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1、第五章第五章 不锈耐酸钢不锈耐酸钢 主要主要内内容容 耐蚀性耐蚀性?成分？合金化？成分？合金化？组织？组织？环境（介质）？环境（介质）？不锈钢钢种如何选择？不锈钢钢种如何选择？5.1 5.1 钢的耐蚀性钢的耐蚀性1.1.化学腐蚀化学腐蚀2.2.电化学腐蚀电化学腐蚀v提高钢耐腐蚀性能的途径主要有：提高钢耐腐蚀性能的途径主要有：（1）形成稳定保护膜，）形成稳定保护膜，Cr、Al、Si有效。有效。（2）固溶体电极电位或形成稳定钝化区固溶体电极电位或形成稳定钝化区Cr、Ni、Si：Ni贵而紧缺，贵而紧缺，Si易使钢脆化，易使钢脆化，Cr是理想的。是理想的。（3）获得单相组织）获得单相组织 Ni、Mn
2、单相奥氏单相奥氏体组织。体组织。（4）机械保护措施或复盖层，如电镀、发）机械保护措施或复盖层，如电镀、发兰、涂漆等方法。兰、涂漆等方法。3.3.阳极极化阳极极化l引起阳极电位由负向正方向升高，这种现象称为引起阳极电位由负向正方向升高，这种现象称为阳极极阳极极化化.l主要是由于阳极表面形成主要是由于阳极表面形成保护膜保护膜，阻碍阳极金属离子进，阻碍阳极金属离子进入溶液，降低了阳极表面电荷密度。入溶液，降低了阳极表面电荷密度。4.4.钝化钝化l钢表面由于形成保护膜钢表面由于形成保护膜,从而引起腐蚀减轻或不腐蚀现象从而引起腐蚀减轻或不腐蚀现象,称为称为钝化钝化现象现象.5.5.阴极极化阴极极化l阴极
3、电位由正向负方向降低称为阴极电位由正向负方向降低称为阴极极化阴极极化.l阴极极化是由于消耗电子的阴极过程的速度低于阳极流阴极极化是由于消耗电子的阴极过程的速度低于阳极流来的电子，造成阴极来的电子，造成阴极电子堆积电子堆积，阴极表面电荷密度升高，阴极表面电荷密度升高，导致阴极电位降低。导致阴极电位降低。图图 具有活化具有活化-钝化转变金属的阳极极化曲线钝化转变金属的阳极极化曲线三个不同的电化学行为区：三个不同的电化学行为区：1 1）活化区（）活化区（A A）2 2）钝化区（）钝化区（P P）3 3）过钝化区（）过钝化区（T T）P P 称为称为初始钝化电位初始钝化电位I IP P 称为称为临界电
4、流临界电流 由于极化作用，阳极电位升高，当阳极达到最大电流由于极化作用，阳极电位升高，当阳极达到最大电流I IP P时，阳极电位为时，阳极电位为 P P ，此时产生了阳极钝化，阳极过程受此时产生了阳极钝化，阳极过程受到了极大的阻滞，电流到了极大的阻滞，电流I IP P突然下降到最小值突然下降到最小值I Iminmin。l在很宽的阳极电极范围内保持在很宽的阳极电极范围内保持I Iminmin的腐蚀电流，此的腐蚀电流，此时阳极处于时阳极处于钝化区钝化区（P P）l阳极电位升高超过阳极电位升高超过 T T后，腐蚀电流又增加，这种后，腐蚀电流又增加，这种现象称为现象称为过钝化过钝化，称为称为过钝化电位
