5不锈钢耐热钢

成分对钢钝化的影响
铬是提高钢钝化膜稳定性的必要元 素。钢中加入铬含量（质量分数） 超 过 10 ～ 12%, 合 金 的 钝 化 能 力 有 显著提高；当铬的摩尔分数每次达 到 12.5% 、 25 ％ 、 37.5% 时 ， 合 金 在硝酸中的腐蚀速度都相应有一个 突然的降低。研究表明，当钢中铬 含量达到10％后，钝化膜中才富集 了铬的氧化物。在不锈钢中，这种 富铬的复合氧化膜的厚度在 1.0~2.0nm ， 并 具 有 尖 晶 石 结 构 ， 在许多介质中有很高的稳定性。
不锈耐蚀钢的定义
不锈钢的“不锈性”是相对的，仅是腐蚀速度较小而 已
1. 不锈钢：在大气及弱腐蚀介质中耐蚀的钢。 “完全耐蚀”：凡腐蚀速度小于0.01mm/a； “耐蚀”：腐蚀速度小于0.1mm/a； “不耐蚀”：腐蚀速度大于0.1mm/a。
2. 耐蚀钢：在各种强腐蚀介质中耐蚀的钢。 “完全耐蚀”：凡腐蚀速度小于0.1mm/a； “耐蚀”：腐蚀速度小于1.0mm/a； “不耐蚀”：腐蚀速度大于1.0mm/a。
⑤沉淀硬化不锈钢：经过适当热处理后，可发生马氏体相变，并在马 氏体基础上析出金属间化合物，产生沉淀强化。这类钢属于高强度 或超高强度不锈钢。
不锈耐蚀钢的腐蚀特性—晶间腐蚀
☺ 奥氏体不锈钢焊接后焊缝及热影响区(550~800℃)在许多介质 中产生晶界腐蚀。这些介质是热的浓度为50～65％的硝酸， 含铜盐和氧化铁的硫酸溶液、热有机酸等。
➢随镍含量增加，单相奥氏体区可 溶解铬含量也随之增加。常用的 Cr18Ni9型钢是处于单相奥氏体区， 若冷却到室温可得到单相奥氏体。
➢从 Fe-Cr-Mn （ Ni ） 三 元 相 图 1000℃等温截面上可看出锰扩大γ 相区的能力有限，单相γ相区仅能 溶解w(Cr)=14%的铬。
不锈耐蚀钢的组织
应力越大，则破坏时间越短。钢的屈服强度越高，抗应力腐蚀 破坏的能力越高。钢的应力腐蚀敏感度取决于实际应力和钢的 屈服强度之比，比值越高，应力腐蚀敏感度越高。
不锈耐蚀钢的腐特性—应力腐蚀
温度：可影响化学反应速度和物质输送速度。在含Cl-的水溶液
中，80℃以上才会产生应力腐蚀。温度越高，应力腐蚀破断时 间越短。
可根据钢的实际化学成分，换算成铬当量和镍当量来估算钢的组织。要获得单 相奥氏体组织，必须使这两类元素达到某种平衡，否则钢中就会出现一定量的 铁素体，成为复相组织。
根据不锈耐蚀钢的基本组织，可将它分为五大类：
①马氏体不锈钢：w(C)为0.05~0.45%范围的（1~4）Cr13型不锈钢、 Cr17Ni2钢和不绣轴承钢9Cr18等，高温加热淬火后为马氏体。其 中W(C)小于0.10%的0Cr13和Cr17Ni2钢在高温是γ＋δ复相组织， 淬火后为马氏体加δ铁素体复相组织。
在稀硫酸等非氧化性酸中，由于介质中溶有的氧量较低，而 SO42-又不是氧化剂， H＋浓度又高，一般的铬不锈钢难以达到 钝化状态。在这类介质中，不锈耐蚀钢需要加入提高钢的钝化 能力的元素，如镍、钼、铜等。盐酸也是一种非氧化性酸，不 锈耐酸钢在其中也不耐蚀，一般需采用Ni-Mo合金，使合金表 面生成稳定的MoOCl2保护膜，才能保持良好的钝化能力。
不锈耐蚀钢的腐蚀特性—晶间腐蚀
➢ 晶间腐蚀的解决办法之二： 加入强碳化物形成元素钛和铌，固定钢中的碳，形成稳定的 TiC或NbC，排除Cr23C6析出的可能性。若加热到1150℃以 上，TiC或NbC开始溶解，或钛、铌含量不足，有过剩的碳 溶于奥氏体，则仍不能避免Cr23C6析出。为此，钢中钛或铌 的含量分别为： 0.8%≥w(Ti)≥5(w(C)-0.02) 1.0%≥w(Nb)≥10(w(C)-0.02)
在氧化性酸如硝酸中，由于有足够的氧使不锈耐蚀钢在短期 内达到钝化状态，但是酸中含有H＋作为阴极去极化剂，故随 H＋浓度增加，钝化所需的铬含量也要增加。只有这样，氧化 膜中铬含量才能提高，含高铬的氧化膜在硝酸中才有很好的 稳定性。故w(Cr)必须高于16％的钢，才有较高的钝化能力。
环境对不锈钢耐蚀性的影响
