寶鋼不銹鋼分公司海外培訓(xùn)教材

第一章 不銹鋼基礎(chǔ)知識(shí)不銹鋼是建筑、家電、石油、化工、化肥、合成纖維和石油提煉等工業(yè)部門中廣泛使用的金屬材料。通常所說(shuō)的不銹鋼是不銹鋼與耐酸鋼的總稱。不銹鋼不一定耐酸，但耐酸鋼同時(shí)又是不銹鋼。當(dāng)鋼中鉻含量在10.5%以上時(shí)，鋼的表面在大氣中會(huì)形成一層致密的氧化鉻，使鋼具有了防銹性，能防止鋼的基體進(jìn)一步氧化，起到了對(duì)鋼基體的保護(hù)作用。鉻含量大于10.5%以上的鋼稱為不銹鋼。在同一介質(zhì)中,不同種類的不銹鋼腐蝕速度大不相同，而同一種不銹鋼在不同的介質(zhì)中腐蝕行為也大不一樣。因此掌握各類不銹鋼的特點(diǎn)，對(duì)于正確選擇和使用不銹鋼是很重要的。不銹鋼不僅要耐蝕，還要具有較好的力學(xué)性能、良好的切削加工性能和焊接性能。到目前為止，不銹鋼已發(fā)展到了近200個(gè)鋼種，性能不同，生產(chǎn)工藝各異。不銹鋼良好的耐蝕性，較低的維護(hù)成本，優(yōu)良的外觀，使其在化工、食品、石油、建筑、電器工程、裝飾、核工業(yè)等領(lǐng)域廣泛得到應(yīng)用。目前全世界年產(chǎn)不銹鋼在2400萬(wàn)t左右。每年不銹鋼的需求量還以6%的比率增長(zhǎng)，而中國(guó)需求量在以每年8%以上的速度增長(zhǎng)，高于世界平均增長(zhǎng)率。1.1金屬腐蝕機(jī)理1.1.1腐蝕過(guò)程在外界介質(zhì)的作用下使金屬逐漸受到破壞的現(xiàn)象稱為腐蝕。腐蝕基本上有兩種形式：化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕在腐蝕過(guò)程中形成某種腐蝕產(chǎn)物。這種腐蝕產(chǎn)物一般都覆蓋在金屬表面上形成一層膜，使金屬與介質(zhì)隔離開(kāi)來(lái)。如果這層化學(xué)生成物是穩(wěn)定、致密、完整并同金屬表層牢固結(jié)合的，則將大大減輕甚至可以防止腐蝕的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)金屬起保護(hù)作用。形成保護(hù)膜的過(guò)程稱為鈍化?？梢?jiàn)，氧化膜的產(chǎn)生及氧化膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是化學(xué)腐蝕的重要特征。因此，提高金屬耐化學(xué)腐蝕的能力，主要是通過(guò)合金化或其它方法，在金屬表面形成一層穩(wěn)定的、完整致密的并與基體結(jié)合牢固的氧化膜。1.1.2腐蝕類型金屬材料在工業(yè)生產(chǎn)中的腐蝕失效形式是多種多樣的。不同材料在不同負(fù)荷及不同介質(zhì)環(huán)境的作用下，其腐蝕形式主要有以下幾類：一般腐蝕：金屬裸露表面發(fā)生大面積的較為均勻的腐蝕，雖降低構(gòu)件受力有效面積及其使用壽命，但比局部腐蝕的危害性小。晶間腐蝕：指沿晶界進(jìn)行的腐蝕，使晶粒的連接遭到破壞。這種腐蝕的危害性最大，它可以使合金變脆或喪失強(qiáng)度，敲擊時(shí)失去金屬聲響，易造成突然事故。晶間腐蝕為奧氏體不銹鋼的主要腐蝕形式。應(yīng)力腐蝕：金屬在腐蝕介質(zhì)及拉應(yīng)力（外加應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力）的共同作用下產(chǎn)生破裂現(xiàn)象。斷裂方式主要是沿晶的、也有穿晶的，這是一種危險(xiǎn)的低應(yīng)力脆性斷裂，在氯化和堿性氧化物或其它水溶性介質(zhì)中常發(fā)生應(yīng)力腐蝕，在許多設(shè)備的事故中占相當(dāng)大的比例。