5、过钝化电位(击穿电位击穿电位)l影响阳极和阴极极化曲线相对位置的主要因素有影响阳极和阴极极化曲线相对位置的主要因素有两方面：两方面：1 1）合金的成分；）合金的成分；2 2）介质。）介质。一一个个交交点点A A：稳稳定定的的活活化化区区，A ANi 30倍）；倍）；C 提高，强度提高；但提高，强度提高；但C与与Cr形成碳化物，降低耐蚀性。形成碳化物，降低耐蚀性。一般在不锈钢中一般在不锈钢中C0.4%,多在多在0.1-0.2%。如：。如：2Cr13（0.2%C）;0Cr17Ti（C0.08%）;00Cr18Ni10（C0.03%）只有滚动轴承、弹簧和刃具的不锈钢用高只有滚动轴承、弹簧和刃具的不锈
6、钢用高C：如如 9 Cr18 vMn，N 提高高铬不锈钢在有机酸中的耐蚀性。提高高铬不锈钢在有机酸中的耐蚀性。vMo 提提高高不不锈锈钢钢的的钝钝化化能能力力，扩扩大大其其钝钝化化介介质质范范围围（浓浓硫硫酸酸、稀盐酸、磷酸和有机酸），且能阻止稀盐酸、磷酸和有机酸），且能阻止点腐蚀点腐蚀倾向。倾向。含含Mo的的钝钝化化膜膜：Fe2O3-Cr2O3-MoO3，致致密密，稳稳定定性性好好，能防止能防止Cl-穿透。穿透。vCu 少少量量加加入入可可有有效效地地提提高高不不锈锈钢钢在在硫硫酸酸及及有有机机酸酸中中的的耐耐蚀蚀性。性。vSiSi 提高在盐酸、硫酸和高浓度硝酸中耐蚀性。提高在盐酸、硫酸和高
7、浓度硝酸中耐蚀性。vMo,Cu,Ni,Mo,Cu,Ni,SiSi复合加入复合加入 如在如在Cr18Ni9Cr18Ni9中加入中加入Mo,Cu,NiMo,Cu,Ni后进一步扩大了在硫酸中的后进一步扩大了在硫酸中的耐蚀性和使用温度范围耐蚀性和使用温度范围 。vTi,Ti,NbNb 在在Cr-NiCr-Ni奥氏体不锈钢和高铬铁素体不锈钢中均有晶间腐蚀奥氏体不锈钢和高铬铁素体不锈钢中均有晶间腐蚀倾向，加入倾向，加入TiTi或或NbNb（固（固C C），可可防止晶间腐蚀。防止晶间腐蚀。5.3 不锈钢的组织与分类不锈钢的组织与分类l不锈钢中的合金元素可分为两类不锈钢中的合金元素可分为两类:扩大扩大相区：相
8、区：C,N,Ni,Mn,Cu等等;缩小缩小相区：相区：Cr,Si,Ti,Nb,Mo等等;谁占优势，就易形成以谁占优势，就易形成以或或为基体的不锈钢组织；为基体的不锈钢组织；如果稳定如果稳定元素其作用程度还不足以使钢的元素其作用程度还不足以使钢的Ms点点降到室温以下，则高温冷却时会发生降到室温以下，则高温冷却时会发生M转变。转变。l为为了了简简便便起起见见，表表明明不不锈锈钢钢的的实实际际成成分分和和所所得得组组织织的的关关系，制成系，制成铬当量铬当量 Cr-Cr-镍当量镍当量 NiNi图图（适合于（适合于Ni-CrNi-Cr系）。系）。l钢钢中中铁铁素素体体形形成成元元素素折折合合成成铬铬的的
9、作作用用，奥奥氏氏体体形形成成元元素素折合成镍的作用。折合成镍的作用。NiNi Cr Cr=Cr+Mo+2.0Si+1.5Ti+1.75Nb+5.5Al+=Cr+Mo+2.0Si+1.5Ti+1.75Nb+5.5Al+l可以根据钢的实际化学成分来估算钢的组织可以根据钢的实际化学成分来估算钢的组织.Cr与与Ni状态图（焊后冷却）状态图（焊后冷却）l不锈钢的分类不锈钢的分类 根据不锈钢的基本组织，可将它分为五类：根据不锈钢的基本组织，可将它分为五类：M不锈钢不锈钢 Cr13型型，Cr17Ni2，9Cr18 F不锈钢不锈钢 0Cr17Ti,Cr25Ti,Cr26Mo1 A不锈钢不锈钢 1Cr18Ni
