1、2022-11-81不不 锈锈 钢钢(Stainless SteelStainless Steel)2022-11-821.1.钢种简介钢种简介(1)(1)不锈钢之涵义不锈钢之涵义 不锈钢是不锈钢和耐酸钢的总称。不锈钢不锈钢是不锈钢和耐酸钢的总称。不锈钢系指耐大气、蒸汽和水等弱介质腐蚀的钢，系指耐大气、蒸汽和水等弱介质腐蚀的钢，耐酸钢则指耐酸、碱、盐等化学浸蚀性介质耐酸钢则指耐酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢。不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢一腐蚀的钢。不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢一般均具有不锈性。般均具有不锈性。2022-11-83 不锈钢具有不锈和耐蚀特性，其主要不锈钢具有不锈和耐蚀特性，其主要
2、原因是由于钢表面形成富铬氧化膜而钝化。原因是由于钢表面形成富铬氧化膜而钝化。研究表明，钢中铬含量大于研究表明，钢中铬含量大于12%以后引起以后引起耐蚀性突变，因此，不锈钢中含铬量一般耐蚀性突变，因此，不锈钢中含铬量一般应大于应大于12%。国内外都曾试图开发节铬和。国内外都曾试图开发节铬和无铬的不锈钢，除特殊情况外，迄今尚未无铬的不锈钢，除特殊情况外，迄今尚未获得有效的进展。获得有效的进展。2022-11-84不锈钢的发明是世界冶金史上的一项重不锈钢的发明是世界冶金史上的一项重大进展。研究开发始于大进展。研究开发始于19041904年，年，1908190819111911年蒙纳尔兹年蒙纳尔兹(P
3、.Monnartz)(P.Monnartz)于德国提出了不锈于德国提出了不锈性和钝化理论，开辟了工业用不锈钢的先河，性和钝化理论，开辟了工业用不锈钢的先河，到到5050年代各种不锈钢系列已具雏形，年代各种不锈钢系列已具雏形，6060年代年代不锈钢的冶炼技术得到了突破性进展，不锈钢的冶炼技术得到了突破性进展，19501950年全世界不锈钢总产量不足年全世界不锈钢总产量不足100100万吨，到万吨，到19901990年增至年增至11001100万吨，万吨，4040年间增长了年间增长了1010倍以上。倍以上。2022-11-85(2)(2)不锈钢的分类不锈钢的分类不锈钢钢种很多，性能各异，常见分类方
4、法有：不锈钢钢种很多，性能各异，常见分类方法有：n按钢的组织结构分类：如马氏体不锈钢，铁素体按钢的组织结构分类：如马氏体不锈钢，铁素体不锈钢；奥氏体不锈钢，双相不锈钢，等。不锈钢；奥氏体不锈钢，双相不锈钢，等。n按钢中主要化学元素或特征元素分类：如铬不锈按钢中主要化学元素或特征元素分类：如铬不锈钢，铬镍不锈钢、铬镍钼不锈钢、超低碳不锈钢；钢，铬镍不锈钢、铬镍钼不锈钢、超低碳不锈钢；高钼不锈钢，等。高钼不锈钢，等。n按钢的性能特点和用途分类：如高强度不锈钢、按钢的性能特点和用途分类：如高强度不锈钢、耐应力腐蚀不锈钢；耐硝酸不锈钢，耐硫酸不锈耐应力腐蚀不锈钢；耐硝酸不锈钢，耐硫酸不锈钢，耐点蚀不锈
5、钢，等。钢，耐点蚀不锈钢，等。n按钢的功能特点分类：如低温不锈钢、无磷不锈按钢的功能特点分类：如低温不锈钢、无磷不锈钢，易切削不锈钢，等。钢，易切削不锈钢，等。2022-11-86在实际应用中，常按组织结构和化学在实际应用中，常按组织结构和化学元素两者结合的分类方法，如：元素两者结合的分类方法，如：五类：马氏体不锈钢，铁素体不锈钢，奥五类：马氏体不锈钢，铁素体不锈钢，奥 氏体不锈钢，双相不锈钢和沉淀硬氏体不锈钢，双相不锈钢和沉淀硬 化不锈钢。化不锈钢。两类：铬不锈钢和铬镍不锈钢。两类：铬不锈钢和铬镍不锈钢。2022-11-87不锈钢的强化机制 不锈钢的强化机制广泛地采用固溶强化，此外还有相变强