點(diǎn)腐蝕：點(diǎn)腐蝕是發(fā)生在金屬表面局部區(qū)域的一種腐蝕破壞形式，點(diǎn)腐蝕形成后能迅速地向深處發(fā)展，最后穿透金屬。點(diǎn)腐蝕危害性很大，尤其是對(duì)各種容器是極為不利的。出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕后應(yīng)及時(shí)磨光或涂漆，以避免腐蝕加深。腐蝕疲勞：金屬在腐蝕介質(zhì)及交變應(yīng)力作用下發(fā)生的破壞，其特點(diǎn)是產(chǎn)生腐蝕坑和大量裂紋。顯著降低鋼的疲勞強(qiáng)度，導(dǎo)致過(guò)早斷裂。腐蝕疲勞不同于機(jī)械疲勞，它沒(méi)有一定的疲勞極限，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞強(qiáng)度一直是下降的。除了上述各種腐蝕形式以外，還有由于宏觀電池作用而產(chǎn)生的腐蝕。從上述腐蝕機(jī)理可見(jiàn)，防止腐蝕的著眼點(diǎn)應(yīng)放在：盡可能減少原電池?cái)?shù)量，使鋼的表面形成一層穩(wěn)定的、完整的、與鋼的基體結(jié)合牢固的鈍化膜；在形成原電池的情況下，盡可能減少兩極間的電極電位差。1.1.3不銹鋼的合金化原理提高鋼耐蝕性的方法很多，如表面鍍一層耐蝕金屬、涂敷非金屬層、電化學(xué)保護(hù)和改變腐蝕環(huán)境介質(zhì)等。但是利用合金化方法 ，提高材料本身的耐蝕性是最有效防止腐蝕破壞的措施之一，其方法如下；（1）加入合金元素，提高鋼基體的電極電位，從而提高鋼的抗電化學(xué)腐蝕能力。一般往鋼中加入Cr、Ni、Si等元素均能提高其電極電位。由于Ni資源較缺，Si的大量加入會(huì)使鋼變脆，因此，只有Cr才是顯著提高鋼基體電極電位常用的元素。（2）加入合金元素使鋼的表面形成一層穩(wěn)定的、完整的與鋼的基體結(jié)合牢固的鈍化膜。從而提高鋼的耐化學(xué)腐蝕能力。如在鋼中加入 Cr、Si、Al等合金元素 ，使鋼的表層形成致密的Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜 ，就可提高鋼的耐蝕性。（3）加入合金元素使鋼在常溫時(shí)能以單相狀態(tài)存在，減少微電池?cái)?shù)目從而提高鋼的耐蝕性。如加入足夠數(shù)量的Cr或CrNi，使鋼在室溫下獲得單相鐵素體或單相奧氏體。（4）加入Mo、Cu等元素，提高鋼抗非氧化性酸腐蝕的能力。（5）加入Ti、Nb等元素，消除Cr的晶間偏析，從而減輕了晶間腐蝕傾向。（6）加入Mn、N等元素，代替部分Ni獲得單相奧氏體組織，同時(shí)能大大提高鉻不銹鋼在有機(jī)酸中的耐蝕性。1.2 不銹鋼的種類和特點(diǎn)不銹鋼有兩種分類法：一種是按合金元素的特點(diǎn)，劃分為鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼；另一種是按在正火狀態(tài)下鋼的組織狀態(tài)，劃分為馬氏體（M）不銹鋼、鐵素體（F）不銹鋼、奧氏體（A）不銹鋼和雙相（奧氏體A -鐵素體F）不銹鋼。1.2.1馬氏體不銹鋼及其特點(diǎn)經(jīng)熱處理后可以硬化，有磁性。在溫和的環(huán)境下抗腐蝕。具有相當(dāng)好的彈性。410鋼是馬氏體不銹鋼的常用鋼種。馬氏體不銹鋼含有多于10.5%的鉻，在高溫下具有奧氏體組織，在合適的冷卻速度下，冷卻到室溫可以轉(zhuǎn)變成馬氏體。馬氏體不銹鋼鋼種演變見(jiàn)圖1。典型的馬氏體不銹鋼鋼號(hào)有410、420（1Cr134Cr13）和440（9Cr18）等410鋼加工工藝性能良好?？刹唤?jīng)預(yù)熱進(jìn)行深沖、彎曲、卷邊及焊接。420冷變形前不要求預(yù)熱，但焊接前需預(yù)熱，410、420J1主要用來(lái)制作耐蝕結(jié)構(gòu)件如汽輪機(jī)葉片等，而420J2主要用來(lái)制作醫(yī)療器械外科手術(shù)刀及耐磨零件；440可做耐蝕軸承及刀具。