10、9,1Cr18Ni9Ti,A-F不锈钢不锈钢 Cr21Ni5Ti,00Cr22Ni5Mo3N 沉淀硬化不锈钢沉淀硬化不锈钢：在马氏体基体上析出金属间化合物，：在马氏体基体上析出金属间化合物，产生沉淀强化产生沉淀强化5.4 5.4 不锈耐酸钢的腐蚀特性不锈耐酸钢的腐蚀特性?晶间腐蚀晶间腐蚀应力腐蚀应力腐蚀点腐蚀点腐蚀 图示图示 各种腐蚀类型各种腐蚀类型（一）奥氏体不锈钢的晶间腐蚀（一）奥氏体不锈钢的晶间腐蚀1.现象现象 奥氏体不锈钢焊接后奥氏体不锈钢焊接后,焊缝及热影响区焊缝及热影响区(550-800）在许）在许多介质中产生晶间腐蚀。多介质中产生晶间腐蚀。介质：热浓硝酸（介质：热浓硝酸（50-6
11、5%）、含铜盐和氧化铁的硫酸溶）、含铜盐和氧化铁的硫酸溶液、热有机酸等液、热有机酸等2.形成原因形成原因 贫铬理论贫铬理论 奥氏体不锈钢晶间腐蚀主要是晶界上析出奥氏体不锈钢晶间腐蚀主要是晶界上析出网状富铬的网状富铬的Cr23C6引起晶界周围基体产生贫铬区引起晶界周围基体产生贫铬区，贫铬区的宽度约，贫铬区的宽度约10-5cm，Cr12%。在许多介质中没有钝化能力在许多介质中没有钝化能力,贫铬区贫铬区成为微阳极而发生腐蚀。成为微阳极而发生腐蚀。3.3.影响因素影响因素 C%：C0.03%时无晶间腐蚀时无晶间腐蚀;化学成分：化学成分：加入加入Ti,Nb固固C，使奥氏体内固溶的使奥氏体内固溶的C800
12、时时K重重溶；溶；T35%）；）；3）采用高纯度采用高纯度15-25%F不锈钢；不锈钢；4）采用奥氏体和铁素体（）采用奥氏体和铁素体（50-70%）双相钢。双相钢。（三）不锈钢的点腐蚀（三）不锈钢的点腐蚀1.现象现象 不不锈锈钢钢在在含含Cl-离离子子介介质质中中表表面面会会出出现现点点状状凹凹坑坑腐腐蚀蚀，称称为点腐蚀。为点腐蚀。2.主要原因主要原因 主要是表面钝化膜的稳定性受到破坏所致。主要是表面钝化膜的稳定性受到破坏所致。3.影响因素影响因素 1）含有）含有Cl-、Br 等，易于产生点腐蚀等，易于产生点腐蚀;去极化作用的阳离去极化作用的阳离子子Fe3+、Cu2+等，有加速点腐蚀作用等，有
13、加速点腐蚀作用 2）夹夹杂杂物物（MnS）、晶晶界界析析出出相相（相相）、晶晶界界等等容容易易发发生点腐蚀生点腐蚀-易破坏钝化膜的均匀性易破坏钝化膜的均匀性。4.4.预防措施预防措施1）尽可能降低介质中的）尽可能降低介质中的Cl-浓度浓度;2）选用）选用高高Cr和含和含Mo钢种，钝化膜稳定性提高钢种，钝化膜稳定性提高,如如 Cr22Ni26Mo5Ti;Cr26Mo1;Cr26Mo4 有时用有时用Cr%+Mo%量来衡量抗点蚀指标量来衡量抗点蚀指标3）加入（提高）加入（提高）Ni，也可提高抗点蚀能力。也可提高抗点蚀能力。4）含含N不不锈锈钢钢的的击击穿穿电电位位B值值较较正正，当当钢钢中中N0.3
14、%，不不 发生点腐蚀。如发生点腐蚀。如。5.5 5.5 不锈钢种类不锈钢种类一、铁素体不锈钢一、铁素体不锈钢 1.1.主要有三种类型：主要有三种类型：（1）Cr13型型 如如0Cr13、0Cr13Al、0Cr11Ti等；等；（2）Cr17型型 如如1Cr17、0Cr17Ti、1Cr17Mo等；等；（3）Cr25-30型型 如如1Cr28、1Cr25Ti、00Cr30Mo2等。等。基基本本特特点点含碳量含碳量15Cr时，随时，随Cr其脆化倾向也其脆化倾向也。在。在400525长时间加热或缓慢冷却时，钢就变得很脆长时间加热或缓慢冷却时，钢就变得很脆,以以475加热为最甚原因加热为最甚原因:在脆化在
