第五章 不锈耐蚀钢.ppt

第五章不锈耐蚀钢 第一节腐蚀的概念第二节不锈耐蚀钢的组织第三节不锈钢的强化与脆化第四节不锈耐蚀钢钢种 第一节腐蚀的概念 一 金属材料腐蚀的概念 腐蚀是在外部介质的作用下金属逐渐破坏的过程 通常分两大类 化学腐蚀 是金属材料同介质发生化学反应而破坏的过程 腐蚀过程中不产生电流 电化学腐蚀 是金属材料在电解质溶液中发生原电池作用而破坏的过程 腐蚀过程中有电流产生 金属材料腐蚀大多数是电化学腐蚀 为了提高金属材料的耐蚀能力 可以采用以下三种方法 1 减少原电池形成的可能性 使金属材料具有均匀的单相组织 并尽可能提高金属材料的电极电位 2 尽可能减小两极之间的电极电位差 并提高阳极的电极电位 3 减小甚至阻断腐蚀电流 使金属 钝化 即在表面形成致密的 稳定的保护膜 将介质与金属材料隔离 不锈钢及其耐蚀性定义 不锈钢是指在大气和一般介质中具有很高耐腐蚀性的钢种 不锈钢的 不锈 耐蚀 都是相对的 在某些介质条件下某些钢是不锈或是耐蚀的 而在另一条件下则可能受腐蚀 如不锈钢的晶间腐蚀 应力腐蚀和点蚀等 所以没有绝对耐蚀的不锈钢 第二节不锈耐蚀钢中的化学元素和组织 一 不锈钢中的化学元素对组织的影响1 Cr Mo Ti Nb 缩小 区的元素 Fe Cr合金中当Cr 13 时就不出现高温 相区 高铬不锈钢如Cr17 Cr25都是属于铁素体不锈钢 从高温到室温具有体心立方点阵 只有铁素体单相 2 Ni Mn Cu 扩大 相区元素 并且稳定 Fe 使高温面心立方点阵的奥氏体能够稳定到室温 没有相变产生 例如 若钢只含18 Cr 1100 时是单相铁素体组织 但是加入9 Ni 将使Cr18Ni9钢在室温得到单相的奥氏体组织 3 C N 扩大 相区元素 在Cr17Mn13钢中加入N可以得到单相奥氏体的组织 在Cr Mn C N钢中为了获得单相奥氏体所需最少的碳及氮含量与钢中铬含量之间的关系为 C N 0 078 Cr 12 5 为了简便起见 把铁素体形成元素折合成铬的作用 把奥氏体形成元素折合成镍的作用 可以根据钢的化学成分换算成铬当量和镍当量 来估计钢的组织状态 镍当量 Ni w Ni w Co 0 5w Mn 30w C 25w N 0 3w Cu 铬当量 Cr w Cr 1 5w Mo 2 0w Si 1 5w Ti 1 75w Nb 5 5w Al 5w V 0 75w W 二 合金元素对不锈钢耐蚀性的影响1 铬 铬是不锈钢最主要的耐蚀合金元素 不锈钢中一般含铬量都在12 5 以上 铬含量愈高并符合 n 8 定律 耐蚀性愈好 但不超过30 否则会降低钢的韧性 2 碳 在不锈耐酸钢中是有害的 尤其是在奥氏体不锈钢中 碳将以Cr23C6的形式在奥氏体晶界析出 造成奥氏体钢的晶间腐蚀 所以在奥氏体不锈钢中规定碳含量 0 10 3 镍 镍的电极电位比铁高 因此在不锈钢中加镍 能提高钢的热力学稳定性 电极电位高 镍又是扩大奥氏体组织的元素 加镍后能使不锈钢呈单相奥氏体组织 并可改善钢的加工 焊接等性能 4 钼 不锈钢中加钼能显著地改善其钝化性能 提高了耐全面腐蚀及局部腐蚀的能力 特别是可提高不锈钢在还原性介质和含Cl 