5不锈耐蚀钢.ppt

Chapter5不锈耐蚀钢 主要内容 5 1钢的耐蚀性5 2不锈耐蚀钢的组织5 3不锈耐蚀钢的腐蚀特性5 4不锈钢的强化与脆化5 5不锈耐蚀钢钢种 自学 重点及基本要求 掌握金属腐蚀的概念 提高耐腐蚀的基本途径 合金元素对耐腐蚀性能的影响 掌握常见各种不锈钢的成分 热处理 性能及用途等特点 重点是合金元素对耐腐蚀性能的影响 难点是不同合金元素对耐蚀钢组织 性能的交互作用 5 1钢的耐蚀性 一 金属腐蚀的基本概念 1 化学腐蚀金属和化学介质直接发生化学反应造成的腐蚀称化学腐蚀 如铁在高温下的氧化 4Fe 3O2 Fe2O3Fe 2H2O Fe OH 2 H2 这种反应不产生腐蚀电流 在反应表面形成一层化学生成物 5 1钢的耐蚀性 2 电化学腐蚀电化学腐蚀是金属腐蚀更重要更普遍的形式 它是由于不同金属或金属的不同相之间 电极电位不同 构成原电池而产生的 用硝酸酒精浸蚀碳钢能显示珠光体就是这一原理 由于Fe3C的电极电位较高 Fe的电极电位较低 当有导线连通时即构成原电池 导线中有电流通过 这时在阳极上 Fe的原子变成离子进入溶液 Fe Fe 3e电子则通过导线到达阴极Fe3C 在阴极上Fe3C将电子传导给酸性介质中的H 离子 变成氢气逸出 3H 3e 1 5H2 原电池不断进行的结果 是 Fe被腐蚀 H 离子被还原 Fe3C不被腐蚀 这种原电池腐蚀由于是在显微组织之间产生的 故称为微电池腐蚀 1 电化学腐蚀的特点 有液体介质 金属或相之间有电位差 并连通或接触 有电流产生 阳极金属溶解 在腐蚀开始后 由于在阳极形成钝化膜 在阴极产生电子堆积 阳极电位向正方向变化 产生阳极极化 阴极电位向负的方向变化 产生阴极极化 这种电极电位的变化称为极化 一切增强阳极极化或阴极极化的因素 都提高金属的耐蚀性 5 1钢的耐蚀性 2 金属电化学腐蚀的形式 有一般腐蚀 晶间腐蚀 点腐蚀和应力腐蚀等 对不锈钢来说 后三者是不允许的 对于一般腐蚀 根据不同使用条件对耐腐蚀性提出不同指标 不锈钢 在大气及弱腐蚀介质中耐蚀的钢 腐蚀速度 0 01mm 年 完全耐蚀 腐蚀速度 0 1mm 年 耐蚀 腐蚀速度 0 1mm 年 不耐蚀 耐蚀钢 在各种强腐蚀介质中耐蚀的钢 腐蚀速度 0 1mm 年 完全耐蚀 腐蚀速度 1 0mm 年 耐蚀 腐蚀速度 1 0mm 年 不耐蚀 5 1钢的耐蚀性 二 成分和环境对钢耐蚀性的影响 1 提高钢的耐蚀性途径提高基体的电极电位 来降低原电池电动势 使钢具有单相组织 减少微电池的数量 使钢表面生成稳定的表面保护膜 如钢中加硅 铝 铬等 5 1钢的耐蚀性 2 成分对钢耐蚀性的影响 1 碳碳与铬形成碳化物 使不锈钢的耐蚀性受到严重影响 2 铬是提高钝化膜稳定性的必要元素 铁中Cr 8 12 合金的钝化能力显著提高 摩尔分数量提高到12 5 25 37 5 合金在硝酸中的腐蚀速度都相应有一个突然降低 5 1钢的耐蚀性 3 镍提高钢的耐蚀性 在非氧化性的硫酸中更为显著 摩尔分数为12 5 和25 时 耐蚀性明显提高 图6 5 镍加入铬不锈钢中 能提高其在硫酸 醋酸 草酸及中性盐 特别是硫酸盐 中的耐蚀性 4 锰提高铬不锈钢在有机酸如醋酸 甲酸和乙酸中的耐蚀性 比镍更有效 图6 6 5 1钢的耐蚀性 5 钼提高不锈钢的钝化能力 扩大其钝化介质范围 如在热硫酸 稀盐酸和有机酸中 抗点蚀 形成含钼的钝化膜 防止Cl离子对膜的破坏 6 铜在不锈钢表面沉积 作为附加微阴极 促使不锈钢在很小的阳极电流下就能达到钝化状态 一般不锈钢中加入2 3 的铜 7 硅提高钢在盐酸 硫酸和高浓度硝酸中的耐蚀性 一般在不锈钢中加入2 4 的Si 5 1钢的耐蚀性 3 环境对不锈钢耐蚀性的影响 大气 水 