不銹鋼材料中的各種元素及其作用
日期：2020-08-07 16:52:07 閱讀：
1．鉻——是構成不銹鋼的基本元素。
鉻是決定不銹鋼耐腐蝕性能的最基本元素。在氧化性介質(zhì)中，鉻能使鋼的表面很快形成一層實(shí)際為腐蝕介質(zhì)不能透過(guò)和不溶解的富鉻的氧化膜，這層氧化膜很致密，并與金屬基本結合得很牢固，保護鋼免受外界介質(zhì)進(jìn)一步氧化浸蝕；鉻還能有效地提高鋼的電極電位。當含鉻量不低于12.5%原子時(shí),可使鋼的電極電位發(fā)生突變,由負電位升到正的電極電位。因而可顯著(zhù)提高鋼的耐蝕性。鉻的含量越高，鋼的耐蝕性能越好。當含鉻量達到25%、37.5%原子時(shí)，會(huì )發(fā)生第二次第三次的突變，使鋼具有更高的耐腐蝕性能。
2．鎳——單獨不能構成不銹鋼
鎳對不銹鋼耐腐蝕的影響，只有它與鉻配合時(shí)才能充分顯示出來(lái)。因為，低炭鎳鋼要獲得純奧氏體組織，含鎳量需達24%；要使鋼在某些介質(zhì)中的耐腐蝕性能顯著(zhù)改變，含鎳量需在27%以上。所以，鎳不能單獨構成不銹鋼。而在含鉻18%的鋼中加入9%的鎳，就能使鋼在常溫下獲得單一奧氏體組織，并可以提高鋼對非氧化性介質(zhì)（如：稀硫酸、鹽酸、磷酸等）的耐蝕性，并能改善鋼的焊接和冷彎等的工藝性能。
3．錳和氮——可代替鉻鎳不銹鋼中的鎳
錳和氮在不銹鋼中有鎳相仿的作用。錳的穩定奧氏體作用為鎳的二分之一，而氮的作用比鎳大很多，約為鎳的40倍左右。因而錳和氮可代鎳獲得單一的奧氏體組織。但錳的加入會(huì )使含鉻低的不銹鋼耐蝕性降低。同時(shí)，高錳奧氏體鋼不易加工。因此，在不銹鋼中不單獨使用錳，只用部分代替鎳。
4．碳——在不銹鋼中具有兩重性
碳在不銹鋼中的含量及其分布的形式，在很大程度上左右著(zhù)不銹鋼的性能和組織：一方面碳是穩定奧氏體元素，并作用的程度很大，約為鎳的30倍，含碳量高的（馬氏體）不銹鋼，完全可以接受淬火強化，從而在機械性能方面可大大提高它的強度；另一方面由于碳和鉻的親和力很大，在不銹鋼中要占用十七倍碳量的鉻與它結合成碳化鉻。隨著(zhù)鋼中含碳量的增加，則與碳形成碳化物的鉻越多，從而顯著(zhù)降低鋼的耐蝕性。所以，從強度與耐腐蝕性能兩方面來(lái)看，碳在不銹鋼中的作用是互相矛盾的。在實(shí)際應用中，為了達到耐腐蝕的目的，不銹鋼的含碳量一般較低，在大多在0.1%左右，為了進(jìn)一步提高鋼的耐腐蝕能力，特別是抗晶間腐蝕的能力，常采用超低碳的不銹鋼，含碳量在0.03%甚至更低；但用于制造滾動(dòng)軸承、彈簧、工具等不銹鋼，由于要求有高的硬度和耐磨性，因而含碳量較高，一般均在0.85~1.00%之間。如9Cr18鋼等。
5．鈦和鈮——能防止不銹鋼的晶間腐蝕
不銹鋼加熱到450~800℃時(shí)，常常由于在晶界析出鉻的碳化物而使晶界附近的含鉻量下降形成貧鉻區，導致晶界附近的電極電位下降，從而引起電化學(xué)腐蝕。這種腐蝕叫做晶間腐蝕。常見(jiàn)的如在焊縫附近的熱影響區內發(fā)生的晶間腐蝕。而鈦和鈮是強碳化物形成元素，它與碳的親和力比鉻大得多，鋼中加入鈦或鈮，就能使鋼中的碳首先與鈦或鈮形成碳化物，而不與鉻形成碳化物，從而保證晶界附近不致因貧鉻而產(chǎn)生晶間腐蝕。因此，鈦和鈮常用來(lái)固定鋼中的碳，提高不銹鋼抗晶間腐蝕的能力，并改善鋼的焊接性能。