离子介质中的耐蚀能力 4 硅 硅在钢中可以形成一层富硅的表面层 硅又能提高抗点蚀的能力 尤其与钼共存时可大大提高耐蚀性和抗氧化性 5 铜 铜在钢中可形成一层富铜的表面层 阻止腐蚀继续向内部深入 提高钢在大气中 盐酸中和硫酸中的耐蚀性和抗应力腐蚀性能 第三节不锈钢的强化与脆性 一 铁素体不锈钢的脆性铁素体不锈钢 特别是高铬铁素体不锈钢最大使用缺点是脆性大 造成原因除了杂质外 主要有如下三方面 l 粗大的原始组织 在900 以上加热 晶粒显著粗化 这样的组织 决定了其性能冷脆性大 冷脆转化温度高 室温冲击韧性低 控制轧制和终锻温度控制在低于750 或加入少量Ti可控制和降低粗化倾向 2 相的存在 相是一种金属间化合物相 AB相 P11页 它具有很高硬度 HRC80以上 形成时伴有大的体积效应 又常常沿晶界分布 因此引起很大脆性 并可能促进晶间腐蚀 在实际生产中证实 当铁素体不锈钢含Cr大于17 时 组织中产生了增加脆性的 相 3 475 脆性高铬不锈钢含Cr大于15 时 在400 525 温度范围长时间加热或缓冷 钢在室温下将变得很脆 这个现象在以475 加热最甚 研究认为 在475 加热时 铁素体内的铬原子趋于有序化 形成许多富铬铁素体 在 100 晶面族上或位错处析出 它们与母相共格相连 引起晶格畸变和内应力 因此钢的强度升高而冲击韧性下降 消除475 脆性的办法 可将钢在700 800 加热 随后快冷 可达到满意效果 二 奥氏体不锈钢的强化奥氏体不锈钢具除了具有很高的耐腐蚀性能外 还有高的塑性 韧性 低的韧一脆转化温度 良好的焊接性能和无磁性等优点 但由于含碳量低 其强度和硬度都很低 屈服强度约230MPa左右 提高其强度的措施之一是合金元素的固溶强化 特别是间隙元素氮 此外 可以采取冷加工形变强化和马氏体沉淀硬化措施来提高其强度 第四节不锈耐蚀钢钢种 一 铁素体不锈钢铁素体不锈钢中含Cr在13 30 含C小于0 15 没有 转变 随着Cr含量的增加 铁素体的耐蚀性 抗氧化性均较好 尤其是抗应力腐蚀能力较好 但是机械性能和工艺性能较差 多用于受力不大的耐酸结构件和抗氧化件 铁素体不锈钢有以下三种类型 1 Crl3型 如0Crl3 0Cr13Al等 常用于耐热零件 如汽车排气阀等 2 Cr17型 如Crl7 Crl7Ti等 可耐大气 淡水 稀硝酸等介质腐蚀 3 Cr25 Cr28型 如Cr25 Cr25Ti Cr28 Cr28Mo4等 是耐强腐蚀介质的耐酸钢 二 马氏体不锈钢含铬量在12 18 这类钢具有高的强度和耐磨性 当含碳量较低时 小于0 2 可制作各种不锈钢的结构件 如机械零件 汽轮机叶片 当含碳量较高时 0 3 0 9 可用于制造各种工具 量具 如医用手术刀 测量工具 耐蚀轴承 弹簧等 这类钢随着含碳量的增加 强度升高 耐蚀性降低 随着铬含量增加 耐蚀性增加 马氏体不锈钢可分为三类 l 低碳及中碳Crl3型钢 如1Cr13 2 高碳Cr18型钢 如9Cr18MoV 3 低碳17 Cr 2 Ni型钢 如1Cr17Ni2 三 奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢含碳量很低 