馬氏體不銹鋼化學(xué)成分見(jiàn)表1-1。表1-1 馬氏體不銹鋼的化學(xué)成分/%鋼種CrCMnSiPS其 它403410414416416Se420420F422431440A440B440F11.51311.513.511.513.512141214121412141113151716181618170.150.150.150.150.150.15最小0.380.200.250.200.600.750.750.951.01.01.01.01.251.251.01.251.01.01.01.00.40.51.01.01.01.01.01.00.751.01.01.00.40.0400.0400.0400.0600.0600.0400.0600.0250.0400.0400.0400.040.0300.0300.0300.15最小0.0600.030 0.15選擇0.0250.0300.0300.030S0.08或Se0.18Ni1.25-2.50Mo0.60選擇Se 0.15最小Mo 0.60選擇Ni0.51.0,Ni1.252.50Mo0.75Mo0.751.2.2鐵素體不銹鋼及其特點(diǎn)鐵素體不銹鋼的含Cr量一般為10.530，碳含量低于0.25%（見(jiàn)表2）。有時(shí)還加入其它合金元素。金相組織主要是鐵素體，加熱及冷卻過(guò)程中沒(méi)有轉(zhuǎn)變，不能用熱處理進(jìn)行強(qiáng)化，只是經(jīng)冷加工后有一些硬化。抗氧化性強(qiáng)，加入合金元素可在有機(jī)酸及 含Cl-的介質(zhì)中有較強(qiáng)的抗蝕。同時(shí)，它還具有良好的熱加工性及一定的冷加工性。鐵素體不銹鋼主要用來(lái)制作要求有較高的耐蝕性而強(qiáng)度要求較低的構(gòu)件，廣泛用于制造生產(chǎn)硝酸、氮肥等設(shè)備和化工使用的管道等。430鋼是鐵素體不銹鋼的代表性鋼種。典型的鐵素體不銹鋼有Crl7型、Cr25型和Cr28型。 鐵素體不銹鋼的鋼種演變見(jiàn)圖1-2。鐵素體不銹鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1-2。表1-2 鐵素體不銹鋼的化學(xué)成分/%鋼種CMnPSSiCr其它409405429430430F430FSe4344364424460.080.080.120.120.120.120.120.120.200.201.001.001.001.001.251.251.001.001.001.500.0450.0400.0400.0400.0600.0600.0400.0400.0400.0400.0450.0300.0300.0300.150.0600.0300.0300.0300.0301.001.001.001.001.001.001.001.001.001.0010.5/11.7511.5/14.514.0/16.016.0/18.016.0/18.016.0/18.016.0/18.016.0/18.018.0/23.023.0/27.0Ti6*C/0.75Al0.10/0.30Mo0.6Se0.15最小Mo0.75/1.25Mo0.75/1.20.5*C/0.70Nb0.25N1.2.3奧氏體不銹鋼及其特點(diǎn)奧氏體不銹鋼是克服馬氏體不銹鋼耐蝕性不足和鐵素體不銹鋼脆性過(guò)大而發(fā)展起來(lái)的（見(jiàn)表1-3）?；境煞譃閘8Cr、8Ni簡(jiǎn)稱188鋼。其特點(diǎn)是含碳量低于0.1，利用Cr、Ni配合獲得單相奧氏體組織。奧氏體不銹鋼有很多共性。能夠冷加工硬化，但不能熱處理硬化，無(wú)磁性。雖然有些經(jīng)冷加工后有輕微的磁性，但是經(jīng)退火后磁性消失。有很好的耐蝕性，極好的成形性，而且經(jīng)過(guò)冷加工后能增加強(qiáng)度。