不銹鋼在不同腐蝕環境下的選用與特點

不銹鋼在不同腐蝕環境下的選用與特點
不銹鋼是餐具、化肥、食品、石油、化工、國防、石油提煉和合成纖維等工業行業中廣泛使用的金屬材，而許多管道、閥門、容器、泵、等一般都因與各種腐蝕性介質接觸遭受腐蝕而報廢。據統計，全世界每年因腐蝕而報廢的鋼材約占鋼材年產量的1／4。而不銹鋼的產量占鋼鐵總產量的1%。因此，材料受到腐蝕而失效是當今材料研究與發展中的三大主要問題之一。???
???? 不銹鋼是指具有抗腐蝕性能的一類鋼種。??
??? 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。??
??? 所謂不銹鋼是指能抵抗大氣及弱腐蝕介質腐蝕的鋼種。腐蝕速度＜0.01mm／年者為完全耐腐蝕鋼，速度＜0.1mm／年者為耐蝕鋼。所謂的耐酸鋼是指在各種強腐蝕介質中能耐酸的鋼．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、只不過腐蝕速度較慢而已、絕對不被腐蝕的鋼是不存在的。??
??? 值得注意的是在同一介質中．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中腐蝕行為也大不一樣。例如．Ni-Cr不銹鋼在氧化性介質中的耐蝕性很好．但在非氧化介質中(如鹽酸）的耐蝕性就不好了。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，還要承受或傳遞載荷，因此還需要具有較好的力學性能。不銹鋼一般以板、管等型材加工成構件或零件，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；奧氏體-鐵素體（A-F）雙相型不銹鋼；沉淀硬化型不銹鋼。??
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??? 一、腐蝕類型??
??? 金屬材料在工業生產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環境的作用下，其腐蝕形式主要有以下幾類：??
??? 一般腐蝕：金屬裸露表面發生大面積的較為均勻的腐蝕，雖降低構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，它可以使金屬變脆或喪失強度，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，這是由于晶界區域與晶內成分或應力有差別，引起晶界區域電極電位顯著降低而造成的電極電位助差別所致。??
??? 應力腐蝕：金屬在腐蝕介質及拉應力（外加應力或內應力）的共同作用下產生破裂現象。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、在氯化介質和堿性氧化物或其它水溶性介質中常發生應力腐蝕，在許多設備的事故中占相當大的比例。??
??? 點腐蝕：點腐蝕是發生在金屬表面局部區域的一種腐蝕破壞形式、點腐蝕形成后能迅速地向深處發展，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。出現點腐蝕后應及時磨光或涂漆，以避免腐蝕加深。??
??? 點腐蝕產生的原因是在介質的作用下，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中，材料表面缺陷疏松及非金屬夾雜物等都可引起點腐蝕。??
??? 腐蝕疲勞：金屬在腐蝕介質及交變應力作用下發生的破壞、其特點是產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，隨著循環次數的增加，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生的腐蝕。例如，金屬構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。??
??? 從上述腐蝕機理可見，防止腐蝕的著眼點應放在：盡可能減少原電池數量，使鋼的表面形成一層穩定的、完整的、與鋼的基體結合牢固的鈍化膜；在形成原電池的情況下，盡可能減少兩極間的電極電位差。??
??? 不銹鋼的合金化原理??
??? 提高鋼耐蝕性的方法很多，如表面涂一層耐蝕金屬、涂敷非金屬層、電化學保護和改變腐蝕環境介質等。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腐蝕能力。一般鋼中加入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，但不是呈線性關系。實驗證明鋼的電極電位隨合金元素的增加，存在著一個量變到質變的關系，遵循1/8規律。??
??? 當Cr含量達到一定值時即1／8原子（l／8、2／8、3/8……）時，電極電位將有一個突變。因此，幾乎所有的不銹鋼中，Cr含量均在12.%（原子）以上，即11.7%（質量）以上。??