w(N)≈1/100[w(Cr)+w(Mn)] 式中， w(N)、w(Cr)、w(Mn)分别为三者在钢中的质量分数。 ➢ 如 Cr17Mn13 不 锈 钢 要 得 到 单 相 奥 氏 体 组 织 ， 可 以 算 出 w(C)+w(N)=0.35 。 一 般 不 锈 钢 的 碳 含 量 小 于 0.10% ， 故 在 CrMn-N钢中氮含量大于等于0.25%。此时Cr17Mn13不锈钢中可 溶解w(N)=0.30%的氮，可保证该钢为单相奥氏体组织。
❖介质：引起奥氏体不锈钢应力腐蚀的介质中含有氯离子(Cl-)。
在微酸性FeCl2、MgCl2溶液中，氯离子能促进应力腐蚀破坏。 在PH值小于4～5的酸性介质中，H+浓度越高，应力腐蚀破坏时 间越短。当PH值大于4～5时，加入NO3-、I-及醋酸盐可抑制应 力腐蚀。
❖附加应力：只有拉应力才会引发应力腐蚀。温度恒定时，
n/8规律
成分对钢钝化的影响
镍也能提高铁的耐蚀性，在非氧化性的硫酸中更为显著。当 镍的摩尔分数为12.5%、25％时，耐蚀性明显提高。镍加入 铬不锈钢中，能提高其在硫酸、醋酸、草酸及中性盐中的耐 蚀性。
锰也能提高铬不锈钢在有机酸如醋酸、甲酸和乙醇酸中的耐 蚀性，而且比镍更有效。
钼能提高不锈钢钝化能力，扩大其钝化介质范围，如在热硫 酸、稀盐酸、磷酸和有机酸中。含钼不锈钢中可以形成含钼 的 钝 化 膜 ， 如 Cr18Ni8Mo 钢 表 面 钝 化 膜 的 成 分 为 ： Φ(Fe2O3)=53%、 Φ(Cr2O3)=32%、 Φ(MoO3)=12%。含钼 的不锈钢能抗点腐蚀。
钢中有10～50％体积的δ铁素体，可改善奥氏体不锈钢晶间 腐蚀倾向。δ铁素体在500～800℃发生相间沉淀，排除了 Cr23C6在奥氏体晶界析出。
σ相在晶界析出也会造成晶间腐蚀。超低碳奥氏体不锈钢特 别是含钼钢，如0Cr18Ni9Ti和00Cr17Ni13Mo2钢，固溶 的钼和钛促进σ相在晶界析出，在晶界产生贫铬区，在65％ 沸腾硝酸中就能产生晶间腐蚀。 Cr-Mn、Cr-Fe、Cr-Co等。
成分对钢钝化的影响
贵金属铂等只要少量加入不锈钢中就能有效地提高 在硫酸及有机酸中的耐蚀性。当铜、铂、钯存在时， 能在不锈钢表面沉积下来，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。
硅能提高钢在盐酸、硫酸和高浓度硝酸中的耐蚀性。 含硅14.5%(质量分数)的Fe-Si合金在盐酸、硫酸和 硝酸中有满意的耐蚀性。在不锈钢中加入2～4%(质 量分数)的硅时，也可提高不锈钢在上述介质中的耐 蚀性。
不锈耐蚀钢
不锈耐蚀钢的定义
➢ 在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种高合 金钢。
➢ 不锈耐蚀钢是具有美观的表面和耐腐蚀性能好，不必 经过镀色等表面处理，而发挥不锈耐蚀钢所固有的表 面性能,使用于多方面的钢铁的一种，通常称为不锈 耐蚀钢。
➢ 代表性能的有13铬钢，18-铬镍钢等高合金钢。
➢ 不锈钢：指在大气及弱腐蚀介质中耐蚀的钢。 ➢ 耐蚀钢：指在各种强腐蚀介质中耐蚀的钢。
环境对不锈钢耐蚀性的影响
不锈钢的钝化与介质的氧化能力有关。在氧化性介质如硝酸 中，NO3－是氧化性的，不锈钢表面氧化膜容易形成，钝化时 间也短。在非氧化介质，如稀硫酸、盐酸、有机酸中，含氧 量低，钝化所需时间延长。当介质中含氧量低到一定程度后， 不锈钢就不能钝化。
对大气、水、水蒸气等弱腐蚀介质，只要固溶体中铬含量 w(Cr)大于10～12％，就能保证不锈。
➢ 碳和氮是扩大γ相区元素，在Cr-Mn-C-N钢中，要获得单相奥 氏体，所需最少的碳、氮含量和钢中铬含量之间的关系是： w(C)+w(N)=0.078[w(Cr)-0.125]
式中，0.125为Fe-Cr二元相图中奥氏体区能溶解的铬最大质量 分数。
➢ 氮在钢中的溶解度取决于氮化物形成元素铬和锰在钢中的含量：