表1-3 奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分/%鋼種CrNiCMnSiPS其 它301304304L309S310S316L32116-1818-2018-2022-2424-2616-1817-196-88-10.58-1212-1519-2210-149-120.150.080.030.080.080.030.082.02.02.02.02.02.02.01.01.01.01.01.51.01.00.0450.0450.0450.0450.0450.0450.0450.0300.0300.0300.0300.0300.030.03Mo2.0-3.0Ti 5*C奧氏體不銹鋼一般用于制造生產(chǎn)硝酸、硫酸等化工設(shè)備構(gòu)件、冷凍工業(yè)低溫設(shè)備構(gòu)件及經(jīng)形變強(qiáng)化后可用作不銹鋼彈簧和鐘表發(fā)條等。1.3不銹鋼在各領(lǐng)域的應(yīng)用1.3.1不銹鋼主要用于廚房、家電、運(yùn)輸、建筑、土木各領(lǐng)域在廚房器具方面主要有水洗槽和電氣、煤氣熱水器，家電產(chǎn)品主要有全自動(dòng)洗衣機(jī)的滾筒。從節(jié)能和再循環(huán)等環(huán)保的觀點(diǎn)看，不銹鋼的需求有望進(jìn)一步擴(kuò)大。在運(yùn)輸領(lǐng)域主要有鐵道車輛和汽車的排氣系統(tǒng)，這是不銹鋼最大的應(yīng)用領(lǐng)域。從上世紀(jì)80年代以后，鐵路運(yùn)輸車輛和客車車輛開(kāi)始批量使用不銹鋼制造，提升了運(yùn)輸車輛和客車車輛的壽命周期，降低了使用成本，提高了運(yùn)輸效率。近年來(lái)隨著城市軌道交通的發(fā)展，從安全、經(jīng)濟(jì)方面的考慮，不銹鋼車輛的使用在不斷增加。在建筑領(lǐng)域，最近的需求急劇增長(zhǎng)，如：新加坡地鐵車站的防護(hù)裝置，使用了不銹鋼外裝飾材。再如日本1980年以后，用于建筑業(yè)的不銹鋼增長(zhǎng)了約4倍，主要用作屋頂、大樓內(nèi)外裝飾和結(jié)構(gòu)材。在土木領(lǐng)域，日本的水壩吸水塔使用不銹鋼。歐美的寒冷地區(qū)，為防止高速公路和橋梁的凍結(jié)需撒鹽，使用不銹鋼鋼筋。今后不銹鋼在該領(lǐng)域的市場(chǎng)將有所作為。1.3.2今后擴(kuò)大不銹鋼應(yīng)用的關(guān)鍵是環(huán)保、長(zhǎng)壽命和IT的普及關(guān)于環(huán)保方面，首先從大氣環(huán)保的觀點(diǎn)看，用于抑制二噁英發(fā)生的高溫垃圾焚燒裝置、LNG發(fā)電裝置和使用煤的高效發(fā)電裝置的耐熱、耐高溫腐蝕不銹鋼的需求將擴(kuò)大。還有估計(jì)在21世紀(jì)初將投入實(shí)際應(yīng)用的燃料電池汽車的電池殼也將使用不銹鋼。從水質(zhì)環(huán)保的觀點(diǎn)看，在給水、排水處理裝置中，具有優(yōu)異耐蝕性的不銹鋼也將擴(kuò)大需求。關(guān)于長(zhǎng)壽命，在歐洲已有的橋梁、高速公路、隧道等設(shè)施中，不銹鋼的應(yīng)用在增加，預(yù)計(jì)這種潮流將遍及全世界。還有日本一般住宅建筑的壽命特別短為2030年，廢材處理成為一大問(wèn)題。最近以壽命達(dá)到100年為目標(biāo)的建筑物開(kāi)始出現(xiàn)，這樣具有優(yōu)異耐久性的材料需求將增長(zhǎng)。隨著IT的迅速發(fā)展，在IT的發(fā)展和普及過(guò)程中，功能材料在設(shè)備硬件方面起很大的作用，對(duì)高精密度、高功能材料的要求非常大。如：在手機(jī)和微機(jī)部件中，靈活應(yīng)用了不銹鋼的高強(qiáng)度、彈性和非磁性等特性，使得不銹鋼的應(yīng)用擴(kuò)大。