℃和 475℃长期停留也会出现σ相脆性和 475℃脆性,但含碳、氮总量低于150ppm的高纯高铬铁素体不锈钢如高纯Cr18Mo2,高纯Cr26Mo1等,基本上不产生室温脆性。如果作为焊接部件使用,焊接过程要采取防止增加碳、氮的措施才能获得满意性能。

钢中含Cr约18-、Ni8~10-、C约0.1-时,具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的“18-8”钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系钢。奥氏体组织的钢是无磁性而且具有高韧性和塑性,但强度较低,而且不能通过相变使之强化,仅能通过冷加工进行强化。如果把S、Ca、Se、Te等元素加入钢中,它便具有良好的易切削性。此类钢除耐氧化性酸介质腐蚀外,还能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等的腐蚀。不锈钢中的含碳如低于0.03-或含Ti、Nb,就可以显著提高其耐晶间腐蚀性能。高硅的奥氏体不锈钢对浓硝酸有良好的耐蚀性。为了节约价格较高的Ni并使钢仍具奥氏体组织,以Mn、N代Ni,发展出了Cr-Mn-Ni-N和Cr-Mn-N不锈钢。它们除耐氧化性酸、尿素、醋酸等介质外,还具有屈服强度远高于Cr-Ni奥氏体钢的优点,在一定条件下可代替Cr-Ni系不锈钢。

奥氏体铁素体双相不锈钢

目前大量生产与应用的双相不锈钢的组织结构特点是既有奥氏体又有铁素体。化学成分特点是在含C较低的情况下,含Cr量在18~28-,含Ni量在3~10-。有些牌号还含有Mo、Cu、Si、Ti、Nb、N 等合金化元素。双相不锈钢的性能特点是兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特性。与铁素体不锈钢相比较,双相不锈钢的塑、韧性更高,无室温脆性,其耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高;同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性和σ相脆性以及导热系数高,线膨胀系数小,具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比较,双相不锈钢的强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀性能有明显提高。含有 Mo、N等合金元素的双相不锈钢还具有优良的耐孔蚀性能。由于双相不锈钢含Ni量较低,因而它也是一种节镍不锈钢;主要用于化工、石油、原子能工业中作为结构材料使用,典型用途是制造各种换热设备。

根据化学成分的差异,可分为马氏体铬钢和马氏体铬镍钢两类。根据组织和强化机理的不同,则可分为马氏体不锈钢、马氏体和半奥氏体沉淀硬化不锈钢以及马氏体时效不锈钢等。

①马氏体铬钢 钢中除含铬外还含一定量的碳。含铬量决定钢的耐蚀性,含碳量越高则强度、硬度和耐磨性亦越高。此类钢的正常组织为马氏体,有的还含少量奥氏体、铁素体或珠光体;主要用于制造对强度、硬度要求高,而对耐腐蚀性能要求不太高的零件、部件以及工具、刀具等。典型钢号有2Cr13、4Cr13、9Cr18等。

②马氏体铬镍钢 包括马氏体沉淀硬化不锈钢、半奥氏体沉淀硬化不锈钢和马氏体时效不锈钢等,都是高强度或超高强度不锈钢。此类钢含碳量较低(低于0.10-),并含有镍,有些牌号还含较高的钼、铜等元素,所以此种钢在具有高强度的同时,强度与韧性的配合以及耐蚀性、焊接性等均优于马氏体铬钢。Cr17Ni2是最常用的一种低镍马氏体不锈钢。马氏体沉淀硬化不锈钢通常还含有Al、Ti、Cu等元素,它是在马氏体基体上通过沉淀硬化作用析出Ni3Al、Ni3Ti等弥散强化相而进一步提高钢的强度的,如Cr17Ni4Cu4等牌号;而半奥氏体(或称半马氏体)沉淀硬化不锈钢,由于淬火状态仍为奥氏体组织,所以淬火态仍可进行冷加工成型,然后通过中间处理、时效处理等工艺进行强化;这样就可以避免马氏体和马氏体沉淀硬化不锈钢中的奥氏体淬火后直接转变为马氏体,导致随后加工成型困难的缺点。常用的钢种有0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7Mo2Al 等。此类钢强度较高,一般达120~140kgf/mm2(见超高强度钢),常用于制作对耐蚀性能要求不太高但需要高强度的结构件,如飞机蒙皮等。马氏体时效不锈钢,是在超低碳马氏体时效钢的基础上加入高于10-的铬制成的,既保有马氏体时效钢的良好综合性能,又提高了耐蚀性。此类钢含碳低于0.03-,Cr10~15-,Ni6~11-(或Co10~20-),并加入Mo、Ti、Cu等元素强化。

采用电弧炉炼钢等。为了提高钢的纯净度,可采用炉外精炼的工艺。对要求严格控制化学成分以保证组织和性能的沉淀硬化不锈钢,不宜采用容量太大的炉子和浇铸过大的钢锭。

大多数不锈刚均具有比较良好的热塑性。但由于不锈钢的导热性不如碳钢,所以加热要比较缓慢,保温时间要较长。铁素体不锈钢晶粒容易长大,加热温度应偏低。停止加工温度应控制在800℃以下,并保证在较低温度时有相当的变形量。马氏体不锈钢则应在热加工后进行缓冷。在冷加工过程中,由于奥氏体不锈钢和半奥氏体不锈钢等加工硬化倾向大,故须进行多次退火。

不锈钢的焊接性是重要的工艺性能指标,应能用多种方法焊接,焊后不产生裂纹,而且耐腐蚀能力无明显下降。此外,必须严格按钢种选择焊条和焊接工艺条件;对某些钢种要按焊前、焊后热处理的规定进行操作。

铁素体不锈钢热处理温度的选择要避开脆性区,一般在780~870℃进行。为防止冷却过程中析出碳化物,加热后要求快冷(如水冷)。奥氏体不锈钢的热处理,主要是使碳化物完全固溶于奥氏体中和防止形成铬碳化物,以获得耐蚀性良好的组织。通常要加热到高温(如1000~1150℃),然后迅速冷却以防止碳化物和中间相析出,此法称固溶处理。对含Ti、Nb的不锈钢,可加热到800~900℃并保温一定时间,使钢中的碳大量形成Ti和Nb的碳化物,以防止随后焊接(或450~850℃加热)过程中铬碳化物沿晶界沉淀而引起晶间腐蚀,此法称为稳定化处理。

奥氏体-铁素体双相不锈钢一般采用与奥氏体不锈钢相同的固溶处理的热处理方法。但是,为控制适宜的各相比例和防止σ相沉淀,热处理温度和冷却速度要严格控制。

马氏体不锈钢一般用淬火并回火的方法。奥氏体化温度通常在1000℃左右。由于钢的淬透性随钢中含碳量增加而提高,冷却多用油冷或空冷。回火温度分低温(150~370℃)和高温(450~560℃)两种;低温主要消除内应力,高温是在保证良好耐蚀性的同时,获得优良的综合力学性能。

对于马氏体沉淀硬化不锈钢,一般先进行固溶处理,获得过饱和固溶体,冷却后具有马氏体组织;然后再进行沉淀硬化处理,利用时效作用产生细小而弥散分布的沉淀相,以提高钢的强度。半奥氏体(或半马氏体)沉淀硬化不锈钢,热处理工艺包括固溶处理,中间处理和沉淀硬化时效处理等阶段(见金属的强化)。

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