6、化、第二相强化、细化晶粒强化、沉淀强化和亚结构强化等。图为在810Ni奥氏体不锈钢中各种强化机制对屈服强度的贡献。图中显示了在不锈钢中，固溶强化是重要的强化机制，而晶粒细化对强度的贡献最大。2022-11-88马氏体不锈钢具有较好的综合机械性能，即较高的强度和一定的延展性；铁素体奥氏体不锈钢的强度较高、延展性也较好；铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢的强度性能相近，但后者的延展性远较其他各类不锈钢为高。在所有的不锈钢中奥氏体不锈钢塑性最好，沉淀硬化不锈钢的强度最高。2022-11-89(3)(3)不锈钢可加工成各类形状，常见有：不锈钢可加工成各类形状，常见有：扁平材：热轧板、带卷、扁平材：热轧板、带卷
7、、冷轧板、带卷、冷轧板、带卷、表面加工和涂层板、带卷。表面加工和涂层板、带卷。长型材：热轧棒材长型材：热轧棒材冷拔棒材冷拔棒材冷拔丝、极细丝冷拔丝、极细丝热轧管热轧管冷拔管、极细管冷拔管、极细管铸件：阀门、管件铸件：阀门、管件2022-11-8102.2.不锈钢冶炼的技术核心不锈钢冶炼的技术核心不锈钢冶炼的技术核心可归纳为四个不锈钢冶炼的技术核心可归纳为四个字：字：脱碳保铬脱碳保铬在一般不锈钢的成份范围内，可认为在一般不锈钢的成份范围内，可认为在在Fe-Cr-C-O构成的四元体系中基本的反应构成的四元体系中基本的反应式为：式为：Cr3O4(s)+4C=3Cr+4CO(g)2022-11-811
8、若取一氧化碳的分压为一个大气压，若取一氧化碳的分压为一个大气压，即即Pco=1atm，实用的热力学计算式为：实用的热力学计算式为：其中：其中：T为绝对温度为绝对温度K%Cr和和%C分别为熔池中分别为熔池中Cr和和C的重量百分浓度。的重量百分浓度。2022-11-812相应的有下图。可以看出：对于相应的有下图。可以看出：对于Cr=18%的不锈钢，若使的不锈钢，若使C降至降至0.12%以下，溶池温度可达到以下，溶池温度可达到1825，炉衬，炉衬将很快毁坏。这就是单炉法冶炼的基将很快毁坏。这就是单炉法冶炼的基本困难。本困难。2022-11-813在饱和氧的熔池中铬、碳和温度的关系在饱和氧的熔池中铬、
9、碳和温度的关系2022-11-814考虑到考虑到Pco 的影响，热力学计算式为的影响，热力学计算式为其中其中Pco 为气相中一氧化碳的分压，单位为为气相中一氧化碳的分压，单位为(atm)。由此式得到减压操作有利于不锈钢冶炼的启示：由此式得到减压操作有利于不锈钢冶炼的启示：降低气相中的降低气相中的Pco 稀释稀释AOD 降低气相总压强降低气相总压强 真空真空 VOD2022-11-81518%Cr钢钢C%温度温度 Pco的关系的关系A：吹氧法操作条件：吹氧法操作条件B：降低：降低 Pco法操作条件法操作条件2022-11-816AODArgon Oxygen Decarburization氩氧脱
10、碳法，现今世界范围内最主要的不锈氩氧脱碳法，现今世界范围内最主要的不锈钢冶炼手段。钢冶炼手段。美国联合碳化物公司美国联合碳化物公司(UCC-Union Carbide Corporation)于于1954年开始研究，最初是研究年开始研究，最初是研究铬铁生产的脱碳保铬方法，于铬铁生产的脱碳保铬方法，于1968年在美国乔年在美国乔斯林钢公司斯林钢公司(Joslyn Steel)成功用于生产。第一成功用于生产。第一台台AOD炉容量为炉容量为15t。现专利权为普莱克斯现专利权为普莱克斯(PRAXAIR)公司所持有，公司所持有，已向全世界发放许可证一百多台，其炉容量为已向全世界发放许可证一百多台，其炉容
11、量为3t175t。我国自制第一台。我国自制第一台AOD是太原钢铁公司是太原钢铁公司的的6吨炉，为吨炉，为1978年投产。年投产。2022-11-817主要装备：主要装备：n炉体炉体n供气供气(O2、Ar、N2)n供料供料n除尘除尘2022-11-8182022-11-819VODVacuum Oxygen Decarburization真空吹氧脱碳法，现今世界范围内真空吹氧脱碳法，现今世界范围内第二位的不锈钢冶炼手段，冶炼超低碳、第二位的不锈钢冶炼手段，冶炼超低碳、高难度、高纯度的不锈钢更为有效。高难度、高纯度的不锈钢更为有效。为原西德维腾特殊钢厂为原西德维腾特殊钢厂(Edelstahlwer
