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1、化工设备用高合金钢在合金钢中,不锈钢是类型全、强度范围广、用途多的高合金钢,不锈钢可分为铁素体、马氏体、奥氏体三大类,及沉淀硬化型等类型.不锈钢的含碳量从小于0.03%的超低碳到大于1%的高碳范围变化.由于可以综合运用各种强化机理,不锈钢的强度可达到超高强度.不锈钢的用途很广,既是耐蚀材料,又是耐热材料,还可以作为低温材料,无磁材料,耐磨材料来应用.不锈钢的共性是具有不锈性.我国现行的不锈钢,耐热钢标准系列基本上参照日本JIS的标准系列.绝大部分钢号和世界各国相一致,与各国的相应钢号相互代用比致容易.不锈钢的质量、性能除与化学成分和热处理状态密切相关外,与是否精炼关系很大.现在国外90%以上的
2、不锈钢都采用炉外精炼技术,主要是氩氧脱碳精炼法(AOD)和真空脱碳精炼法(VOD),可以用较低的成本降低钢中的夹杂,如碳,硫,磷,氧等,可明显提高钢的纯净度,大大提高钢的耐腐蚀性能,尤其是提高耐局部腐蚀性能.我国过去不锈钢,耐热钢主要靠电弧炉来冶炼,质量较低.20世纪80年代以来,国内的主要特钢厂都建立了AOD和VOD炉,采用炉外精炼.因此我国现在的不锈钢,耐热钢的内在质量和性能与国际水平基本上是一对致的.化工设备用钢,尤其是承压元件的用钢应有较大的塑性储备,较高的韧性,较好的成形性能和焊接性能.化工厂设备大多数场合中都采用奥氏体不锈钢. 不锈钢的发展与分类 一、不锈钢的发展在优质低合金钢的基
3、础上加入总量12%以上的铬元素,则成为不锈钢.较多含量合金元素的加入提高钢的整体热力学稳定性,使钢呈现电化学性能稳定的组织,使钢在腐蚀性介质中呈现稳定的钝态或表面生成致密的保护膜等,都能大大地提高钢的耐腐蚀性能.这类高合金钢称为耐蚀高合金钢,耐蚀高合金钢包括不锈钢以及耐酸钢.通常把能够耐大气,水蒸气或淡水等弱腐蚀性介质腐蚀的含12%-14%铬的钢称为不锈钢;把能够抗酸、碱、盐等化学浸蚀性强的介质腐蚀的含铬16%-18%以及更多的钢称为耐酸钢.两种钢的耐蚀性有差别,不锈钢不耐酸,而耐酸钢一般具有不锈性,但在习惯上仍将它们统称不锈钢.二、不锈钢的分类和合金化原理(一) 不锈钢的分类不锈钢中基本合金
4、元素是Cr或Cr,Ni,分别构成Cr系以及Cr-Ni不锈钢.耐蚀高合金钢的分类方法很多,通常按钢的组织结构分为铁素体钢,马氏体钢,奥氏体钢以及奥氏体铁素体双相钢;按钢的主要化学成分或钢中一些特征元素分为铬钢,铬钼钢,铬镍钢,铬镍钼钢,铬锰氮钢或低碳级,超低碳级以及超纯级耐蚀高合金钢;按钢的耐蚀性能分为不锈钢以及耐酸钢两大类,每类钢中又按耐硝酸(腐蚀)钢,耐硫酸(腐蚀)钢,耐海水腐蚀不锈钢,耐孔蚀不锈钢,耐应力腐蚀不锈钢等.目前工程上使用较普遍的是按钢的化学成分与组织结构特点结合起来的分类方法.不锈耐酸钢的合金元素就其对基体组织结构的影响可分为两类:一类是扩大奥氏体相区的元素,如Ni,Mn,Co
5、,C,N,Cu等;另一类是缩小奥氏体相区的元素,如Cr,V,Mo,W,Ti,Si,Al,Nb等.当这两类作用不同的元素同时存在不锈钢中时,不锈钢的组织就取决于它们互相作用的结果.当形成铁素体的元素在钢中占优势时,钢的基体组织就是铁素体;如稳定奥氏体的元素在钢中站优势时,则钢的组织为奥氏体;如果稳定奥氏体的元素其作用程度还不足以使钢的马氏体转变点(Ms)降至室温以下,则自高温冷却的奥氏体在高于室温即转变为马氏体,这样钢的基体组织就是马氏体. 马氏体钢. 耐蚀高合金马氏体钢是指室温下具有马氏体组织的铬不锈钢,其代表性的钢种是含铬13%与碳量超过0.1%的钢,如1Cr13,2Cr13,3Cr13,4