水蒸气等弱腐蚀介质 固溶体中Cr含量 10 12 就保证不锈 氧化性酸如硝酸等 Cr含量 16 的钢 才有较高的钝化能力 非氧化性酸如稀硫酸等 需要加入Ni Mo Cu等 提高耐蚀性 盐酸中不锈耐蚀钢也不耐蚀 一般采用Ni Mo合金 使合金表面生成稳定的MoOCl2保护膜 保持钝化能力 强有机酸中 一般Cr和Cr Ni不锈钢难以钝化 加入Mo Cu Mn等 提高耐蚀性 在含Cl的介质中 加Mo提高抗点蚀的能力 5 1钢的耐蚀性 作业 1化学腐蚀和电化学腐蚀的概念 2提高耐蚀性的基本途径有哪些 3合金元素对钢的耐蚀性有何影响 思考题 1不同环境下 如何提高钢的耐蚀性 5 2不锈耐蚀钢的组织 一 Cr Ni Cr Mn系不锈钢 1Fe Cr Ni Fe Cr Mn相图 2Cr Mn C N钢中的组织要获得单相 所需最少的C N与钢中Cr之间的关系为 C N 0 078 Cr 12 5 N在钢中的溶解度取决于氮化物形成元素Cr和Mn在钢中的含量 N 1 100 Cr Mn 5 2不锈耐蚀钢的组织 二 不锈钢的成分与组织关系 更多的合金元素可归纳为铬 镍当量对不锈钢组织的影响 铬当量由铁素体形成元素来确定 Cr当量 Cr 2 Si 1 5 Mo 5 V 5 5 Al 1 75 Nb 1 5 Ti 0 75 W 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 根据上述计算式算出的铬 镍当量数 在图5 10中求得其交点 根据交点所在相区 确定钢的组织 5 2不锈耐蚀钢的组织 三 不锈钢的分类 1 按化学成分分铬不锈钢 铬镍不锈钢 铬锰不锈钢等 2 按金相组织分马氏体 铁素体 奥氏体 奥氏体 铁素体复相和沉淀硬化不锈钢 5 2不锈耐蚀钢的组织 马氏体不锈钢 含碳0 05 0 45 的Cr13型 Cr17Ni2 9Cr18 其中 0Cr13和Cr17Ni2为马氏体 铁素体复相组织 铁素体不锈钢 0Cr17Ti Cr25Ti Cr26Mo1等 奥氏体不锈钢 Cr Ni系 0Cr19Ni9 1Cr18Ni9Ti 00Cr19Ni10 00Cr18Ni18Mo2Cu2 Cr Mn Ni系 0Cr18Mn9Ni5N等 Cr Mn N系 0Cr18Mn15N等 奥氏体 铁素体复相不锈钢 Cr21Ni5Ti 00Cr22Ni5Mo3N 00Cr18Ni5Mo3Si2等 沉淀硬化不锈钢经适当热处理后发生马氏体相变 并在马氏体基体上析出金属间化合物 产生沉淀强化 属高强度或超高强度不锈钢 思考题 判断Cr Mn系和Cr Ni系不锈钢室温组织的方法 5 2不锈耐蚀钢的组织 5 3不锈耐蚀钢的腐蚀特性 一 奥氏体不锈钢的晶间腐蚀 奥氏体不锈钢在热硝酸 浓度50 65 含铜盐和氧化铁的硫酸溶液 热有机酸中产生晶间腐蚀 1 晶间腐蚀产生的原因 1 钢中的碳如图5 12 在550 800 范围内停留会引起晶间腐蚀 以650 左右最敏感 在晶界上析出连续网状富铬的Cr23C6引起晶界周围基体产生贫碳区 Cr低于12 在许多介质中没有钝化能力 贫铬区成为微阳极而发生腐蚀 2 相在晶界析出 相在晶界析出 使晶界产生贫铬区 3 钢中的氮N 0 16 沿晶界析出Cr2N 增加晶间腐蚀倾向 4 杂质元素P和Si在晶界偏聚在热的浓硝酸加重铬酸盐溶液中 经1050 固溶处理后 因杂质元素P和Si在晶界偏聚 晶间腐蚀最严重 5 3不锈耐蚀钢的腐蚀特性 2 消除晶间腐蚀的方法 1 在敏化温度范围长期加热 通过铬的扩散消除贫铬区 2 降低奥氏体不锈钢中的碳含量 C 0 03 没有晶间腐蚀发生 如00Cr19Ni10钢 3 加入强碳化物形成元素Ti和Nb 形成稳定的TiC或NbC Ti或Nb在钢中的含量分别为 