不銹鋼的冶金學(xué)與耐腐蝕性能（一）
 

 
     人們平時經(jīng)常要使用到不銹鋼。其實不銹鋼的名字起得有點問題。不銹鋼也會生銹。那為什么不銹鋼有時候閃閃發(fā)亮，又有時與期望的外表相悖呢？讓我們一起從幾個方面來了解一下不銹鋼。
    1、成分和一般性能
    一般地，固態(tài)金屬和合金都是由不規(guī)則排列的晶粒構(gòu)成的，這些晶粒有著確定的結(jié)晶狀組織叫晶格。不銹鋼中以晶粒的晶體結(jié)構(gòu)成為鐵素體、奧氏體、馬氏體，或其中兩種或多種的混合體。鐵素體是常溫下鐵和低碳合金的基本晶體結(jié)構(gòu)，奧氏體則是在高溫（>800℃）的晶粒中純鐵的結(jié)晶方式。如果在鐵或鐵鉻合金（鐵素體組織）中加入Ni、Mn、N、C，就會形成在常溫下穩(wěn)定的面心立方體晶格，即為奧氏體。所形成的材料稱為奧氏體不銹鋼，這樣的不銹鋼容易成型和彎曲，容易焊接。（如常見的18-8不銹鋼）。馬氏體在常溫下很穩(wěn)定，它比較接近于鐵素體，體心結(jié)構(gòu)。馬氏體硬度高，強度好，難以焊接，實際上馬氏體合金很少進(jìn)行變形處理。合金獲得耐腐蝕性能的主要化學(xué)元素是鉻（Cr），在耐腐蝕金屬材料中，關(guān)于Cr對材料耐腐蝕性能的影響有一個******的n/8定律。即當(dāng)Cr在金屬中的質(zhì)量百分比為1/8、2/8、3/8……時，金屬的耐腐蝕性能就有一次突變。當(dāng)Cr含量達(dá)到11%-14%，金屬在大氣環(huán)境下的腐蝕就可以忽略不計，這就是不銹鋼名字的來歷。化學(xué)元素鎳（Ni）是不銹鋼中作用僅次于Cr的元素，它是奧氏體穩(wěn)定化元素。隨鋼中Ni含量的增加，奧氏體的數(shù)量也增加，穩(wěn)定化溫度越低，使得人們可以在室溫下得到穩(wěn)定的奧氏體材料。錳（Mn）在不銹鋼中的作用類似于Ni，用Mn代替Ni可以提高不銹鋼的強度。鉬（Mo）可以增強耐點蝕、縫隙腐蝕的能力氮（N）可以增強耐縫隙腐蝕能力，提高強度，同時穩(wěn)定奧氏體。Cu、Si等元素可以提高耐腐蝕能力，改善鑄造性能。
    2、常用不銹鋼系列
    (1).奧氏體不銹鋼    指的是Fe-Cr-Ni和Fe-Cr-Mn-Ni合金。晶粒中具有奧氏體相或面心立方晶體結(jié)構(gòu)，這是由加入的合金元素Ni、Mn和N抑制奧氏體/鐵素體轉(zhuǎn)化溫度，使常溫下奧氏體穩(wěn)定而得到的。奧氏體不銹鋼沒有磁性，主要為18-8不銹鋼（如1Cr48Ni9Ti），含18-20%的Cr,8-10.5%Ni。
    (2).鐵素體不銹鋼    指的是Fe-Cr合金。焊接難度很大，具有磁性，冷加工可以使之硬化。如1Cr19Mo2Ti等
    (3).馬氏體不銹鋼    也是Fe-Cr合金，但是碳（C）的含量高于鐵素體鋼。具有磁性，熱處理可以使之硬化，焊接制作難度大。
    (3).沉淀硬化或失效硬化不銹鋼   Fe-Cr-Ni合金。在加熱到中高溫500-900℃并保溫一段時間后會產(chǎn)生沉淀，出現(xiàn)一些由合金元素形成小顆粒的化合物，會使晶格扭曲，使材料硬化或強化。這種材料只要用于對強度和耐腐蝕性能很高的環(huán)境。如S17400合金等。許多這樣的材料可以在退火狀態(tài)下進(jìn)行加工。***好的用途之一是高爾夫球桿。
    (3).奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼   通常是Fe-Cr-Ni合金，是******的耐腐蝕金屬材料。有時候也含有Mo等元素。其強度好于一般的奧氏體材料，耐腐蝕性能在有氯離子存在的氯化物應(yīng)力腐蝕環(huán)境中尤其突出。
    關(guān)于不銹鋼的生產(chǎn)，現(xiàn)在一般采用電弧爐冶煉后爐外精煉的的方法，精煉時使用氬氧脫碳（AOD）或真空脫碳（VOD），可以生產(chǎn)出更純、更潔凈、成分控制更好的不銹鋼。不銹鋼的耐腐蝕性能會受到生產(chǎn)中的機械加工和熱加工的影響。奧氏體不銹鋼一定要用退火狀態(tài)的。這個退火與一般碳鋼和低合金鋼的退火不同，他們的是從退火溫度緩慢冷卻，而奧氏體不銹鋼的退火是快速冷卻，是在退火溫度1040-1130℃保溫后在淬火介質(zhì)中淬火。退火不足或不當(dāng)都可能使奧氏體不銹鋼遭受晶間腐蝕，這是因為晶界處會有沉淀的碳化物析出。
    不銹鋼在大氣或水溶液中的耐腐蝕性能主要是Cr等元素提高了金屬材料的平衡電極電位，從而阻止了微電池的陽極，也就是金屬的氧化。不銹鋼能耐腐蝕是因為表面上可以形成一層致密的鈍化膜，這層鈍化膜可以在受到破壞后自行修復(fù)，它能夠使金屬和腐蝕介質(zhì)分隔開。就是這層鈍化膜的作用，使得不銹鋼不會遭受均勻腐蝕，能使不銹鋼失效的腐蝕行為都是局部的腐蝕如點蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂等。
    現(xiàn)在我們說說不銹鋼的點蝕和縫隙腐蝕。點蝕是金屬表面不同位置局部性的腐蝕。點蝕可以穿透鈍化膜向下發(fā)展?？p隙腐蝕發(fā)生在金屬和距離它很近的不導(dǎo)電的物體之間，經(jīng)常擴(kuò)展到縫隙之外。這兩種腐蝕形態(tài)在有氯化物存在時***容易發(fā)生。出現(xiàn)點蝕的原因是不銹鋼表面受損、有雜質(zhì)、有缺陷或表面沾有臟東西?？p隙腐蝕則一般發(fā)生在材料與墊片的連接處、有氧化皮或硬的生物附著物的地方和金屬搭接處。由于侵蝕面積比金屬總面積小的多，所以腐蝕很快很嚴(yán)重。有氯化物存在時尤其嚴(yán)重。點蝕和縫隙腐蝕很相象，基本原理是一樣的，但在暴露的鋼板上是不會發(fā)生點蝕的，卻可以發(fā)生縫隙腐蝕，因為鋼板往往是一張壓一張地放在一起的。不銹鋼中加入元素Mo可以提高耐點蝕性能和耐縫隙腐蝕性能。另外完善的設(shè)計和良好的制作工藝可以使鋼材表面平滑、沒有尖銳的角并可以使壓在兩張鋼板之間縫隙里的水之類的流體介質(zhì)排出，同樣有助于提高耐點蝕和縫隙腐蝕能力。