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铁素体不锈钢

铁素体不锈钢(400系)含铬量在15-~30-,具有体心立方晶体结构。这类钢一般不含,有时还含有少量的Mo、Ti、Nb等元素,这类钢具有导热系数大,膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良等特点,多用于制造耐大气、水蒸气、水及氧化性酸腐蚀的零部件。铁素体不锈钢价格不仅相对低且稳定,并且具有许多独特的特点和优势,业已证明,在许多原先认为只能采用奥氏体不锈钢(300系)的应用领域,铁素体不锈钢是一种极为优异的替代材料,铁素体不锈钢不含镍,主要元素为铬(>10-)和铁,铬是不锈钢特别耐腐蚀的元素,其价格相对稳定。

铬含量12-~30-,在高温和常温下均以体心立方晶格的铁素体为基体组织的不锈钢。这类钢一般不含镍,有的含有少量钼、钛或铌等元素,具有良好的抗氧化性,耐蚀性和耐氯化物腐蚀破裂性。铁素体不锈钢根据铬含量可分为低铬、中铬和高铬三类,根据钢的纯净度,特别是碳、氮杂质含量又可分为普通铁素体不锈钢和超纯铁素体不锈钢。普通铁素体不锈钢有低温和室温脆性,缺口敏感性及较高的晶间腐蚀倾向,焊接性较差等缺点,虽然这类钢发展的较早,在工业应用一直受到很大限制。普通铁素体不锈钢的这些不足,与钢的纯净度,特别是与钢中碳、氮等间隙元素的含量较高有关。只要钢中碳、氮足够低,例如不大于150×10~250×10-6,基本上可克服上述缺点。20世纪70年代后由于冶炼技术特别是真空冶金和二次精炼工艺的发展,已能生产出碳+氮≤150~250×10-6的高纯铁素体不锈钢,使这类钢在工业上获得了广泛应用。

一般可分为普通铁素体不锈钢和高纯铁素体不锈钢两大类。

此类钢包括低、中、高三种铬含量。低铬铁素体不锈钢,含铬大约为11-~14-,如中国的00Cr12,0Cr13Al。美国的AISI400、405、406MF-2(见表)。此类钢具有良好的韧性,塑性,冷变形性及可焊性。由于钢中含有一定量铬、铝,因此有较好的抗氧化性和不锈性。405可用作石油精炼塔、槽衬里、蒸汽涡轮机叶片、耐高温硫腐蚀装置等。400用作家庭及办公室用具等。409用于汽车排气消音系统装置及冷、温水管等。中铬铁素体不锈钢,铬含量为14-~19-,如中国的1Cr17、1Cr17Mo。美国的AISI429、430、433、434、435、436、439。此类钢有着较好的耐锈性和耐蚀性。其加工硬化系数较小(n≈2),有着良好的深拉深性能,但延性较差。430用作建筑装饰、汽车装饰、厨房装备、气体燃烧器及硝酸工业装置的部件等。434用于汽车,建筑的外部装饰。439用作燃气热水器、煤、气管线的软管等。高铬铁素体不锈钢含铬量19-~30-,如 中 国 的 Cr18Si2、Cr25,美国 的AISI442、443、446。此类钢有良好的抗氧化性。442在大气中断续使用,上限温度为1035℃,连续使用最高温度为980℃。446有更好的抗氧化性。

此类钢含有极低碳、氮;高铬、钼、钛、铌等元素。如中国的00Cr17Mo、00Cr18Mo2、00Cr26Mol、00Cr30Mo2国外18-2、Cr26Mol、25Cr-5Ni-4Mo-Nb、MoNiT、Al29-4、Al29-4-2。这类钢有良好的力学性能(特别是韧性),焊接性能,耐晶间腐蚀性,耐点蚀、缝隙腐蚀性,优异的耐应力腐蚀破裂性。如18-2在硝酸,醋酸,NaOH中有良好耐蚀性,在3-NaCl和FeCl3中耐点蚀性相当或超过18-8奥氏体钢,耐SCC性远超过18-8钢。26CrMo钢在许多介质中耐腐蚀,特别是有机酸,氧化性酸,强碱中。在强氯化物介质中有良好的耐点蚀性。在氯化物、硫化氢、过多硫酸及强碱中不产生应力腐蚀开裂。30Cr-2Mo在保持耐应力腐蚀同时具有更高耐点蚀、缝隙腐蚀性。加少量镍的钢,提高在还原性酸中的性能。

