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不锈钢所含各元素的作用
目前,已知的化学元素有100 多种,在工业中常用的钢铁材料中可以遇到的化学
元素约二十多种。对于人们在与腐蚀现象作长期斗争的实践而形成的不锈钢这一特殊
钢系列来说,常用的元素有十几种,除了组成钢的基本元素铁以外,对不锈钢的性
能与组织影响的元素是:碳、铬、镍、锰、硅、钼、钛、铌、钛、锰、氮、铜、
钴等。这些元素中除碳、硅、氮以外,都是化学元素周期表中位于过渡族的元素。实
际上工业上应用的不锈钢都是同时存在几种以至十几种元素的,当几种元素共存于不
锈钢这一个统一体中时,它们的影响要比单独存在时复杂得多,因为在这种情况下不
仅要考虑各元素自身的作用,而且要注意它们互相之间的影响,因此不锈钢的组织决
定于各种元素影响的总和。
一、各种元素对不锈钢的性能和组织的影响和作用
1-1 铬在不锈钢中的决定作用:决定不锈钢性属的元素只有一种,这就是铬,每
种不锈钢都含有一定数量的铬。迄今为止,还没有不含铬的不锈钢。铬之所以成为决
定不锈钢性能的主要元素,根本的原因是向钢中添加铬作为合金元素以后,促使其内
部的矛盾运动向有利于抵抗腐蚀破坏的方面发展。这种变化可以从以下方面得到说
明:
①铬使铁基固溶体的电极电位提高
②铬吸收铁的电子使铁钝化
以上主要的九种元素对不锈钢的性能和组织的影响,除这些元素对不锈钢性能与
组织影响较大的元素以外,不锈钢中还含有一些其他的元素。有的是和一般钢一样为
常存杂质元素,如硅、硫、磷等.也有的是为了某些特定的目的而加入的,如钴、硼、
硒、稀土元素等。从不锈钢的耐腐蚀性能这一主要性质来说,这些元素相对于已讨论
的九种元素,都是非主要方面的,虽然如此,但也不能完全忽略,因为它们对不锈钢
的性能与组织同样也发生影响。
硅是形成铁素体的元素,在一般不锈钢中为常存杂质元素。
钴作为合金元素在钢中应用不多,这是因为钴的价格高及其在其它方面(如高速
钢、硬质合金、钴基耐热合金、磁钢或硬磁合金等)有着更重要的用途。在一般不锈
钢中加钴作合金元素的也不多,常用不锈钢如9Crl7MoVCo 钢(含1.2-1.8%钴)加
钴,目的并不在于提高耐腐蚀性能而在于提高硬度,因为这种不锈钢的主要用途是制
造切片机械刃具、剪刀及手术刀片等。
硼:高铬铁素体不锈钢Crl7Mo2Ti 钢中加0.005%硼,可使在沸腾的65%醋酸中
的耐腐蚀性能提高。加量的硼(0.0006~0.0007%)可使奥氏体不锈钢的热态塑性
改善。少量的硼由于形成低熔点共晶体,使奥氏体钢焊接时产生热裂纹的倾向增大,
但含有较多的硼(0.5~0.6%)时,反而可防止热裂纹的产生。因为当含有0.5~
0.6%的硼时,形成奥氏体-硼化物两相组织,使焊缝的熔点降低。熔池的凝固温度
低于半溶化区时,母材在冷却时产生的张应力,由处于液态.固态的焊缝金属承受,
此时是不致引起裂缝的,即使在近缝区形成了裂纹,也可以为处于液态-固态的熔池
金属所填充。含硼的铬镍奥氏体不锈钢在原子能工业中有着特殊的用途。
磷:在一般不锈钢中都是杂质元素,但其在奥氏体不锈钢中的危害性不像在一般
钢中那样显著,故含量可允许高一些,如有的资料提出可达0.06%,以利于冶炼控
制。个别的含锰的奥氏体钢的含磷量可达0.06%(如2Crl3NiMn9 钢)以至0.08%
(如Cr14Mnl4Ni 钢)。利用磷对钢的强化作用,也有加磷作为时效硬化不锈钢的合金
元素,PH17-10P 钢(含0.25%磷)乃PH-HNM 钢(含0.30 磷)等。
镍在不锈钢中的作用是在与铬配合后才发挥出来的
镍是优良的耐腐蚀材料,也是合金钢的重要合金化元素。镍在钢中是形成奥氏体
的元素,但低碳镍钢要获得纯奥氏体组织,含镍量要达到24%;而只有含镍27%时
才使钢在某些介质中的耐腐蚀性能显著改变。所以镍不能单独构成不锈钢。但是镍与
铬同时存在于不锈钢中时,含镍的不锈钢却具有许多可贵的性能。
基于上面的情况可知,镍作为合金元素在不锈钢中的作用,在于它使高铬钢的组
织发生变化,从而使不锈钢的耐腐蚀性能及工艺性能获得某些改善。
1-4. 锰和氮可以代替铬镍不锈钢中镍
铬镍奥氏体钢的优点虽然很多,但近几十年来由于镍基耐热合金与含镍20%以下
的热强钢的大量发展与应用,以及化学工业日益发展对不锈钢的需要量越来越大,而
镍的矿藏量较少且又集中分布在少数地区,因此在世界范围内出现了镍在供和需方面
的矛盾。所以在不锈钢与许多其他合金领域(如大型铸锻件用钢、工具钢、热强钢等)
中,特别是镍 的资源比较缺乏的,广泛地开展了节镍和以其他元素代镍的科学
研究与生产实践,在这方面研究和应用比较多的是以锰和氮来代替不锈钢与耐热钢中
的镍。