12、k Witten)于于1967年所发明，第一台容量为年所发明，第一台容量为50t。现全世界共有近百台，其容量为。现全世界共有近百台，其容量为5t150t。我国第一台为。我国第一台为13t，在大连钢，在大连钢厂厂1982年投产。年投产。2022-11-820主要装备有：主要装备有：n钢桶钢桶n真空罐真空罐n氧枪氧枪n加料系统加料系统n取样测温取样测温n真空系统真空系统n控制系统控制系统2022-11-8212022-11-822一般来说，金属(固溶体)的电极电位总是比其他化合物的电极电位低，所以在腐蚀过程中，金属(固溶体)总是作为阳极而被腐蚀。提高铁的电极电位，即可提高其耐蚀性。研究表明，当铬加
13、人铁中形成固溶体时，铁固溶体的电极电位得到显著的提高.3 合金元素对不锈钢基体组织和耐蚀性的影响合金元素对不锈钢基体组织和耐蚀性的影响2022-11-823电极电位随铬含量变化的规律是：在铬量达到12.5%原子比(即1/8)时，电位有一个突跃升高。当铬量提高到25原子比(2/8)时，铁的固溶体的电位又有一次突跃升高，这一现象称为二元合金固溶体电位的n/8规律。假如钢中虽含有12.5%原子比的铬量，但因一部分铬和钢中的碳化合,固溶体中实际含铬量低于12.5%,则钢的耐蚀性就不能得到突跃的提高。铬对于铁钝化性能和提高电极电位的良好作用,使铬成为各种不锈钢的主要合金化元素。n/8规律规律2022-1
14、1-824 不锈钢的基体组织是获得所需力学性能和工艺性能的保证，而更重要的是具有良好的耐蚀性的保证。单相铁素体钢、单相奥氏体钢，是不锈钢中耐蚀性较好的两类钢。合金元素对基体组织的影响首先取决于合金元素是稳定剂还是稳定剂。稳定剂的元素占优势可获得单相不锈钢；反之则获得单相不锈钢。2022-11-8252022-11-8262022-11-8272022-11-8281)铬：铬是决定不锈钢耐蚀性的主要元素 当铬含量(原子比)达到1/8,2/8时，铁的电极电位就跳跃式地增加，耐蚀性也随之而提高。铬元素是稳定化元素。铬的氧化物比较致密，可形成耐蚀的保护膜。2)碳:碳能强烈地稳定奥氏体，稳定奥氏体的能力
15、均为镍的30倍；同时，又是不锈钢强化的主要元素；碳与铬能形成一系列碳化物，使不锈钢的耐蚀性受到严重影响；同时碳使不锈钢的加工性能和焊接性能变坏。2022-11-8293)镍：镍是不锈钢中的一种重要元素，能提高耐蚀性；镍是稳定化元素，镍能有效地降低Ms点，使奥氏体能保持到很低的温度.4)锰：锰是镍的代用品，是稳定化元素；锰在奥氏体不锈钢中部分替代Ni,2%Mn相当1Ni.5)钛、铌：钛和铌是强的碳化物形成元素，可优先于铬同碳形成碳化物，防止晶间腐蚀，提高耐蚀性。2022-11-8306)钼：钼提高不锈钢的钝化作用和耐蚀性，可阻止点蚀。7)铬,镍当量可由下列公式计算：铬当量：由铁素体形成元素来确定
16、：Cr当量=(Cr)+2(Si)+1.5(Mo)+5(V)+5.5(Al)+1.75(Nb)+1.5(Ti)+0.75(W)同样，镍当量由奥氏体形成元素确定：Ni当量=(Ni)+(Co)+0.5(Mn)+0.3(Cu)+25(N)+30(C)以上各元素均为重量百分比.2022-11-831合金元素可归纳为铬,镍当量对不锈钢组织的影响，见图.8)各种元素对不锈钢组织的影响根据上述计算式算出的铬,镍当量数，在Schaeffler diagram 图中求得其交点，根据交点所在相区，确定钢的相组成。2022-11-832奥氏体不锈钢是含有铬和较多的稳定奥氏体元素镍、锰、氮，使用状态为奥氏体的一种不锈钢
17、。1）A不锈钢体系4 奥氏体不锈钢2022-11-833Micrograph of AISI 316 austenitic stainless steel showing a microstructure consisting of 100%austenite.The straight-edged areas(marked by arrows)within the grains are annealing twins.Electrolytically etched in 60 parts nitric acid in 40 parts water,stainless steel cathode
