不锈钢知识讲解.ppt

2020 3 16 1 不锈钢 StainlessSteel 2020 3 16 2 1 钢种简介 1 不锈钢之涵义 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 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 而耐酸钢一般均具有不锈性 2020 3 16 3 不锈钢具有不锈和耐蚀特性 其主要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12 以后引起耐蚀性突变 因此 不锈钢中含铬量一般应大于12 国内外都曾试图开发节铬和无铬的不锈钢 除特殊情况外 迄今尚未获得有效的进展 2020 3 16 4 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1904年 1908 1911年蒙纳尔兹 P Monnartz 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 到50年代各种不锈钢系列已具雏形 60年代不锈钢的冶炼技术得到了突破性进展 1950年全世界不锈钢总产量不足100万吨 到1990年增至1100万吨 40年间增长了10倍以上 2020 3 16 5 2 不锈钢的分类 不锈钢钢种很多 性能各异 常见分类方法有 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 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 高钼不锈钢 等 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 耐硫酸不锈钢 耐点蚀不锈钢 等 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 2020 3 16 6 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 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化不锈钢 两类 铬不锈钢和铬镍不锈钢 2020 3 16 7 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8 10 Ni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 2020 3 16 8 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 2020 3 16 9 3 不锈钢可加工成各类形状 常见有 扁平材 热轧板 带卷 冷轧板 带卷 表面加工和涂层板 带卷 长型材 热轧棒材冷拔棒材冷拔丝 极细丝热轧管冷拔管 极细管铸件 阀门 管件 2020 3 16 10 2 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字 脱碳保铬在一般不锈钢的成份范围内 可认为在Fe Cr C O构成的四元体系中基本的反应式为 Cr3O4 s 4 C 3 Cr 4 CO g 2020 3 16 11 若取一氧化碳的分压为一个大气压 即Pco 1atm 实用的热力学计算式为 其中 T为绝对温度K Cr 和 C 分别为熔池中Cr和C的重量百分浓度 2020 3 16 12 相应的有下图 可以看出 对于Cr 18 的不锈钢 若使C降至0 12 以下 溶池温度可达到1825 炉衬将很快毁坏 这就是单炉法冶炼的基本困难 2020 3 16 13 在饱和氧的熔池中铬 碳和温度的关系 2020 3 16 14 考虑到Pco的影响 热力学计算式为其中Pco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 降低气相中的Pco 稀释AOD降低气相总压强 真空VOD 2020 3 16 15 18 Cr钢C 温度 Pco的关系 A 吹氧法操作条件B 降低Pco法操作条件 2020 3 16 16 AOD ArgonOxygenDecarburization 氩氧脱碳法 现今世界范围内最主要的不锈钢冶炼手段 美国联合碳化物公司 UCC UnionCarbideCorporation 于1954年开始研究 最初是研究铬铁生产的脱碳保铬方法 于1968年在美国乔斯林钢公司 JoslynSteel 成功用于生产 第一台AOD炉容量为15t 现专利权为普莱克斯 PRAXAIR 公司所持有 已向全世界发放许可证一百多台 其炉容量为3t 175t 我国自制第一台AOD是太原钢铁公司的6吨炉 为1978年投产 2020 3 16 17 主要装备 炉体供气 O2 Ar N2 供料除尘 2020 3 16 18 2020 3 16 19 VOD VacuumOxygenDecarburization 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 高难度 高纯度的不锈钢更为有效 为原西德维腾特殊钢厂 EdelstahlwerkWitten 于1967年所发明 第一台容量为50t 现全世界共有近百台 其容量为5t 150t 我国第一台为13t 在大连钢厂1982年投产 2020 3 16 20 主要装备有 钢桶真空罐氧枪加料系统取样测温真空系统控制系统 2020 3 16 21 2020 3 16 22 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 2020 3 16 23 可编辑 2020 3 16 24 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 2020 3 16 25 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 2020 3 16 26 2020 3 16 27 2020 3 16 28 2020 3 16 29 1 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 2020 3 16 30 3 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1 Ni 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 2020 3 16 31 6 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 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 2020 3 16 32 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Schaefflerdiagram图中求得其交点 根据交点所在相区 确定钢的相组成 2020 3 16 33 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 1 A不锈钢体系 4奥氏体不锈钢 2020 3 16 34 MicrographofAISI316austeniticstainlesssteelshowingamicrostructureconsistingof100 austenite Thestraight edgedareas markedbyarrows withinthegrainsareannealingtwins Electrolyticallyetchedin60partsnitricacidin40partswater stainlesssteelcathode at6Vdirectcurrent 200 2 A不锈钢组织 2020 3 16 35 3 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450 800 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 2020 3 16 36 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1050 1100 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 2020 3 16 37 在铬镍钢中 如果该钢在450 800 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 2020 3 16 38 4 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 2020 3 16 39 1 F不锈钢体系 5F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 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 2020 3 16 40 2 铁素体不锈钢的脆性 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和其他稳定 相合金元素的作用 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 475 脆性高铬钢中 当含Cr 15 时 在400 525 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 2020 3 16 41 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 2020 3 16 42 6马氏体不锈钢马氏体不锈钢含12 18 Cr 和铁素体不锈钢相比 其成分特点是 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