?? （2）加入合金元素使鋼的表面形成一層穩定的、完整的與鋼的基體結合牢固的純化膜。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能以單相狀態存在，減少微電池數目從而提高鋼的耐蝕性。如加入足夠數量的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，提高抗腐蝕的能力。??
?? （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下鋼的組織狀態，劃分為M不銹鋼、F不銹鋼、A不銹鋼、A一F雙相不銹鋼。?
? 二、金屬腐蝕?
?? （一）金屬的腐蝕過程??
??? 在外界介質的作用下使金屬逐漸受到破壞的現象稱為腐蝕。腐蝕基本上有兩種形式．化學腐蝕和電化學腐蝕。在生產實際中遇到的腐蝕主要是電化學腐蝕，化學腐蝕中不產生電流，巨在腐蝕過程中形成某種腐蝕產物。這種腐蝕產物一般都覆蓋在金屬表面上形成一層膜，使金屬與介質隔離開來。??
??? 如果這層化學生成物是穩定、致密、完整并同金屬表層牢固結合的，則將大大減輕甚至可以防止腐蝕的進一步發展，對金屬起保護作用。形成保護膜的過程稱為鈍化。例如，生成SiO2、Al2O3、Cr2O3等氧化膜，這些氧化膜結構致密、完整、無疏松、無裂紋且不易剝落，可起到保護基體金屬、避免繼續氧化的作用。例如鐵在高溫氧化時生成的Fe2O3。反之，有些氧化膜是不連續的，或者是多孔狀的．對基體金屬沒有保護作用。例如．有些金屬的氧化物，如Mo2O3、WO3在高溫下具有揮發性，完全沒有覆蓋基體的保護作用。??
??? 可見，氧化膜的產生及氧化膜的結構和性質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定的、完整致密的并與基體結合牢固的氧化膜，也稱為鈍化膜，電化學腐蝕是金屬腐蝕更重要的、更普遍的形式，它是由不同的金屬或金屬的不同電極電位而構成原電池所產生的。??
??? 這種原電池腐蝕是在顯微組織之間產生的故又稱之為微電池腐蝕。電化學腐蝕的特點是有電介質存在，不同金屬之間、金屬微區之間或相之間有電位差異連通或接觸，同時有腐蝕電流產生。?
???? 三、鐵素體不銹鋼??
??? 鐵素不銹鋼的含Cr量一般為13％～30％合碳量低于0.25%。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αγ轉變，不能用熱處理進行強化。抗氧化性強。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件，廣泛用于制造生產硝酸、氮肥等設備和化工使用的管道等。??
??? 典型的鐵(tie)素體不銹(xiu)鋼有Crl7型、Cr25型和Cr28型。??

?? 四、馬氏體不銹鋼??
??? 典型的馬氏體不銹鋼有1Cr13～4Cr13和9Cr18等??
??? 1Cr13鋼加工工藝性能良好。可不經預熱進行深沖、彎曲、卷邊及焊接。2Crl3冷變形前不要求預熱，但焊接前需預熱，1Crl3、2Cr13主要用來制作耐蝕結構件如汽輪機葉片等，而3Cr13、4Cr13主要用來制作醫療器械外科手術刀及耐磨零件；9Crl8可做耐蝕軸承及刀具。??
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??? 五、奧氏體不銹鋼??
??? 奧氏體不銹鋼是克服馬氏作不銹鋼耐蝕性不足和脆性過大而發展起來的。基本成分為Crl8%、Ni8%簡稱18－8鋼。其特點是合碳量低于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硝酸、硫酸等化工設備構件、冷凍工業低溫設備構件及經形變強化后可用作不銹鋼彈簧和鐘表發條等。??
??? 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，會出現晶問腐蝕。??
??? 含碳量越高，晶間蝕傾向性越大。此外，在焊接件的熱影響區也會出現晶間腐蝕。這是由于在晶界上析出富Cr的Cr23C6。使其周圍基體產生貧鉻區，從而形成腐蝕原電池而造成的。這種晶間腐蝕現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下在奧氏體內的飽和溶解度，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）通過調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。??