(1)均匀腐蚀。铬是最容易钝化的元素。在大气环境中,铬含量在12-以上的铁-铬合金就可自钝化。在氧化性介质中铬含量在17-以上就可钝化,在某些侵蚀性较强的介质中,高铬并加钼、镍、铜等元素可获得良好的耐蚀性。

(2)晶间腐蚀。铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢一样都会发生晶间腐蚀,但敏化处理及避免这种腐蚀的热处理恰好相反。铁素体不锈钢从925℃以上急冷容易遭受晶间腐蚀,而容易遭受晶间腐蚀的状态(敏化态)经过650~815℃短时间回火,便可消除。铁素体钢产生晶间腐蚀也是由于碳化物析出引起贫铬的结果。所以降低钢中碳、氮含量并加入钛、铌等元素,可降低晶间腐蚀敏感性。

(3)点蚀和缝隙腐蚀。铬、钼是提高不锈钢耐点蚀和缝隙腐蚀最有效元素。铬含量增加则氧化膜中的铬含量也增加,膜的化学稳定性增加。钼以MoO4的形式吸附在活性金属面上,抑制金属的溶解,促使再钝化,防止膜的破坏,因此高铬、钼铁素体不锈钢具有优异的耐点蚀和缝隙腐蚀性能。

(4)抗应力腐蚀破裂性。由于组织结构的特点,铁素体不锈钢在奥氏体不锈钢产生应力腐蚀破裂的介质中却是耐蚀的。

铁素体不锈钢因无相变,不能靠热处理强化。一般在700~800℃退火后使用。由于铁铬原子尺寸相差不多固溶强化效果较小,铁素体不锈钢屈服强度、抗拉强度略高于低碳钢,延性则低于低碳钢。

普通铁素体不锈钢易产生脆性:(1)室温脆性。普通铁素体不锈钢对缺口敏感,脆性转变温度除了低铬(如405)外均在室温以上,铬量愈高冷脆性愈大。这种冷脆性与钢中碳、氮等间隙元素有关,而超纯铁素体钢由于碳、氮等间隙元素含碳非常低,可得到良好的韧性,脆性转变温度可降至室温以下。

(2)高温脆化。普通铁素体不锈钢加热到927℃以上后急冷至室温,塑性和韧性显著降低。这种高温脆化与碳(氮)化物在427~927℃温度迅速地在晶界或位错上析出有关。降低钢中碳氮含量(采用超纯技术)可以极大的改善此脆性。此外,铁素体钢加热到927℃以上晶粒容量粗化,粗大晶粒将使钢的塑性,韧性恶化。

(3)σ-相的形成。根据铁-铬相图(见图1),在500~800℃保温,含铬40-~50-合金将形成单一相σ,含铬小于20-或大于70-的合金,将形成α+σ双相组织。σ-相形成会显著地降低钢的塑性和韧性。所以此类钢不宜在500~800℃长时间使用。

(4)475℃脆性。高铬(>15-)铁素体钢,在400~500℃保温将强烈脆化。这种脆化所需时间较σ相析出短,例如0.080C-0.4Si-16.9Cr钢在450℃保温4h,室温冲击韧性几乎下降到零。脆化程度随铬含量增加而增加,但在600℃以上处理可恢复韧性。475℃脆化是由于富铬α′相沉淀的结果。此类钢应避免在475℃附近加热。 [1]

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