0 8 Ti 5 C 0 02 1 0 Nb 10 C 0 02 5 3不锈耐蚀钢的腐蚀特性 4 钢中有10 50 体积的 铁素体 可改善奥氏体不锈钢的晶间腐蚀倾向 铁素体在500 800 发生相间沉淀 Cr23C6在 相界 一侧析出呈点状 排除了在奥氏体晶界析出Cr23C6 且 相内铬的扩散系数比 相内高103倍 不致产生贫铬区 5 3不锈耐蚀钢的腐蚀特性 二 不锈钢的应力腐蚀 1 介质特点对应力腐蚀的影响氯离子引起奥氏体不锈钢应力腐蚀 随Cl 浓度升高 应力腐蚀破断时间缩短 在微酸性FeCl2 MgCl2溶液中 氧促进应力腐蚀 在PH 4 5的酸性介质中 H 浓度愈高 应力腐蚀破断时间缩短 在PH 4 5时 加入NO3 I 及醋酸盐可抑制应力腐蚀 5 3不锈耐蚀钢的腐蚀特性 2 应力对应力腐蚀的影响只有张应力才会引发应力腐蚀 在温度恒定时 应力愈大 则破断时间愈短 如图6 14 实际应力与屈服强度的比值愈大 应力腐蚀敏感度愈高 5 3不锈耐蚀钢的腐蚀特性 3 温度对应力腐蚀的影响温度愈高 应力腐蚀破断时间愈短 4 组织对应力腐蚀的影响Cr 15 28 的铁素体不锈钢对Cl 引起的应力腐蚀不敏感 Cr18Ni9型奥氏体不锈钢对应力腐蚀敏感 含铁素体的复相不锈钢有低的应力腐蚀敏感度 在不稳定奥氏体不锈钢中 形变引起的马氏体对应力腐蚀有害 5 3不锈耐蚀钢的腐蚀特性 5 化学成分对应力腐蚀的影响Ni Ni 45 不产生应力腐蚀 C Si 2 4 Cu 2 降低应力腐蚀敏感度 N 0 04 Cr Mo P As Sb Bi Al S促进应力腐蚀敏感度 5 3不锈耐蚀钢的腐蚀特性 6 应力腐蚀的机理应力腐蚀是应力和电化学腐蚀共同作用的结果 是滑移 溶解机制 张应力引起位错沿滑移面运动移出表面 形成滑移台阶 破坏了表面钝化膜 裸露的台阶若来不及修补成完整的钝化膜 就会发生阳极溶解 形成蚀坑 并继续发展 形成腐蚀裂缝 最后导致穿晶断裂 层错能影响位错滑移方式 从而影响应力腐蚀敏感度 层错能高的钢易于交滑移 引起滑移台阶小 钝化膜不易破坏 应力腐蚀敏感度低 如Ni和C 增高层错能 5 3不锈耐蚀钢的腐蚀特性 三 不锈钢的点腐蚀 不锈钢在含Cl 介质中表面会出现点状凹坑腐蚀 成为点腐蚀 不锈钢中的夹杂物 晶界析出相 晶界等是点腐蚀容易发生的地点 如MnS处 易在有机酸中溶解 形成点腐蚀源 晶界碳化物或 相析出造成晶界贫铬也是点腐蚀源 提高Cr Mo和N减少点腐蚀倾向 5 3不锈耐蚀钢的腐蚀特性 作业 说明影响晶间腐蚀 应力腐蚀和点腐蚀的主要因素 及防止各种腐蚀的方法 5 3不锈耐蚀钢的腐蚀特性 5 4不锈钢的强化与脆化 由Fe Cr相图可知 当铬含量到达13 时 铁铬合金将无 相变 从高温到低温一直保持 铁素体 又由于铬量到达12 能耐蚀 故Cr13铁素体钢就成为铁素体不锈钢 铁素体不锈钢的耐蚀性和抗氧化性均较好 特别是抗应力腐蚀性能较好 但机械性能 屈服强度比奥氏体不锈钢高 但冲击韧性低 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 一 铁素体不锈钢 图 a Fe Cr相图 b Fe Nb相图 1铁素体不锈钢的钢种和类型 1 Cr13型如0Cr13 0Cr13Al等 常用作耐热钢 2 Cr16 19型如Cr17 Cr17Ti Cr17Mo1Nb等 可耐大气 淡水 稀硝酸介质腐蚀 3 Cr25 28型如Cr25Ti Cr26Mo1 Cr28等 是耐强腐蚀介质的耐酸钢 2 铁素体不锈钢的脆性 高铬铁素体钢的缺点是脆性大 其原因主要是 1 粗大的原始晶粒铸态下组织粗大 不能通过加热冷却过程中的相变来细化 只能通过压力加工来碎化 铁素体由于原子扩散快 