??? 2、奧氏體不銹鋼的應力腐蝕??
??? 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（StressCrackCorrosion）。奧氏體不銹鋼容易在含氯離子的腐蝕介質中產生應力腐蝕。當含Ni量達到8%一10%時，奧氏體不銹鋼應力腐蝕傾向性最大，繼續增加含Ni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Si2～4％并從冶煉上將N含量控制在0.04％以下。此外還應盡量減少P、Sb、Bi、As等雜質的含量。另外可選用A-F雙相鋼，它在Cl-和OH-介質中對應力腐蝕不敏感。當初始的微細裂紋遇到鐵素體相后不再繼續擴展，鐵素體含量應在6%左右。??
??? 3、奧氏作不銹鋼的形變強化??
??? 單相的奧氏體不銹鋼具有良好的冷變形性能，可以冷拔成很細的鋼絲，冷軋成很薄的鋼帶或鋼管。經過大量變形后，鋼的強度大力提高，尤其是在零下溫區軋制時，效果更為顯著。抗拉強度可達2000MPa以上。這是因為除了冷作硬化效果外，還疊加了形變誘發M轉變。??
??? 奧氏作不銹鋼經形變強化后可用來制造不銹彈簧、鐘表發條、航空結構中的鋼絲繩等。形變后若需焊接，則只能采用點焊工藝、形變使應力腐蝕傾向性增加。并因部分γ->M轉變而產生鐵磁性，在使用時（如儀表零件中）應予以考慮。??
??? 再結晶溫度隨形變量而改變，當形變量為60％時，其再結晶溫度降為650℃冷變形奧氏體不銹鋼再結晶退火溫度為850～1050℃，850℃則需保溫3h，1050℃時透燒即可，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，并將此狀態保留到室溫，這樣鋼的耐蝕性會有很大改善。??
??? 如上所述，為了防止晶問腐蝕，通常采用固溶化處理，使Cr23C6溶于奧氏體中，然后快速冷卻。對于薄壁件可采用空冷，一般情況采用水冷。??
?? （2）穩定化處理。一般是在固溶處理后進行，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，且在冷卻過程中充分析出，使碳不可能再形成鉻的碳化物，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一般加熱到300～350℃回火。對于不含穩定化元素Ti、Nb的鋼，加熱溫度不超過450℃，以免析出鉻的碳化物而引起晶間腐蝕。對于超低碳和含Ti、Nb不銹鋼的冷加工件和焊接件，需在500～950℃,加熱，然后緩冷，消除應力（消除焊接應力取上限溫度），可以減輕晶間腐蝕傾向并提高鋼的應力腐蝕抗力。??
??? 六、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼??
??? 在(zai)奧(ao)氏(shi)不(bu)(bu)銹鋼的(de)(de)基(ji)礎上(shang)，適當增加Cr含(han)量(liang)并減少Ni含(han)量(liang)，并與回溶化(hua)處理(li)相(xiang)(xiang)配合，可獲(huo)得具有奧(ao)氏(shi)體(ti)和鐵(tie)素(su)(su)體(ti)的(de)(de)雙(shuang)相(xiang)(xiang)組織（含(han)40～60％δ-鐵(tie)素(su)(su)體(ti)）的(de)(de)不(bu)(bu)銹鋼，典型鋼號有0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti、OCr21Ni6Mo2Ti等。雙(shuang)相(xiang)(xiang)不(bu)(bu)銹鋼有較好的(de)(de)焊接(jie)性，焊后不(bu)(bu)需熱處理(li)，而且(qie)其晶間腐蝕(shi)(shi)、應力(li)腐蝕(shi)(shi)傾向性也較小。但由于含(han)Cr量(liang)高，易(yi)形成σ相(xiang)(xiang)，使用時應加以(yi)注意(yi)。