15、脆化T范围内长期停留时，范围内长期停留时，铬有序化铬有序化相，与母相共格相，与母相共格大内应力。大内应力。AK（3）金属间化合物金属间化合物相的形成相的形成 相具有高硬度，有大的体积效应，且常沿晶界相具有高硬度，有大的体积效应，且常沿晶界分布，所以使钢产生了很大的脆性分布，所以使钢产生了很大的脆性 二、马氏体不锈钢二、马氏体不锈钢 这类钢主要含这类钢主要含1218%Cr，淬火冷却能产生，淬火冷却能产生M。（一）马氏体不锈钢的成分和组织特点（一）马氏体不锈钢的成分和组织特点 马氏体不锈钢可分为三类：马氏体不锈钢可分为三类：（1）Cr13型，有型，有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等
16、钢号；等钢号；（2）高碳高铬钢，如）高碳高铬钢，如9Cr18、9Cr18MoV等；等；（3）低碳）低碳17%Cr-2%Ni钢，如钢，如1Cr17Ni2。1Cr13：M+F2Cr13：M3Cr13：M4Cr13：M+K类似于类似于调质钢调质钢制造不锈制造不锈结构件结构件类似于类似于工具钢工具钢制造耐蚀制造耐蚀工具（手工具（手术刀等）术刀等）（二）马氏体不锈钢的热处理特点（二）马氏体不锈钢的热处理特点 常用的热处理工艺有软化处理、球化退火、调质处理和淬常用的热处理工艺有软化处理、球化退火、调质处理和淬火火+低温回火。低温回火。软软化化处处理理软化处理有两种方法：软化处理有两种方法：一是进行高温回火
17、，将锻轧件加热一是进行高温回火，将锻轧件加热至至700800保温保温26小时后空冷，使小时后空冷，使马氏体转变为回火索氏体。马氏体转变为回火索氏体。另外也可以采用完全退火。另外也可以采用完全退火。调调质质处处理理 1Cr13、2Cr13常用于结构件常用于结构件调质。调质。因为铬因为铬抗回火性和抗回火性和AC1点，所以调质回点，所以调质回火温度也相应火温度也相应.通常为通常为640700。回火后应采用油冷回火后应采用油冷?淬淬火火低低回回 3Cr13、4Cr13常做有一定耐蚀性的工常做有一定耐蚀性的工具，所以采用淬火低温回火。具，所以采用淬火低温回火。T淬淬在在10001050，为减少变形，可用
18、硝盐分级冷，为减少变形，可用硝盐分级冷却。组织为马氏体却。组织为马氏体+碳化物碳化物+少量少量AR三、奥氏体不锈钢三、奥氏体不锈钢（1 1）特点）特点 与与 F 或或 M-F不锈钢相比，不锈钢相比，1）有很高耐蚀性（主要在氧化性酸如有很高耐蚀性（主要在氧化性酸如HNO3）；）；2）高塑性，易于成形（板、带、管、丝、材）；）高塑性，易于成形（板、带、管、丝、材）；3）焊接性能较好（无相变）；）焊接性能较好（无相变）；4）韧性和低温韧性好，无冷脆倾向；）韧性和低温韧性好，无冷脆倾向；5）可用作）可用作550热强钢热强钢（奥氏体的（奥氏体的T再再高）；高）；6）价格贵；容易加工硬化，切削加工性不好；