为0 03 0 12 C 这主要是在组织中避免产生碳化物 利用铬镍配合 获得单相奥氏体组织 18 Cr 8 Ni的成分配合是世界各国奥氏体不锈钢的典型成分 如1Cr18Ni9Ti 00Cr18Ni10 奥氏体不锈钢是应用最广的耐酸钢 1 奥氏体不锈钢的固溶处理将钢加热到1050 1100 使Cr23C6以及其它碳化物全溶解于奥氏体 然后水冷 防止Cr23C6重新在奥氏体晶界析出 获得单相奥氏体组织 提高耐蚀性 2 奥氏体不锈钢的稳定化处理主要用于含钛或铌的钢 一般是在固溶处理后进行 将钢加热到850 880 使钢中铬的碳化物完全溶解 而钛等的碳化物不完全溶解 然后缓慢冷却 让溶于奥氏体的碳与钛以碳化钛形式充分析出 这样 碳将不再同铬形成碳化物 因而有效地消除了晶界贫铬的可能 避免了晶间腐蚀的产生 四 奥氏体一铁素体双相不锈钢 具有奥氏体 铁素体双相组织 因而性能也兼有两者的优点 由于奥氏体的存在 降低了高铬铁素体钢的脆性 改善了晶体长大倾向 提高了钢的韧性和可焊性 而铁素体的存在 显著改善了钢的抗应力腐蚀破裂性能和耐晶间腐蚀性能 并提高了铬镍奥氏体的强度 如Cr21Ni5Ti 00Cr18Ni5Mo3Si2等 含铁素体50 70 五 沉淀硬化不锈钢不锈钢要获得高强度 一般采用在马氏体基体上产生沉淀强化的方法 为此加入合金元素钼 钛 铝等 形成新的沉淀强化相 如Fe2Mo Ni3Mo Ni3Ti和Ni3Al等 经过适当热处理可发生马氏体相变并在马氏体基体上析出强化相而产生沉淀硬化 这种钢属于高强度和超高强度不锈钢 如0Cr17Ni7Al 但这类钢存在475 脆性和高温回火脆性 不锈耐蚀钢钢种的选用1 Cr18Ni9型奥氏体不锈钢是使用量最大的一种钢种 广泛用于化工 石油 航空等工业部门 它具有较好的工艺性能 能生产出各种规格的钢材 钢板 钢带 钢丝及钢管 有良好的可焊性 在许多介质中有良好的耐蚀性 2 在要求耐蚀性的同时要求提高强度 特别是屈服强度的地方 使用Cr Mn N不锈钢有很大的优越性 3 在易发生应力腐蚀破坏的环境 不能使用一般的奥氏体不锈钢 目前常用含硅量较高的奥氏体或铁素体一奥氏体不锈钢 如使用0Cr18Nil4Si4钢和00Cr18Ni5Mo3Si2钢 前者是奥氏体钢 后者是复相钢 4 常用的铁素体不锈钢0Cr17Ti等在硝酸和有机酸 除醋酸 蚁酸 草酸外 中有良好的耐蚀性 且比1Cr18Ni9Ti钢节约合金元素 故它多用于石油化工设备 人造纤维工业以代替1Cr18Ni9Ti钢 5 在含卤族元素离子的介质 如含Cl的介质 中容易引起不锈钢发生点腐蚀 最好使用含钼的不锈钢 6 在400 以下工作的耐蚀高强度部件一般用马氏体不锈钢制造 常用钢号为Cr17Ni2 它含有一定量 铁素体 经1050 淬火和530 回火后得到较好的综合性能 7 Cr13型马氏体不锈钢由于含碳量不同 经过热处理后 强度和硬度有很大差别 用途也不同 1Cr13和2Cr13是结构钢 用作要求一定耐蚀性和强度的结构 它对空气 水蒸气 室温硝酸和弱腐蚀介质中有一定耐蚀性 广泛用来制造蒸汽涡轮叶片 水压机阀等