合金元素对不锈钢性能的影响

合金元素对不锈钢性能和特性的影响

不锈钢中的化学成分决定着电极电位差的大小和腐蚀电流的大小。

1.铬

铬称为铁素体形成元素，它有促使铁素体向奥氏体转变的倾向，对于非常低的碳含量，含铬量要超过13%，才能维持铁素体组织。在含量大约为12%时，该元素通过自发形成一种稳定的、透明的钝化膜来延缓腐蚀。较高的合金含量可通过强化薄膜和快速自我修复薄膜来提高抗腐蚀性。商业品牌的不锈钢铬含量上限约为30%。富铬氧化物具有尖晶石点阵，在许多介质中都有很高的稳定性。铬含量越多，则其耐点蚀和缝隙腐蚀的能力就越强。

所谓的γ环区（奥氏体）是在铬含量约为11-13%情况下产生的。如果其它奥氏体形成元素增加的话，铬含量可扩大至约16-18% 。特别应该注意的是碳、氮和镍的影响，它们可扩大稳定奥氏体的范围。如果不锈钢在加热和冷却过程中通过γ相区。它经过铁素体——奥氏体——马氏体转变，而称为马氏体不锈钢，一般这样的不锈钢是磁性的类似铁并且可以通过热处理使其硬化。另一方面，含铬17%的合金（很少甚至没有奥氏体形成元素）位于γ环的外边，保留了铁素体结构，但通过热处理不能使其硬化。也有磁性（由于铁素体结构）称之为铁素体不锈钢，铁素体不锈钢在所有温度下为一同相。

2.镍

如果铁用约18%的铬和8%的镍来合金化，γ环区则可扩大。铁素体仍然在形成，但转变速度非常缓慢，以致当含铬18%合金中的镍含量达到8%，甚至温度在零下时，奥氏体还继续存在。奥氏体合金的特征是虽然热处理也不能马氏体化和淬硬化。这些特征对所有奥氏体牌号都是共同的。由于镍可促进奥氏体相的稳定，所以它被称为奥氏体化元素，可将奥氏体使用范围扩大到低温区。碳和氮很早就表现出它们有类似的性能，即允许用低的镍含量去达到相同的奥氏体级别或允许加入较多的辅助合金而不出现二次相沉淀。图4-7所示为含碳很低的三元合金在室温情况仍存在奥氏体的成分范围。

奥氏体合金可以通过冷加工来硬化，与此同时产生少量的铁素体或马氏体，并具有轻微的马氏体特征，强度也有所提高。在生产异形铸造产品时，经过慎重考虑使之含有少量的铁素体，以改善其可铸造性并将成为引人注意的马氏体组织。

镍可提高韧性和延展性，这就使之更容易加工、制造和焊接。同时，对酸的抗腐蚀能力也增强了，另外还可降低酸耗。镍还可提高保持钝化膜的能力以及在腐蚀介质中的抗蚀能力。镍较难氧化，故氧化膜中含镍量极低；氧化膜下富集镍，可增加氧化膜的稳定性。铬不锈钢中加入镍，可提高其在硫酸、醋酸、草酸及中性盐中的耐腐蚀性。

3. 碳

碳在不锈钢中对组织的影响主要表现在两方面，一方面碳是稳定奥氏体的元素，并且作用的程度很大（约为镍的30倍），另一方面由于碳和铬的亲和力很大，与铬形成—系列复杂的碳化物。所以，从强度与耐腐烛性能两方面来看，碳在不锈钢中的作用是互相矛盾的。

认识了这一影响的规律，我们就可以从不同的使用要求出发，选择不同含碳量的不锈钢。例如工业中应用最广泛的，也是最起码的不锈钢——0Crl3～4Cr13这五个钢号的标准含铬量规定为12～14％，就是把碳要与铬形成碳化铬的因素考虑进去以后才决定的，目的即在于使碳与铬结合成碳化铬以后，固溶体中的含铬量不致低于11.7％这一最低限度的含铬量。就这五个钢号来说由于含碳量不同，强度与耐腐蚀性能也是有区别的，0Cr13～2Crl3钢的耐腐蚀性较好但强度低于3Crl3和4Cr13钢，多用于制造结构零件，后两个钢号由于含碳较高而可获得高的强度多用于制造弹簧、刀具等要求高强度及耐磨的零件。又如为了克服18－8铬镍不锈钢的晶间腐蚀，可以将钢的含碳量降至0.03％以下，或者加入比铬和碳亲和力更大的元素（钛或铌），使之不形成碳化铬，再如当高硬度与耐磨性成为主要要求时，我们可以在增加钢的含碳量的同时适当地提高含铬量，做到既满足硬度与耐磨性的要求，又兼顾—定的耐腐蚀功能，工业上用作轴承、量具与刃具有不锈钢9Cr18和9Cr17MoVCo钢，含碳量虽高达0.85～0.95％，由于它们的含铬量也相应地提高了，所以仍保证了耐腐蚀的要求。

总的来讲，目前工业中获得应用的不锈钢的含碳量都是比较低的，大多数不锈钢的含碳量在0.1～0.4％之间，耐酸钢则以含碳0.1～0.2％的居多。含碳量大于0.4％的不锈钢仅占钢号总数的一小部分，这是因为在大多数使用条件下，不锈钢总是以耐腐蚀为主要目的。此外，较低的含碳量也是出于某些工艺上的要求，如易于焊接及冷变形等。