19、）价格贵；容易加工硬化，切削加工性不好；7）导热性差，加热和冷却时要注意）导热性差，加热和冷却时要注意。（2 2）主要钢种）主要钢种l18-8型铬镍型铬镍 奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢 1Cr18Ni9,1Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni18Mo2Cu2Ti 00Cr18Ni12Mo2Ti lCr-Mn-N,Cr-Ni-Mn-N型型 A或或A-F不锈钢不锈钢 如如 Cr17Mn9,0Cr17Mn13Mo2N,1Cr18Mn8Ni5N 其中有许多复相钢（其中有许多复相钢（+Mo,Nb,Cu），），提高了抗晶间腐蚀提高了抗晶间腐蚀和抗应力腐蚀的能力。和抗应力腐蚀的能力。vA A不锈钢不锈钢可分为组织
20、稳定与亚稳大类可分为组织稳定与亚稳大类1 1）稳定）稳定A A不锈钢不锈钢 具有低的屈服强度和高的塑性、韧性，低的韧具有低的屈服强度和高的塑性、韧性，低的韧脆转化温脆转化温度。影响其强度的因素之一是合金元素的固溶强化。度。影响其强度的因素之一是合金元素的固溶强化。2 2）亚稳）亚稳A A不锈钢不锈钢 用来制造不锈弹簧。用来制造不锈弹簧。可实行零下轧制（大变形量下要发生马氏体转变），有较可实行零下轧制（大变形量下要发生马氏体转变），有较好的强化效果。好的强化效果。四、高强度不锈钢四、高强度不锈钢一般在马氏体基体上产生沉淀强化的方法。一般在马氏体基体上产生沉淀强化的方法。+Mo,Ti,Al 形成形
21、成 新沉淀强化相。如新沉淀强化相。如 Fe2Mo,Ni3Mo,Ni3Ti,Ni3Al等。等。根据基体和热处理工艺，沉淀硬化不锈钢可分为两类：根据基体和热处理工艺，沉淀硬化不锈钢可分为两类：1)马氏体沉淀硬化不锈钢马氏体沉淀硬化不锈钢 2)半奥氏体沉淀硬化不锈钢半奥氏体沉淀硬化不锈钢 （1 1）马氏体沉淀硬化不锈钢马氏体沉淀硬化不锈钢l在在Cr17Ni6Cr17Ni6的基础上通过降的基础上通过降CrCr增增NiNi以消除以消除 铁素体，并加铁素体，并加入入Mo,Al,Ti,NbMo,Al,Ti,Nb等强化元素。等强化元素。l高温奥氏体化后发生马氏体转变；在高温奥氏体化后发生马氏体转变；在425-
22、600425-600范围内时范围内时效效，析出金属间化合物时效强化。，析出金属间化合物时效强化。l可在固溶处理后精加工，然后再时效强化。这类钢有良好可在固溶处理后精加工，然后再时效强化。这类钢有良好的工艺性能和低的加工费用。的工艺性能和低的加工费用。l存在存在475475脆性和高温回火脆性脆性和高温回火脆性。（2 2）半奥氏体沉淀硬化不锈钢半奥氏体沉淀硬化不锈钢l在在Crl7Ni7Crl7Ni7钢的基础上加入强化元素发展起来的。钢的基础上加入强化元素发展起来的。lMoMo、NiNi、AlAl等等形形成成金金属属间间化化合合物物，在在MM基基体体上上析析出出产产生生沉沉淀淀强强化化。钢钢经经固固
23、溶溶处处理理后后，在在室室温温下下为为奥奥氏氏体体及及少少量量铁素体组织铁素体组织。l这这类类钢钢要要获获得得马马氏氏体体，要要通通过过热热处处理理（冷冷处处理理加加大大变变形形量变形）量变形）;l在在475475脆脆性性和和高高温温回回火火脆脆性性，要要限限制制其其使使用用温温度度（250 12%，如如Cr13型。型。l在在氧化性硝酸氧化性硝酸中，中，Cr16%，才有较高的钝化能力，如高铬不锈钢。才有较高的钝化能力，如高铬不锈钢。l在在稀硫酸等非氧化性酸稀硫酸等非氧化性酸中，一般的中，一般的Cr不锈钢和不锈钢和Cr18Ni9型不锈钢难以型不锈钢难以达到钝化状态，不耐蚀；达到钝化状态，不耐蚀；