6、Cr13等.马氏体不锈钢是可以通过热处理对其性能进行调整(可硬化)的不锈钢.为了获得较好的综合性能,一般马氏体钢常用的热处理规范是正火和回火.此类钢在大气中具有优良的耐均匀腐蚀性能,在室温下,对弱腐蚀性质也有较好的耐蚀性.钢的耐蚀性随碳含量的增加而降低,但钢的强度,硬度以及耐磨性随之增高. 铁素体钢. 耐蚀高合金铁素体钢是指室温下具有铁素体组织的铬不锈钢,其代表性的钢种有0Cr13,1Cr17以及含铬为25%-30%的钢.此类钢在退火或正火状态下使用.当钢中含铬量增加,耐蚀性提高,含铬量为17%-25%的铁素体不锈钢在氧化性介质中,尤其硝酸溶液中具有很高的耐蚀性,高铬铁素体钢对应力腐蚀敏感性低
7、,加钼的高铬铁素体钢可显著提高耐点蚀性能. 奥氏体钢.耐蚀高合金奥氏体钢是指室温下具有奥氏体组织的铬镍钢以及铬锰氮钢,主要是铬镍奥氏体钢.由于高铬镍奥氏体钢具有优良的耐蚀性能,高温与低温强度都能满足设计需要,韧性与塑性配合良好,加工工艺性能好,是耐蚀钢材中综合性能最好的一类钢,所以得到广泛的应有.同时通过合金化途径发展了高铬镍奥氏体钢的系列.如加钼的0Cr17Ni12Mo2,00Cr17Ni14Mo2;加入其他合金元素的有:0Cr18Ni10Ti,0Cr18Ni10Nb,0Cr17Ni13Mo3Cu2等.这种在不锈钢应用中占60%以上.只含CrNi的奥氏体不锈钢在氧化性腐蚀介质中满意的耐蚀性能
8、.如添加MO,CU等元素的CrNi奥氏体不锈钢在还原性腐蚀介质中耐蚀性能较优.近来又发展了一类高钼(含钼量约6%)含氮(含氮量为0.20%-0.40%)的铬镍奥氏体不锈钢,通常称为超级奥氏体不锈钢,除了在还原性介质中具有优异的耐蚀性外,并有好的抗应力腐蚀,点腐蚀与缝隙腐蚀的能力,其代表性钢号:含碳量低于0.020%的00Cr20Ni18Mo6N(美国钢号UNSS31254)以及000Cr24Ni22Mo6N(美国钢号) UNSS31266等. 奥氏体-铁素体双相钢.针对奥氏体不锈钢抗应力腐蚀,点腐蚀以及晶间腐蚀能力低的缺点,发展了奥氏体铁素体双相钢,奥氏体-铁素体双相钢不仅有好的耐腐蚀性能,并
9、降低了镍含量,具有比奥氏体不锈钢高得多的强度.铁素体含铬量高,容易补充晶界形成高铬碳化物所产生的贫铬,铁素体能阻隔奥氏体晶界贫铬连续成网与深入发展,因而提高了双相钢抗晶间腐蚀性能;双相钢往往加入了钼,氮等合金元素,与高的含铬量配合,对提高耐用消费品点蚀性能是最有效的.双相钢优越的耐应力腐蚀性能一般认为是裂纹起源于奥氏体,由于铁素体的阻止作用,裂纹扩展阻力增大.目前较普遍使用的奥氏体铁素体双相不锈钢有Cr22Ni5MoN型与Cr25Ni7MoN型两种. 第二各型不锈钢的力学性能退火态铁素体不锈钢的力学性能(GB3280-1992)序号牌号拉伸试验硬度试验屈服强度0.2MPa抗拉强度bMPa伸长率
10、5MPaHBHRBHV10Cr13AL1754102018388200200Cr12190365221838820031Cr15205450221838820041Cr172054502218388200500Cr17175365221838820061Cr17Mo2054502218388200700Cr17Mo2454102021796230800Cr18Mo22454102021796230900Cr30Mo229545022209952201000Cr27Mo2454102219090200马氏体不锈钢的力学性能(GB3280-1992,GB1220-1992)序号牌号退火态淬回火0.
