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1、不锈钢的冶金学与耐腐蚀原理 人们平时经常要使用到不锈钢。其实不锈钢的名字起得有点问题。不锈钢也会 生锈。那为什么不锈钢有时候闪闪发亮,又有时与期望的外表相悖呢?让我们一起从 几个方面来了解一下不锈钢。1、成分和一般性能 一般地,固态金属和合金都是由不规则排列的晶粒构成的,这些晶粒有着确定的 结晶状组织叫晶格。不锈钢中以晶粒的晶体结构成为铁素体、奥氏体、马氏体,或 其中两种或多种的混合体。铁素体是常温下铁和低碳合金的基本晶体结构,奥氏体 则是在高温(800的晶粒中纯铁的结晶方式。如果在铁或铁铬合金(铁素体组织中 加入 Ni、Mn、N、C,就会形成在常温下稳定的面心立方体晶格,即为奥氏体。所形 成
2、的材料称为奥氏体不锈钢,这样的不锈钢容易成型和弯曲,容易焊接。(如常见的 18-8 不锈钢。马氏体在常温下很稳定,它比较接近于铁素体,体心结构。马氏体硬度 高,强度好,难以焊接,实际上马氏体合金很少进行变形处理。合金获得耐腐蚀性能的 主要化学元素是铬(Cr,在耐腐蚀金属材料中,关于 Cr 对材料耐腐蚀性能的影响有一 个著名的 n/8 定律。即当 Cr 在金属中的质量百分比为 1/8、2/8、3/8时,金属的 耐腐蚀性能就有一次突变。当 Cr 含量达到 11%-14%,金属在大气环境下的腐蚀就可 以忽略不计,这就是不锈钢名字的来历。化学元素镍(Ni 是不锈钢中作用仅次于 Cr 的元素,它是奥氏体
3、稳定化元素。随钢中 Ni 含量的增加,奥氏体的数量也增加,稳定 化温度越低,使得人们可以在室温下得到稳定的奥氏体材料。锰(Mn 在不锈钢中的 作用类似于 Ni,用Mn 代替Ni 可以提高不锈钢的强度。钼(Mo可以增强耐点蚀、缝 隙腐蚀的能力氮(N可以增强耐缝隙腐蚀能力,提高强度,同时稳定奥氏体。Cu、Si等 元素可以提高耐腐蚀能力,改善铸造性能。2、常用不锈钢系列(1.奥氏体不锈钢指的是 Fe-Cr-Ni 和 Fe-Cr-Mn-Ni 合金。晶粒中具有奥氏体相 或面心立方晶体结构,这是由加入的合金元素 Ni、Mn 和 N 抑制奥氏体/铁素体转化 温度,使常温下奥氏体稳定而得到的。奥氏体不锈钢没有
4、磁性,主要为 18-8 不锈钢(如 1Cr48Ni9Ti,含 18-20%的 Cr,8-10.5%Ni。(2.铁素体不锈钢指的是 Fe-Cr合金。焊接难度很大,具有磁性,冷加工可以使之 硬化。如 1Cr19Mo2Ti 等(3.马氏体不锈钢也是 Fe-Cr合金,但是碳(C的含量高于铁素体钢。具有磁性,热 处理可以使之硬化,焊接制作难度大。(3.沉淀硬化或失效硬化不锈钢 Fe-Cr-Ni 合金。在加热到中高温 500-900并保 温一段时 间后会产生沉淀,出现一些由合金元素形成小颗粒的化合物,会使晶格扭曲,使材 料硬化或强化。这种材料只要用于对强度和耐腐蚀性能很高的环境。如 S17400 合 金等
5、。许多这样的材料可以在退火状态下进行加工。最好的用途之一是高尔夫球 杆。(3.奥氏体-铁素体双相不锈钢通常是 Fe-Cr-Ni 合金,是著名的耐腐蚀金属材料。有时候也含有 Mo 等元素。其强度好于一般的奥氏体材料,耐腐蚀性能在有氯离子 存在的氯化物应力腐蚀环境中尤其突出。关于不锈钢的生产,现在一般采用电弧炉冶炼后炉外精炼的的方法,精炼时使用 氩氧脱碳(AOD 或真空脱碳(VOD,可以生产出更纯、更洁净、成分控制更好的不锈 钢。不锈钢的耐腐蚀性能会受到生产中的机械加工和热加工的影响。奥氏体不锈钢 一定要用退火状态的。这个退火与一般碳钢和低合金钢的退火不同,他们的是从退 火温度缓慢冷却,而奥氏体不
6、锈钢的退火是快速冷却,是在退火温度 1040-1130保 温后在淬火介质中淬火。退火不足或不当都可能使奥氏体不锈钢遭受晶间腐蚀,这 是因为晶界处会有沉淀的碳化物析出。不锈钢在大气或水溶液中的耐腐蚀性能主要是 Cr 等元素提高了金属材料的平 衡电极电位,从而阻止了微电池的阳极,也就是金属的氧化。不锈钢能耐腐蚀是因为 表面上可以形成一层致密的钝化膜,这层钝化膜可以在受到破坏后自行修复,它能够 使金属和腐蚀介质分隔开。就是这层钝化膜的作用,使得不锈钢不会遭受均匀腐蚀,能使不锈钢失效的腐蚀行为都是局部的腐蚀如点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐 蚀开裂等。现在我们说说不锈钢的点蚀和缝隙腐蚀。点蚀是金属表面