24、+Ni,Mo,Cu，提高钝化能力。如提高钝化能力。如1Cr18Ni12Mo2Ti,0Cr18Ni18Mo2Cu2Til在在盐酸或含盐酸或含Cl-离子离子中，加入中，加入Mo、Cr，形成，形成MoOCl2 保护膜，也可防保护膜，也可防止点腐蚀。止点腐蚀。l在在强有机酸强有机酸中，须在铬（镍）不锈钢中加入中，须在铬（镍）不锈钢中加入Mo,Cu,Mn，N等，提高等，提高钝化能力。如钝化能力。如 1Cr17Mn13Mo2N,1Cr17Mn13Mo2CuN等。等。二、钢种选择二、钢种选择uCr18Ni9型奥氏体不锈钢是用量最大的一类不锈钢型奥氏体不锈钢是用量最大的一类不锈钢（化（化工、石油、航空）工、石
25、油、航空）1）对）对不要求焊接的零件不要求焊接的零件，可直接选用，可直接选用 1Cr18Ni9或或0Cr18Ni9钢；钢；2）焊接用钢焊接用钢，一种是以，一种是以Ti、Nb作作C稳定剂的稳定剂的1Cr18Ni9Ti或或 0Cr18Ni9Nb钢；另一种是超低钢；另一种是超低C的的00Cr18Ni10钢；钢；3）要求）要求深冲的钢深冲的钢，可采用含铜的，可采用含铜的 00Cr17Ni7Cu2；0Cr17Ni8SiCu2l含含NiNi高的奥氏体不锈钢的高的奥氏体不锈钢的MsMs低低,可作液氮或更低温度液体可作液氮或更低温度液体的的压力容器。压力容器。l高高强强度度不不锈锈弹弹簧簧选选用用亚亚稳稳奥奥
26、氏氏体体不不锈锈钢钢制制作作，并并经经零零下下轧轧制和低温回火。制和低温回火。常用钢种有常用钢种有1 1Cr18Ni8,1Cr18Ni8MoCr18Ni8,1Cr18Ni8Mo。l非非氧氧化化性性酸酸中中工工作作的的部部件件，应应选选择择含含有有MoMo、CuCu以以及及NiNi量量较高的钢种，较高的钢种，如如 1 1Cr18Ni12Mo3Ti,0Cr23Ni28Mo3Cu3TiCr18Ni12Mo3Ti,0Cr23Ni28Mo3Cu3Ti。l在含在含Cl-离子离子介质中，介质中，抗点腐蚀的钢抗点腐蚀的钢 选用含选用含Mo、N 钢种钢种 和和 高高Cr不锈钢不锈钢，如如 00Cr22Ni22M
27、o3N，Cr22Ni26Mo5Ti l抗应力腐蚀用钢抗应力腐蚀用钢 含含Si或或Cu较高的较高的 A 或或 A-F不锈钢不锈钢，如如 0Cr18Ni14Si4 奥氏体钢奥氏体钢 00CrNi5Mo3Si2Cu2 复相钢复相钢l铁素体不锈钢铁素体不锈钢0 0Cr17TiCr17Ti 在硝酸和许多有机酸中有良好耐蚀性。在硝酸和许多有机酸中有良好耐蚀性。l高铬高铬 F F 不锈钢不锈钢 有高抗点腐蚀和抗应力腐蚀能力。有高抗点腐蚀和抗应力腐蚀能力。lCr13Cr13型马氏体不锈钢型马氏体不锈钢 1 1Cr13Cr13和和2 2Cr13Cr13 结构钢，如蒸汽涡轮叶片、水压机阀门结构钢，如蒸汽涡轮叶片、水压机阀门和食品工业用具；和食品工业用具；3 3Cr13Cr13和和4 4Crl3 Crl3 工具钢，可制造医用、日用刀具。工具钢，可制造医用、日用刀具。