18、,at 6 V direct current.2002）A不锈钢组织2022-11-8343）A不锈钢的晶间腐蚀 奥氏体不锈钢焊接后，在腐蚀介质中工作时，在离焊缝不远处会有严重的晶间腐蚀。这是由于焊接时焊缝周围有一个温度为450800的过渡区，这一温度导致沿晶界析出(Cr,Fe)23C6,从而使晶界产生贫铬区。沿晶界析出Cr23C6过程可见图 2022-11-835工程上为防止奥氏体钢晶间腐蚀现象，可采取如下措施：降低钢中碳含量；在钢中加稳定碳化物形成元素(Ti、Nb)，与碳结合析出特殊碳化物，消除晶间贫铬区。钢经10501100加热淬火，保证固溶体中碳和铬的含量。对非稳定性钢进行退火，使奥氏
19、体成分均匀化，消除贫铬区；对稳定性钢，将铬的碳化物转变为钛、铌的特殊碳化物，保证耐蚀所需要的固溶体含铬水平2022-11-836在铬镍钢中,如果该钢在450800的温度下工作,或人工在这温度下进行时效处理，也会得到由于焊接加热而产生的同样的效果。这种时效处理会导致不锈钢晶间腐蚀的敏感性，所以又称敏化处理。敏化处理和敏感性关系通常用(Time-Temperature-Sensitivation)曲线来表示，曲线1表示钢开始产生晶间腐蚀倾向；曲线2表示此时由于时间充分晶间腐蚀倾向已不出现。4）敏化处理2022-11-8374）奥氏体不锈钢的热处理 为了获得均匀的单相奥氏体组织，需要进行淬火处理；为
20、了消除由于焊接、热加工和其他工业操作中造成的应力和晶间腐蚀倾向，通常采用淬火，再退火处理。淬火处理时淬火温度必须高于碳化铬的溶解温度(Tp)一定温度。因此钢中碳量愈高，淬火温度应愈高.淬火后的钢，即具有优越的强度性能和耐蚀性的配合。对于不含钛、铌稳定化元素的钢进行退火，可以提高奥氏体-碳化物晶界铬的浓度，使钢具有高的抗晶界腐蚀性。对于用钛、铌合金化的钢进行退火，能够将碳化铬转变成特殊碳化物TiC或NbC,这样也就消除了晶间腐蚀倾向.2022-11-8381）F不锈钢体系5 F不锈钢由于铬稳定相的作用，在铬含量到达13时，铁铬合金将无相变，从高温到低温一直保持铁素体铁素体的耐蚀性(对硝酸氨水等)
21、和抗氧化性均较好，特别是抗应力腐蚀性能较好，但机械性能及工艺性能较差，多用于受力不大的耐酸结构和作抗氧化钢使用。2022-11-8392）铁素体不锈钢的脆性相按Fe-Cr相图，45Cr在820开始形成相。但实际生产中，由于铬钢中的显微偏析和其他稳定相合金元素的作用，17Cr的不锈钢就有可能形成相.相具有高的硬度(HRC68以上)，常常沿晶界分布，故引起很大的脆性，并可能促进晶间腐蚀。475脆性 高铬钢中，当含Cr15%时，在400525温度范围长时间加热后或在此温度范围内缓冷时，钢在室温下变得很脆。这个现象尤以475加热最甚，因而这种脆性被称为475脆性。2022-11-8403）铁素体不锈钢
22、的热处理 铁素体不锈钢平衡组织为铁素体铬的碳化物。碳化物析出时容易产生点蚀和产生晶间腐蚀，为了获得成分均匀的铁素体组织，减少碳化物析出，消除晶间腐蚀（区域）倾向，以及消除相（区域）析出和475脆性（区域），铁素体不锈钢在热轧后常采用淬火、退火两种热处理工艺2022-11-8416 马氏体不锈钢马氏体不锈钢含12-18Cr,和铁素体不锈钢相比，其成分特点是：除铬的上限含量较低外；还含有一定量的碳和镍等相稳定化元素。这类高铬钢在加热时有较多或完全的相出现；又因稳定化元素含量不多，Ms点在室温以上，故淬火冷却能产生马氏体,因此称为马氏体类不锈钢。这类钢具有高的强度和耐磨性，耐蚀性、塑性、焊接性较奥氏体、铁素体不锈钢要，但由于它有较好的机械性能和耐蚀性的结合，所以是机械工业中广泛使用的一类钢。2022-11-842马氏体不锈钢主要有三类：中、低碳的13Cr钢；如1Cr13、2Cr13等，可用于制造机械结构件。高碳的18Cr钢；如9Cr18等，可用于制造手术工具。低碳的17Cr-2%Ni钢；如1Cr17Ni2等，可用于制造高强度耐蚀件。