鈦或鈮的加入量要根據含碳量而定，一般為：鈦的加入量為含碳量的5倍，鈮為碳的8倍。
6．鉬和銅——能提高某些不銹鋼對某些介質(zhì)的耐腐蝕性能
鉬和銅能提高不銹鋼對硫酸、醋酸等腐蝕介質(zhì)的耐蝕能力。鉬還能顯著(zhù)提高對含氯離子的介質(zhì)（如鹽酸）以及有機酸中的耐蝕能力。但含鉬的不銹鋼不宜在硝酸中應用，含鉬的不銹鋼在沸騰的65%硝酸中的腐蝕速度比不含鉬的增加一倍；銅加入鉻錳氮不銹鋼中，會(huì )加速不銹鋼的晶間腐蝕。
鉬對鋼獲得單一奧氏體組織有不利影響，因此在含鉬鋼中，為了使鋼在熱處理后具有單一的奧氏體組織。鎳在錳等元素的含量要相應的提高。
7．硅和鋁——能提高不銹鋼的抗氧化能力
硅對提高鉻鋼抗氧化能力的作用很顯著(zhù)，含5%鉻及1%硅的鋼，抗氧化的能力可與12%鉻鋼相等。如使鋼在1000℃能抵抗氧化，含0.5%硅時(shí)需要22%的鉻，如加入2.5～3%的硅以后，只需要12%的鉻就可以了。有資料還介紹，向Cr15Ni20的鉻鎳鋼中加2.5%的硅，抗氧化性能可相當Cr15Ni60的鉻鎳合金。
向高鉻鋼中加鋁也能使抗氧化性能顯著(zhù)提高，它的作用與加硅的功能相仿。
向高鉻鋼中加硅和鋁的目的：一是為了進(jìn)一步提高鋼的抗氧化性能，二是為了節約用鉻。
硅和鋁對提高鉻鋼抗氧化性能的作用雖然很大，但也有很多缺點(diǎn)。最主要的是它使鋼的晶粒粗化和脆性?xún)A向增大。
8．鎢和釩加入鋼中，其主要作用是提高鋼的熱強性。
9．硼
高鉻鐵素體不銹鋼（Cr17MO2Ti）中加0.005%的硼，可使鋼在沸騰的65%醋酸中的耐腐蝕性能提高；奧氏體不銹鋼中加入微量（0.0006～0.0007%）的硼，可使鋼的熱態(tài)塑性改善；硼對提高鋼的熱強性有良好的作用，可使不銹鋼的熱強性顯著(zhù)提高；含硼的鉻鎳奧氏體不銹鋼在原子能工業(yè)中有著(zhù)特殊的用途。
但不銹鋼中含硼會(huì )使鋼的塑性和沖擊韌性降低。
10． 除以上元素外，有些不銹鋼中還分別加入稀有金屬元素和稀土元素以改善鋼
的性能。
以上談到了構成不銹鋼的基本元素——鉻，和影響不銹鋼組織、性能的重要元素——碳，以及改善不銹鋼性能和組織的添加元素——鎳、錳、氮、鈦、鈮、鉬、銅、硅、鋁、鎢、釩、硼等十多個(gè)元素。在工業(yè)上實(shí)際應用的不銹鋼，很多鋼中同時(shí)存在著(zhù)幾種至十幾種合金元素，當幾種元素共存于不銹鋼這一統一體中時(shí)，決定不銹鋼組織的是各種元素影響的總和。
各種元素對不銹鋼組織的影響，根據其共同性，概括起來(lái)，基本上分屬于兩大類(lèi)：一類(lèi)是形成或穩定奧氏體的元素，它們是碳、鎳、錳、氮、銅、以碳和氮的作用程度最大；另一類(lèi)是形成鐵素體的元素，它們是鉻、鎢、鉬、鈮、硅、鈦、釩、鋁等，這一類(lèi)元素形成鐵素體的作用，如以鉻為1來(lái)加以比較，其他元素的作用都比鉻大。
這兩類(lèi)元素共存于不銹鋼中時(shí)，不銹鋼的組織就取決于他們互相影響的結果。如果穩定奧氏體的元素的作用居于主要方面的話(huà)，不銹鋼的組織就以?shī)W氏體為主，很少以至沒(méi)有鐵素體；如果他們的作用程度還不能使鋼的奧氏體保持至室溫的話(huà)，這種不穩定的奧氏體在冷卻時(shí)即發(fā)生馬氏體轉變，鋼的組織則為馬氏體；如果形成鐵素體的元素的作用成為主要方面的話(huà)，鋼的組織則以鐵素體為主。