還有在半導(dǎo)體和各種基板的制造設(shè)備中，具有良好清潔度和耐久性的不銹鋼發(fā)揮了重要作用。不銹鋼具有多種其它金屬?zèng)]有的優(yōu)異性能，是一種具有優(yōu)異耐久性和再循環(huán)性的材料，今后對(duì)應(yīng)時(shí)代的變化，不銹鋼將廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。第二章 不銹鋼金相組織及熱處理2.1 奧氏體形成元素和鐵素體形成元素不銹鋼的組成元素按照其對(duì)組織的形成影響,分成鐵素體形成元素和奧氏體形成元素。鐵素體形成元素在相圖中有擴(kuò)大鐵素體區(qū)的作用，如鉻、鉬、硅、鈦、鈮等；奧氏體形成元素有擴(kuò)大奧氏體區(qū)的作用,如碳、鎳、錳、鈷、氮、銅等。在不銹鋼的熱加工和使用性能方面可以通過(guò)控制鐵素體形成元素或奧氏體形成元素的含量,達(dá)到改善熱加工性能和使用性能的目的。2.2奧氏體不銹鋼腐蝕機(jī)理2.2.1奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕。奧氏體不銹鋼在450850保溫或緩慢冷卻時(shí)，會(huì)出現(xiàn)晶間腐蝕。含碳量越高，晶間蝕傾向性越大。此外，在焊接件的熱影響區(qū)也會(huì)出現(xiàn)晶間腐蝕。這是由于在晶界上析出富Cr的Cr23C6。使其周圍基體產(chǎn)生貧鉻區(qū)，從而形成腐蝕原電池而造成的。這種晶間腐蝕現(xiàn)象在前面提到的鐵素體不銹鋼中也是存在的。工程上常采用以下幾種方法防止晶間腐蝕：（1）降低鋼中的碳含量，從根本上解決鉻的碳化物（Cr23C6）在晶界上析出的問(wèn)題。通常鋼中含碳量降至0.03以下即可滿足抗晶間腐蝕性能的要求。（2）加入Ti、Nb，形成穩(wěn)定的碳化物（TiC或NbC），避免在晶界上析出Cr23C6。（3）通過(guò)調(diào)整鋼中奧氏體形成元素與鐵素體形成元素的比例，使其具有奧氏體+鐵素體雙相組織，其中鐵素體占512。這種雙相組織不易產(chǎn)生晶間腐蝕。（4）采用適當(dāng)熱處理工藝，可以防止晶間腐蝕，獲得最佳的耐蝕性。2.2.2奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕應(yīng)力（主要是拉應(yīng)力）與腐蝕的綜合作用所引起的開(kāi)裂稱為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，簡(jiǎn)稱SCC（Stress Crack Corrosion）。奧氏體不銹鋼容易在含氯離子的腐蝕介質(zhì)中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。當(dāng)含Ni量達(dá)到810時(shí)，奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕傾向性最大，繼續(xù)增加Ni含量至4550，應(yīng)力腐蝕傾向逐漸減小，直至消失。防止奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的最主要途徑是加入24 Si并從冶煉上將N含量控制在0.04以下。此外還應(yīng)盡量減少P、Sb、Bi、As等雜質(zhì)的含量。另外可選用A-F雙相鋼，它在Cl-和OH-介質(zhì)中對(duì)應(yīng)力腐蝕不敏感。2.3奧氏體不銹鋼的形變強(qiáng)化單相的奧氏體不銹鋼具有良好的冷變形性能，可以冷拔成很細(xì)的鋼絲，冷軋成很薄的鋼帶或鋼管。經(jīng)過(guò)大量變形后，鋼的強(qiáng)度大大提高，尤其是在零下溫度區(qū)間軋制時(shí)效果更為顯著。抗拉強(qiáng)度可達(dá)