有低的晶粒粗化温度和高的晶粒粗化速率 600 以上开始粗化 解决办法 生产中将终锻温度或终轧温度控制在750 或更低的温度 向钢中加少量钛 以Ti C N 阻止晶粒长大 增加铁素体不锈钢中在高温的奥氏体量 来控制晶粒粗化 2 相按Fe Cr相图 45 Cr在820 开始形成 相 但实际生产中 由于铬钢中的显微偏析 17 Cr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 3 475 脆性高铬钢中 当含Cr 15 时 在400 500 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 475 加热时 铁素体内的铬原子趋于有序化 形成许多富铬的铁素体 80 Cr 20 Fe 它们与母相保持共格关系 引起晶格畸变和内应力 此时 钢的强度升高 冲击韧性降低 4 钢中含有C N O等杂质及夹杂物 如图5 16 3 铁素体不锈钢的热处理 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腐蚀和晶间腐蚀 为了获得成分均匀的铁素体组织 减少碳化物析出 消除晶间腐蚀倾向 以及消除 相析出和475 脆性 铁素体不锈钢在热轧后常采用淬火 回火或退火热处理工艺 以18 Cr 8 Ni为典型成分而发展起来的 18 Cr 8 Ni含量正好处于奥氏体有利于形成的成分范围 耐蚀性高 而且具有高的塑性 韧性和低温韧性 易于加工成形为各种形状的钢材 具有良好的焊接性能 无磁性等 是用量最大的一类不锈钢 约占不锈钢总产量的2 3 二 奥氏体不锈钢 1典型钢种 性能及应用 1 Cr Ni系不锈钢典型钢种 0Cr18Ni9 1Cr18Ni9 1Cr18Ni9Ti 1Cr18Ni11Nb 00Cr18Ni10 00Cr17Ni7Cu2 00Cr17Ni8SiCu2 含Ni高的不锈钢Ms点低 在极低温下保持单相奥氏体组织 具有良好的塑性和韧性 做液氮或更低温度液体的压力容器 影响Cr18Ni9型不锈钢强度和断面收缩率的表达式如下 s MPa 67 8 493N 354C 20Si 3 7Cr 14 5Mo 18 5V 4 5W 40Nb 26 2Ti 12 6Al 2 46 7 1d 1 2 b MPa 447 847N 539C 37Si 1 7Ni 18 5Mo 77Nb 46 2Ti 18 5Al 2 2 12 6t 1 2元素为其质量分数 为铁素体的体积分数 d为晶粒平均截距 mm t为孪晶间平均距离 mm 铁素体形成元素的强化效应大于奥氏体形成元素 如图5 17 77 0 81Si 0 94Mn 1 3Cu 1 6Al 0 2Ni 6 6Nb 0 99t 1 2 1 0d 1 2 2 Cr Mn N系 Cr Mn Ni N系不锈钢典型钢种 1Cr17Mn13N 1Cr18Mn8Ni5NN的固溶强化使钢具有较高的屈服强度 塑性和韧性 性能优于Cr18Ni9型 适用于要求耐蚀的同时又要求较高的屈服强度的零部件 3 亚稳奥氏体不锈钢典型钢种 1Cr18Ni8 1Cr18Ni8Mo Cr15Mn14N 在冷变形时发生部分马氏体转变 使钢在冷作硬化基础上又加上马氏体强化 影响Ms和Md点的统计经验方程为 Ms 1305 61 1Ni 41 7Cr 33 3Mn 27 8Si 1667 C N Md 413 9 5Ni 13 7Cr 8 1Mn 9 2Si 18 5Mo 462 C N 用来制作不锈弹簧 采用零下温度轧制和低温回火 4 Cr Ni Mo Cu系典型钢种 1Cr18Ni12Mo3Ti 0Cr18Ni18Mo2Cu2Ti 0Cr23Ni28Mo3Cu3Ti 