铬当量[Cr]－镍当量[Ni]图表明了不锈钢实际成分和所得组织的关系，钢中铁 素体形成元素折合成铬的作用，奥氏体形成元素折合成镍的作用，其中：
[Ni]=w(Ni)+w(Co)+0.5w(Mn)+30w(C)+25(N)+0.3(Cu)
[Cr]=w(Cr)+1.5w(Mo)+2.0w(Si)+1.5w(Ti)+1.75w(Nb)+5.5w(Al)+5w(V)+0.75w(W)
④应力腐蚀
⑤腐蚀疲劳
③点腐蚀
均匀腐蚀 晶间腐蚀
点腐蚀 穿晶腐蚀
化学腐蚀 金属与化学介质直接产生化学反应而造成的腐蚀。
提高金属抗化学腐蚀的主要措施之一是加入Si、Cr、Al等能 形成致密保护膜的合金元素进行合金化。
电化学腐蚀 是指金属在腐蚀介质中由于形成原电池，阳极
失去电子。提高材料的抗电化学腐蚀能力可用以下方法：表 示电极电位与极化电流或极化电流密度之间的关系曲线
不锈耐蚀钢的种类
不锈钢按用途、化学成分及金相组织来大体分类。
以化学成分分类： Cr系列：铁素体系列、马氏体系列 Cr-Ni系列：奥氏体系列，析出硬化系列
以金相组织分类：
奥氏体不锈钢 铁素体不锈钢 马氏体不锈钢 双相不锈钢 沉淀硬化不锈钢
金属的腐蚀
. 金属腐蚀破坏的方式:
①均匀腐蚀
②晶间腐蚀
☺ 奥氏体不锈钢的晶间腐蚀主要由钢中的碳所引起。钢中碳含量 越高，晶间腐蚀越严重。原因：晶界上析出连续网状富铬的 Cr23C6碳化物引起晶界周围基体产生贫铬区，铬含量低于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。
☺ 晶间腐蚀解决方法之一：在此敏感温度范围长期加热，通过铬 的扩散消除贫铬区，则晶间腐蚀倾向就被消除。当w(C)小于 等于0.03%，就没有晶间腐蚀发生。所以，最有效解决奥氏体 不锈钢晶间腐蚀倾向的方法是生产超低碳不锈钢，使钢中w(C) 小于等于0.03%，如00Cr18Ni10钢。
不锈钢的组织和成分：对应力腐蚀有强烈的影响。铬含量
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很敏感。含铁素体的复相 不锈钢有低的应力腐蚀敏感度。在不稳定的奥氏体不锈钢中， 形变引起的马氏体对应力腐蚀有害。
活性溶解区 过渡钝化区 稳定钝化区
过钝化区
金属腐蚀的预防
①减少原电池形成的可能性，使金属具有均匀 的单相组织；
②形成原电池时，减少两极的电极电位差，提 高阳极的电极电位；
③减少甚至阻断腐蚀电流，使金属“钝化”， 在表面形成致密的、稳定的保护膜。金属表面 形成一层薄的氧化物层，使金属腐蚀速率大大 降低的过程叫钝化。
②铁素体不锈钢：如0Cr17Ti、Cr25Ti、Cr26Mo1等。
③奥氏体不锈钢：具有单相奥氏体组织，其中铬镍奥氏体钢有 1Cr18Ni9Ti、00Cr18Ni10、0Cr18Ni18Mo2Cu2Ti等，铬锰镍奥氏 体钢有1Cr18Mn8Ni5N，铬锰氮奥氏体钢有1Cr17Mn13N等。
④奥氏体－铁素体复相不锈钢，具有奥氏体加铁素体复相组织，如 Cr21Ni5Ti、00Cr22Ni5Mo3N、00Cr18Ni5Mo3Si2等，铁素体体积 分数为50～70％。
不锈耐蚀钢的腐蚀特性—晶间腐蚀
钢中不同氮含量对晶间腐蚀有不同影响，当氮含量 低于0.16%，由于抑制Cr23C6 在晶界析出，有利于改 善奥氏体钢的晶间腐蚀。当氮含量高于0.16%，由于 沿晶界析出Cr2N而增加晶间腐蚀倾向。
不锈耐蚀钢的腐蚀特性—应力腐蚀
不锈钢受拉应力时，在某些介质中经过不长时间就会发生破坏。 影响应力腐蚀的因素是介质特点、附加应力和钢的化学成分。
强有机酸中，由于介质中氧含量低，又有H＋存在，一般铬和铬 镍不锈钢难以钝化，必须向钢中加入钼、铜、锰等元素，以提 高不锈耐蚀钢的钝化能力。
在含有Cl－介质中， Cl－容易破坏不锈耐蚀钢表面的氧化膜， 穿透过并与钢表面起作用，产生点腐蚀。含钼的不锈钢增强了 抗点腐蚀的能力。
不锈耐蚀钢的组织
➢各种不锈耐蚀钢中，铁素体形成 元素的有：铬、钼、硅、钛、铌， 奥氏体形成元素的有：镍、锰、铜。