不銹鋼的性能除工藝因素外，主要取決于其內部組織的構成，而構成不銹鋼組織的是各種合金元素在鋼中的總和。因此說(shuō)，不銹鋼的性能，歸根到底主要是由合金元素決定的。
只含有鉻元素的不銹鋼，人們通常稱(chēng)它為“不銹鐵”，工業(yè)上稱(chēng)它為“鉻不銹鋼”。這類(lèi)鋼都具有磁性，他們的金相組織為鐵素體、馬氏體或鐵素體、馬氏體為主體的復相組織。這類(lèi)鋼具有抵抗大氣及弱腐蝕介質(zhì)的能力，或有更高的耐腐蝕性能與抗氧化性能，或可淬火使用。但他們的機械性能或工藝性能較差，幾乎沒(méi)有焊接性能等等的不足之處。這類(lèi)鋼遠不能滿(mǎn)足工業(yè)用鋼的特殊要求。
在鉻級不銹鋼的基體中，加入適量的鎳元素。如在含鉻18%的低炭（0.12%以下的炭）的鐵素體鋼中加入8%的鎳后，在常溫下可獲得最理想的純奧氏體組織，這種鋼就是人們通常所稱(chēng)的無(wú)磁性的不銹鋼。這類(lèi)鉻鎳不銹鋼與相同含鉻量的鐵素體或馬氏體耐酸不銹鋼比較，不僅具有更高的耐腐蝕性能，更重要提他們具有良好的冷變形使之硬化的性能和焊接性能，在常溫或低溫下均具有很高的塑性和沖擊韌性，不具磁性等等的優(yōu)良性能。這類(lèi)不銹鋼的缺點(diǎn)是機械性能比較低，對晶間腐蝕及應力腐蝕比較敏感，但通過(guò)適量的合金添加劑或工藝措施，就能改善或消除。
在鉻級不銹鋼的基本中，添加以錳為主要合金元素的不銹鋼。就是人們通常所講的“鉻錳氮”不銹鋼。這類(lèi)不銹鋼除強度比鉻鎳鋼為高外，其他如耐腐蝕性和工藝性能等都不如鉻鎳奧氏體不銹鋼好。生產(chǎn)這類(lèi)不銹鋼除個(gè)別情況下，主要是為了節約昂貴的鎳元素，所以這類(lèi)鋼又叫節鎳不銹鋼。
鉻是決定不銹鋼耐腐蝕性能的最基本元素。在氧化性介質(zhì)中，鉻能使鋼的表面很快形成一層實(shí)際為腐蝕介質(zhì)不能透過(guò)和不溶解的富鉻的氧化膜，這層氧化膜很致密，并與金屬基本結合得很牢固，保護鋼免受外界介質(zhì)進(jìn)一步氧化浸蝕；鉻還能有效地提高鋼的電極電位。當含鉻量不低于12.5%原子時(shí),可使鋼的電極電位發(fā)生突變,由負電位升到正的電極電位。因而可顯著(zhù)提高鋼的耐蝕性。鉻的含量越高，鋼的耐蝕性能越好。當含鉻量達到25%、37.5%原子時(shí)，會(huì )發(fā)生第二次第三次的突變，使鋼具有更高的耐腐蝕性能。
2．鎳——單獨不能構成不銹鋼
鎳對不銹鋼耐腐蝕的影響，只有它與鉻配合時(shí)才能充分顯示出來(lái)。因為，低炭鎳鋼要獲得純奧氏體組織，含鎳量需達24%；要使鋼在某些介質(zhì)中的耐腐蝕性能顯著(zhù)改變，含鎳量需在27%以上。所以，鎳不能單獨構成不銹鋼。而在含鉻18%的鋼中加入9%的鎳，就能使鋼在常溫下獲得單一奧氏體組織，并可以提高鋼對非氧化性介質(zhì)（如：稀硫酸、鹽酸、磷酸等）的耐蝕性，并能改善鋼的焊接和冷彎等的工藝性能。
3．錳和氮——可代替鉻鎳不銹鋼中的鎳
錳和氮在不銹鋼中有鎳相仿的作用。錳的穩定奧氏體作用為鎳的二分之一，而氮的作用比鎳大很多，約為鎳的40倍左右。因而錳和氮可代鎳獲得單一的奧氏體組織。但錳的加入會(huì )使含鉻低的不銹鋼耐蝕性降低。同時(shí)，高錳奧氏體鋼不易加工。因此，在不銹鋼中不單獨使用錳，只用部分代替鎳。
4．碳——在不銹鋼中具有兩重性