11、2,MPab,MPa5,%HB0.2,MPab,MPa5,%,%Ak,JHB11Cr1220544020200390590255511817020Cr1320544020200345490246031Cr132054402018334554025557815942Cr132255201822344063520506319253Cr132255401823554073512402421764Cr1322559015HRC5073Cr16225521824187Cr1724559015225HRC5491Cr17Ni210801028510801039101Cr13Mo20049068520607
12、8192113Cr13Mo207HRC50129Cr18255HRC55139Cr18Mo269HRC55149Cr18MoV269HRC55沉淀硬化不锈钢室温力学性能(GB1220-1992)牌号热处理状态拉伸试验硬度试验0.2,MPab,MPa5,%,%HBHRC0Cr17Ni4Cu4Nb1040固溶36338固溶+480时效11801310104037540固溶+550时效10001060124533135固溶+580时效8651000134530231固溶+620时效7259301650277280Cr17Ni7Al1050固溶830103020229固溶+565时效960114052
13、5363固溶+510时效103012304103880Cr15Ni7Mo2Al1050固溶269固溶+565时效11001210725375固溶+510时效12101320620388下表用于防止湿腐蚀用途的主要高合金奥氏体不锈钢的化学成分,%合金ASTMEN铬镍钼铜氮其他合金202.46606020302.53.5-B6或904LN089041.453920254.51.5-317LMNS317L1.443917144-0.15-Sanicro 281.456327313.51-AL-6X-20256-254 SMOS312541.454720186.10.70.2-SX-17.52012-
14、5硅934 LN-20154.5-0.410锰654 SMOS326541.465224227.30.50.53锰欧洲统一标准.为阿维斯塔谢菲尔德有限公司拥有的商标.为山特维克钢铁有限公司的商标.下表20温度下高合金奥氏体不锈钢的力学性能合金钢种牌号氮含量,%屈服强度Rp0.2,MPa抗拉强度Rm,MPa伸长率5,%ASTMEN316L316L1.44040.0622052045904LN080941.45390.0622052035317 LMN317LMN1.44390.1527058040254 SMOS312541.45470.2030065040654 SMOS326541.4652
15、0.5043075040下表高温下高合金奥氏体不锈钢的屈服强度(Rp0.2,Mpa)合金ASTMEN氮含量,%100200400316L316L1.44040.06166137108904LN080941.45390.06205175125317 LMN317LMN1.44390.15225185150254 SMOS312541.45470.20230190160654 SMOS326541.46520.50350315295下表一些不锈钢与一种镍基合金的物理性能合金钢种牌号密度Kg/dm3弹性模量,103MPa热膨胀系数,10-6-1热导率,W/(m.)ASTMEN2040020400204002205S318031.44627.820017213.014.515203043041.43017.920017216.017.51520254 SMOS312541.45478.019516616.518.01418合金钢625N102762.48568.420018012.013.51016