7、不同位置局部性的腐 蚀。点蚀可以穿透钝化膜向下发展。缝隙腐蚀发生在金属和距离它很近的不导电的 物体之间,经常扩展到缝隙之外。这两种腐蚀形态在有氯化物存在时最容易发生。出现点蚀的原因是不锈钢表面受损、有杂质、有缺陷或表面沾有脏东西。缝隙腐蚀 则一般发生在材料与垫片的连接处、有氧化皮或硬的生物附着物的地方和金属搭接 处。由于侵蚀面积比金属总面积小的多,所以腐蚀很快很严重。有氯化物存在时尤 其严重。点蚀和缝隙腐蚀很相象,基本原理是一样的,但在暴露的钢板上是不会发生 点蚀的,却可以发生缝隙腐蚀,因为钢板往往是一张压一张地放在一起的。不锈钢中 加入元素 Mo 可以提高耐点蚀性能和耐缝隙腐蚀性能。另外完善
8、的设计和良好的制 作工艺可以使钢材表面平滑、没有尖锐的角并可以使压在两张钢板之间缝隙里的水 之类的流体介质排出,同样有助于提高耐点蚀和缝隙腐蚀能力。不锈钢的晶间腐蚀:如果奥氏体的普通碳含量(0.03-0.08%被加热到 425-815,晶界处有碳化铬析出,其结构被“敏化”。晶粒周围的贫铬区在某些介质中,特别是酸 中被容易被侵蚀。在退火、消除应力或成型和焊接过程中,加热时操作不当会使不 锈钢处于这一临界温度范围。腐蚀从表面开始,向晶界处发展,直到晶粒被分离开。处热处理外,解决敏化的方 式有两种,一是在可以出现晶间腐蚀的部位换用低碳不锈钢,如 304L,另一种是 用Ti进行“稳定化处理”如,321
9、、347等。在第一种情况下,钢中的 C不能形成大量 的碳化铬,不会造成晶界处铬的减少。第二种情况下,碳事先与 Ti 反应结合,不会再 与 Cr 发生反应。不锈钢的应力腐蚀开裂:奥氏体不锈钢在氯化物环境下会发生应力腐蚀开裂。另外一些其他的金属材料如氨环境下的铜合金、强碱溶液中的碳钢和低合金钢也会 发生应力腐蚀开裂。氯化物应力腐蚀开裂是奥氏体不锈钢由于环境造成的裂纹的主 要形式。它需要有氯离子、拉伸应力和高温同时作用。如果这三种因素都处于中等 水平,当环境中有氧气时,也会发生开裂。所需要的拉伸应力必须是残余应力,而不是 施加的应力。并不是说不锈钢受到负荷就会产生裂纹,还要看它是怎么样加工和焊 接的
10、。正确退火时,材料裂纹的特点是穿晶的,穿过晶粒。热处理不当和晶界处有碳 化物析出的焊接热影响区,裂纹是晶间的,在晶界处。一般来说,铁素体和双相不锈钢 耐应力腐蚀开裂的性能更好,而且经常在一些不适合使用奥氏体不锈钢的场合作为 奥氏体不锈钢的替代品。其实,奥氏体不锈钢的 Ni 含量达到 20%以上耐腐蚀性能也 会大大提高。铬含量在 17%-23%,镍含量 17%-26%,钼含量 6%-7%的材料具有很好 的耐应力腐蚀开裂的性能,如超级不锈钢。但是要想使奥氏体不锈钢真正免除应力 腐蚀裂纹,Ni 的含量必须控制在 35%以上。（这样的材料是很贵的,价格很高,国内一 般的单位是用不起的。不锈钢的电蚀（电
11、偶腐蚀:这种腐蚀形态一般不会影响不锈钢,但是会腐蚀与之接 触的其他材料,因为不锈钢的平衡点极电位比常用的其他金属材料要正。至此,关于不锈钢的冶金学和耐腐蚀性能大致上就说完了。由于本人水平有限,在这里只是做了一个简单的陈述。本文是我对 2002国际腐蚀控制大会,加拿大镍发 展协会资料的总结,原来篇幅比较大,这里我只根据自己的经验写出一点点提纲。关 于不锈钢还有另外两个话题,就是他们的规格划分和表面加工。一般不锈钢材可分 为很多形式规格。中厚板是指宽度大于 254mm,厚度大于 4.76mm,的热轧板材,表面 较粗糙。薄板是指宽 610mm 以上,厚 4.76mm 以下的轧制板材。带钢是宽度在 6
12、10mm 以下,厚度不超过 4.76mm 的轧制板材。此外还有条与棒材、线材、管材、各种型材等等。购买使用不锈钢一定要明确所需要的表面。表面有以下标准要求:1、No.1表面或 HRAP 热轧、退火和酸洗（化学除鳞是不锈钢中板材的常用表 面。对于厚度在 4.76mm 以上的产品,其他表面必须特别指定。该表面比较粗糙,缺 陷可能会比冷轧或其他表面标准要多。一般用于工业。对光滑度要求不是很高2、No.2B 表面,用抛光锟对经过退火/除鳞的板材进行最终轻度的冷轧,可以生 产出这样的表面。这样的表面可以直接使用,也可以再抛光处理。这种表面经常用 于薄板和带材。3、No.4表面。是一种通用抛光表面,主要用于薄板和带材。是在 2B 表面上先 用粗砂带打磨,最后再用 120-150 目的砂带抛光。表面上不会留下未抛光表面上常 沾染的手印或水渍印。4、电解抛光表面,表面经过电化学电解,如同镜面。一般认为这种表面容易清理 和敏化,而且耐腐蚀性能好。这种表面用于食品酿造工业。参考资料:NIDI 资料