碳在不銹鋼中的含量及其分布的形式，在很大程度上左右著(zhù)不銹鋼的性能和組織：一方面碳是穩定奧氏體元素，并作用的程度很大，約為鎳的30倍，含碳量高的（馬氏體）不銹鋼，完全可以接受淬火強化，從而在機械性能方面可大大提高它的強度；另一方面由于碳和鉻的親和力很大，在不銹鋼中要占用十七倍碳量的鉻與它結合成碳化鉻。隨著(zhù)鋼中含碳量的增加，則與碳形成碳化物的鉻越多，從而顯著(zhù)降低鋼的耐蝕性。所以，從強度與耐腐蝕性能兩方面來(lái)看，碳在不銹鋼中的作用是互相矛盾的。在實(shí)際應用中，為了達到耐腐蝕的目的，不銹鋼的含碳量一般較低，在大多在0.1%左右，為了進(jìn)一步提高鋼的耐腐蝕能力，特別是抗晶間腐蝕的能力，常采用超低碳的不銹鋼，含碳量在0.03%甚至更低；但用于制造滾動(dòng)軸承、彈簧、工具等不銹鋼，由于要求有高的硬度和耐磨性，因而含碳量較高，一般均在0.85~1.00%之間。如9Cr18鋼等。
5．鈦和鈮——能防止不銹鋼的晶間腐蝕
不銹鋼加熱到450~800℃時(shí)，常常由于在晶界析出鉻的碳化物而使晶界附近的含鉻量下降形成貧鉻區，導致晶界附近的電極電位下降，從而引起電化學(xué)腐蝕。這種腐蝕叫做晶間腐蝕。常見(jiàn)的如在焊縫附近的熱影響區內發(fā)生的晶間腐蝕。而鈦和鈮是強碳化物形成元素，它與碳的親和力比鉻大得多，鋼中加入鈦或鈮，就能使鋼中的碳首先與鈦或鈮形成碳化物，而不與鉻形成碳化物，從而保證晶界附近不致因貧鉻而產(chǎn)生晶間腐蝕。因此，鈦和鈮常用來(lái)固定鋼中的碳，提高不銹鋼抗晶間腐蝕的能力，并改善鋼的焊接性能。
鈦或鈮的加入量要根據含碳量而定，一般為：鈦的加入量為含碳量的5倍，鈮為碳的8倍。
6．鉬和銅——能提高某些不銹鋼對某些介質(zhì)的耐腐蝕性能
鉬和銅能提高不銹鋼對硫酸、醋酸等腐蝕介質(zhì)的耐蝕能力。鉬還能顯著(zhù)提高對含氯離子的介質(zhì)（如鹽酸）以及有機酸中的耐蝕能力。但含鉬的不銹鋼不宜在硝酸中應用，含鉬的不銹鋼在沸騰的65%硝酸中的腐蝕速度比不含鉬的增加一倍；銅加入鉻錳氮不銹鋼中，會(huì )加速不銹鋼的晶間腐蝕。
鉬對鋼獲得單一奧氏體組織有不利影響，因此在含鉬鋼中，為了使鋼在熱處理后具有單一的奧氏體組織。鎳在錳等元素的含量要相應的提高。
7．硅和鋁——能提高不銹鋼的抗氧化能力
硅對提高鉻鋼抗氧化能力的作用很顯著(zhù)，含5%鉻及1%硅的鋼，抗氧化的能力可與12%鉻鋼相等。如使鋼在1000℃能抵抗氧化，含0.5%硅時(shí)需要22%的鉻，如加入2.5～3%的硅以后，只需要12%的鉻就可以了。有資料還介紹，向Cr15Ni20的鉻鎳鋼中加2.5%的硅，抗氧化性能可相當Cr15Ni60的鉻鎳合金。
向高鉻鋼中加鋁也能使抗氧化性能顯著(zhù)提高，它的作用與加硅的功能相仿。
向高鉻鋼中加硅和鋁的目的：一是為了進(jìn)一步提高鋼的抗氧化性能，二是為了節約用鉻。
硅和鋁對提高鉻鋼抗氧化性能的作用雖然很大，但也有很多缺點(diǎn)。最主要的是它使鋼的晶粒粗化和脆性?xún)A向增大。
8．鎢和釩加入鋼中，其主要作用是提高鋼的熱強性。
9．硼
高鉻鐵素體不銹鋼（Cr17MO2Ti）中加0.005%的硼，可使鋼在沸騰的65%醋酸中的耐腐蝕性能提高；奧氏體不銹鋼中加入微量（0.0006～0.0007%）的硼，可使鋼的熱態(tài)塑性改善；硼對提高鋼的熱強性有良好的作用，可使不銹鋼的熱強性顯著(zhù)提高；含硼的鉻鎳奧氏體不銹鋼在原子能工業(yè)中有著(zhù)特殊的用途。