4. 钼

钼可提高钝化膜的强度，增强耐点蚀和耐缝隙腐蚀等局部腐蚀的抵抗能力，特别是在卤盐或海水中

有氯离子存在的情况下。钼也可提高对氯化物应力腐蚀裂纹的抵抗能力。利用固溶强化的方法钼可提高奥氏体牌号的高温强度和马氏体牌号的抗回火能力。

钼能提高不锈钢的钝化能力，扩大不锈钢的钝化介质（热硫酸、稀盐酸、磷酸及有机酸等）范围。不锈钢中加入钼，可形成含钼的氧化膜，该氧化膜具有更高的稳定性，在许多强氧化介质中都不易溶解。它可以防止卤族元素离子对氧化膜的破坏。因Cl－1半径很小，可穿透不够致密的氧化膜，与钢起作用，生成可溶的腐蚀产物，在局部区域形成点腐蚀。

5. 锰和氮

锰对于奥氏体的作用与镍相似。但说得确切一些，锰的作用不在于形成奥氏体，而是在于它降低钢的临界淬火速度，在冷却时增加奥氏体的稳定性，抑制奥氏体的分解，使高温下形成的奥氏体得以保持到常温。在提高钢的耐腐蚀性能方面，锰的作用不大，如钢中的含锰量从0到10．4%变化，也不使钢在空气与酸中的耐腐蚀性能发生明显的改变。这是因为锰对提高铁基固溶体的电极电位的作用不大，形成的氧化膜的防护作用也很低，所以工业上虽有以锰合金化的奥氏体钢（如40Mn18Cr4,50Mn18Cr4WN、ZGMn13钢等），但它们不能作为不锈钢使用。锰可提高铬不锈钢在有机酸（醋酸、甲酸、乙醇酸）中的耐腐蚀性，促使铬不锈钢达到钝化状态。锰也能提高钢的强度。

氮在钢中稳定奥氏体的作用约为镍的二分之一，即2％的氮在钢中的作用也是稳定奥氏体，并且作用的程度比镍还要大。例如，欲使含18％铬的钢在常温下获得奥氏体组织，以锰和氮代镍的低镍不锈钢与元镍的铬锰氮不诱钢，目前已在工业中获得应用，有的已成功地代替了经典的18-8铬镍不锈钢。渗氮可补偿低碳不锈钢强度的降低，提高所用温度下超低碳不锈钢的强度。渗氮量在0.1～0.25％，超过0.25％，可能会引起气孔、氮化物析出等问题。氮也可增加金相的稳定性，增加不锈钢的惰性，强化添加Cr、Mo元素的抗腐蚀效果。在奥氏体及双相不锈钢中可增强耐点蚀、缝隙腐蚀和抗氯离子腐蚀的能力，并减少金属间相（б）在高温或焊接时析出的机会。金属间相是指由钢中的两种或两种以上的金属元素构成的金属间化合物。凡以元素周期表中过渡族元素（锰、铁、钴和镍等）为基体，含有A副族元素（钛、钒和铬等）的合金系在适合生成的条件下都能形成一系列金属间相。

4.其它元素

硅是一个铁素体形成元素；碳、氮、锰、铜和钴的作用和镍一样可以可促进奥氏体的形成。有时候对冶炼过程这些元素必然会出现并不是不可避免的，但是有时为了改善特殊性能它们是有意加入的。

碳和氮是间隙合金化元素，它们可提高室温和高温下的机械性能。此种改善也会导致屈服强度、拉伸强度和蠕变断裂值的提高。在奥氏体和双相不锈钢中，氮可提高抗点蚀能力并减少金属间相（б）在高温或焊接时析出的机会。

硫、晒和铅可改善机械切削加工性能，但是有降低苛刻条件下耐腐蚀能力的趋向。

钛和铌能优先与碳和氮结合形成碳化物和氮化物。这样就可以改善高温强度性能并阻止铬的碳化物的形成。如果形成铬的碳化物，则会在晶界附近形成贫铬区并使之对晶间腐蚀十分敏感。为了使加入的元素对稳定化不锈钢产生最大的效果，需要进行特殊的热处理。在ASTM技术规范中包括了该种热处理，它是作为一种补充要求加以规定的。铌对高温蠕变断裂强度也会有一些帮助。

硅和铝可改善抗氧化性能。铜的加入可以提高对稀酸的抗酸能力，特别是对硫酸。铜的大量加入（3-4%）可生成一种具有低加工硬化率的合金，而且易于成形，如紧固件的冷顶锻工序。

铜可提高对稀酸特别是硫酸的抗酸能力；加入3～4％的铜具有较低的加工硬化氯，易于成形，析出的铜离子还有杀菌作用。硫、硅和铅可改善机械切削性能，但会降低耐腐蚀能力。

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。

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。加微量的硼（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。

稀土元素如铈、镱和镧的加入可提高抗氧化性能并且使之用较低含量的铬和镍即可获得与合金化元素含量较高的合金相似的抗氧化性能。稀土元素应用于不锈钢，目前主要在于改善工艺性能方面。如向Crl7Ti钢和Cr17Mo2Ti钢中加少量的稀土元素，可以消除钢锭中因氢气引起的气泡和减少钢坯中的裂纹。奥氏体和奥氏体－铁素体不锈钢中加0．02～0．5％的稀土元素（铈镧合金），可显著改善锻造性能。曾有一种含19．5%铬、23％镍以及钼铜锰的奥氏体钢，由于热加工工艺性能在过去只能生产铸件，加稀土元素后则可轧制成各种型材。

Nｉ、Mｎ、Cｏ、C、N、Cｕ等元素与Fｅ相互作用能扩大γ区，是奥氏体形成元素；而Cｒ、V、Mｏ、W、Tｉ、Aｌ、Sｉ、Nｂ、Tａ、Zｒ等元素与Fｅ相互作用能缩小γ区，是铁素体形成元素。