00Cr18Ni14Mo2Cu2等 适用于在非氧化性酸中工作的部件 5 Cr Ni Mo N系典型钢种 00Cr22Ni22Mo2 5N 00Cr22Ni6Mo3N Cr22Ni26Mo5Ti Cr26Mo4等 用于在含卤族元素离子介质中 抗点腐蚀的钢 也用于耐海水腐蚀的海洋设备上 6 Cr Ni Si系典型钢种 0Cr18Ni14Si4用于抗应力腐蚀用钢 2 奥氏体不锈钢的平衡组织及热处理 18 8型奥氏体不锈钢平衡态组织为奥氏体 铁素体 碳化物复相组织 实际的单相奥氏体是通过固溶处理获得的 该类钢在高温有一个含碳量较宽的奥氏体相区 碳在奥氏体中溶解度随温度沿ES线变化 缓冷时沿ES线碳以合金碳化物的形式析出 主要为 Cr Fe 23C6 缓冷至SK线以下还要发生 相变 部分 转变为 故平衡态时18 8奥氏体钢在室温下的组织是 C 当加热到ES线以上时 Cr Fe 23C6等又可完全溶入奥氏体 经淬火就可获得碳 合金等元素在 相中过饱和的固溶体 固溶处理时的加热温度必须高于碳化铬的溶解温度 马氏体不锈钢含12 18 Cr 和铁素体不锈钢相比 其成分特点是 铬的上限含量较低 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 这类钢的耐蚀性 塑性 焊接性较奥氏体 铁素体不锈钢要差 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 用于制造机械零件 医用手术工具 测量工具 不锈轴承 弹簧等 三 马氏体不锈钢 1典型钢种 成分和应用 1 低碳的13 Cr钢如1Cr13 2Cr13 可用于制造汽轮机叶片 抗弱腐蚀介质并承受冲击的零件 如螺栓 螺母等机械结构件 2 低碳的17 Cr 2 Ni钢如1Cr17Ni2等 可用于制造高强度耐蚀件 3 中碳的13 Cr钢如3Cr13 4Cr13 可用于制造耐磨的零件如阀门零件 轴承 弹簧和医用手术刀等 4 高碳的18 Cr钢如9Cr18等 可用于制造轴承和手术工具等 典型马氏体不锈钢的牌号和成分如表5 4 5 6马氏体不锈钢 2 马氏体不锈钢的热处理 1 软化处理钢经锻轧后 由于空冷即会产生马氏体转变 使锻件变硬 在锻件表面产生裂纹 同时也不易切削加工 因此这类钢锻后应缓冷 并及时进行软化处理 高温回火 将锻件加热到700 800 保温2h 6h后空冷 使马氏体转变为回火索氏体 从而降低硬度 完全退火 将锻件加热到840 900 常用860 保温2h 4h后 以小于25 h的冷却速度冷却 可控炉冷 到600 以后在空冷 这时1Cr13 2Cr13的硬度可降低到170HB以下 3Cr13 4Cr13可降低到217HB以下 退火后的组织是铁素体基体上分布着网状碳化物 2 调质处理一般不锈钢结构件 如1Cr13 2Cr13 常用调质处理 以获得高的综合机械性能 淬火加热温度 1Cr13 980 1050 2Cr13 950 1150 对于小件 薄壁件 淬火冷却可用空冷 风冷 对于中小件可用油冷 1Cr13淬火后的硬度约为43HRC 2Cr13为50HRC左右 回火温度 通常1Cr13为650 700 2Cr13为640 700 为了防止回火脆性 回火后易采用油冷 为了消除回火快冷的内应力 可在回火后再进行一次400 左右的去应力退火 高温回火后马氏体转变为回火索氏体 这类钢在500 650 温度回火后还会出现耐蚀性降低的现象 这和碳化铬析出导致晶界贫铬及组织中存在内应力有关 3 淬火及低温回火3Cr13 3Cr13Mo 4Cr13钢类似于工具钢 最终热处理常采用淬火及低温回火 其目的是为了获得高的硬度和高的耐磨性 淬火加热温度为1000 1050 淬火