但不銹鋼中含硼會(huì )使鋼的塑性和沖擊韌性降低。
10． 除以上元素外，有些不銹鋼中還分別加入稀有金屬元素和稀土元素以改善鋼
的性能。
以上談到了構成不銹鋼的基本元素——鉻，和影響不銹鋼組織、性能的重要元素——碳，以及改善不銹鋼性能和組織的添加元素——鎳、錳、氮、鈦、鈮、鉬、銅、硅、鋁、鎢、釩、硼等十多個(gè)元素。在工業(yè)上實(shí)際應用的不銹鋼，很多鋼中同時(shí)存在著(zhù)幾種至十幾種合金元素，當幾種元素共存于不銹鋼這一統一體中時(shí)，決定不銹鋼組織的是各種元素影響的總和。
各種元素對不銹鋼組織的影響，根據其共同性，概括起來(lái)，基本上分屬于兩大類(lèi)：一類(lèi)是形成或穩定奧氏體的元素，它們是碳、鎳、錳、氮、銅、以碳和氮的作用程度最大；另一類(lèi)是形成鐵素體的元素，它們是鉻、鎢、鉬、鈮、硅、鈦、釩、鋁等，這一類(lèi)元素形成鐵素體的作用，如以鉻為1來(lái)加以比較，其他元素的作用都比鉻大。
這兩類(lèi)元素共存于不銹鋼中時(shí)，不銹鋼的組織就取決于他們互相影響的結果。如果穩定奧氏體的元素的作用居于主要方面的話(huà)，不銹鋼的組織就以?shī)W氏體為主，很少以至沒(méi)有鐵素體；如果他們的作用程度還不能使鋼的奧氏體保持至室溫的話(huà)，這種不穩定的奧氏體在冷卻時(shí)即發(fā)生馬氏體轉變，鋼的組織則為馬氏體；如果形成鐵素體的元素的作用成為主要方面的話(huà)，鋼的組織則以鐵素體為主。
不銹鋼的性能除工藝因素外，主要取決于其內部組織的構成，而構成不銹鋼組織的是各種合金元素在鋼中的總和。因此說(shuō)，不銹鋼的性能，歸根到底主要是由合金元素決定的。
只含有鉻元素的不銹鋼，人們通常稱(chēng)它為“不銹鐵”，工業(yè)上稱(chēng)它為“鉻不銹鋼”。這類(lèi)鋼都具有磁性，他們的金相組織為鐵素體、馬氏體或鐵素體、馬氏體為主體的復相組織。這類(lèi)鋼具有抵抗大氣及弱腐蝕介質(zhì)的能力，或有更高的耐腐蝕性能與抗氧化性能，或可淬火使用。但他們的機械性能或工藝性能較差，幾乎沒(méi)有焊接性能等等的不足之處。這類(lèi)鋼遠不能滿(mǎn)足工業(yè)用鋼的特殊要求。
在鉻級不銹鋼的基體中，加入適量的鎳元素。如在含鉻18%的低炭（0.12%以下的炭）的鐵素體鋼中加入8%的鎳后，在常溫下可獲得最理想的純奧氏體組織，這種鋼就是人們通常所稱(chēng)的無(wú)磁性的不銹鋼。這類(lèi)鉻鎳不銹鋼與相同含鉻量的鐵素體或馬氏體耐酸不銹鋼比較，不僅具有更高的耐腐蝕性能，更重要提他們具有良好的冷變形使之硬化的性能和焊接性能，在常溫或低溫下均具有很高的塑性和沖擊韌性，不具磁性等等的優(yōu)良性能。這類(lèi)不銹鋼的缺點(diǎn)是機械性能比較低，對晶間腐蝕及應力腐蝕比較敏感，但通過(guò)適量的合金添加劑或工藝措施，就能改善或消除。
在鉻級不銹鋼的基本中，添加以錳為主要合金元素的不銹鋼。就是人們通常所講的“鉻錳氮”不銹鋼。這類(lèi)不銹鋼除強度比鉻鎳鋼為高外，其他如耐腐蝕性和工藝性能等都不如鉻鎳奧氏體不銹鋼好。生產(chǎn)這類(lèi)不銹鋼除個(gè)別情況下，主要是為了節約昂貴的鎳元素，所以這類(lèi)鋼又叫節鎳不銹鋼。
