各类合金元素对不锈钢性能的影响(11页).doc

《各类合金元素对不锈钢性能的影响(11页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《各类合金元素对不锈钢性能的影响(11页).doc（11页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、-各类合金元素对不锈钢性能的影响-第 11 页各类合金元素对不锈钢性能的影响一.镍元素对不锈钢的影响镍是的主要合金元素,其主要作用是稳定奥氏体,使钢获得完全奥氏体组织,从而使钢具有良好的强度和塑性,韧性的配合,并具有优良的冷,热加工性和冷形成性以及焊接,低温与无磁等性能,同时提高奥氏体不锈钢的热力学稳定性,使之不仅比相同铬,钼含量的铁素体,马氏体等类不锈钢肯有更好的不锈性和耐氧化性介质的性能,而且于表面膜稳定性的提高,从而使钢还具有更加优异的耐一些还原性介质的性能。 1. 镍对组织的影响 镍是强烈稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素,为了获得单一的奥氏体组织,当钢中含有0.1%碳和18%铬时所需的

2、最低镍含量约为8%,这便是最著名18-8铬镍奥氏体不锈钢的基本成分,奥氏体不锈钢中,随着镍含量的增加,残余的铁素体可完全消除,并显著降低相形成的倾向;同时马氏体转变温度降低,甚至可不出现M相变,但是镍含量的增加会降低碳在奥氏体不锈钢中的溶解度,从而使碳化物析出倾向增强。 2. 镍对性能的影响 镍对奥氏体不锈钢特别是对铬镍奥氏体不锈钢力学性能的影响主要是由镍对奥氏体稳定性的影响来决定,在钢中可能发生马氏体转变的镍含量范围内,随着镍含量的增加,钢的强度降低，塑性提高,具有稳定奥氏体组织的铬镍奥氏体不锈钢韧性(包括极低温韧性)非常优良,因而可作为低温钢使用,这是众所周知的,对于具有稳定奥氏体组织的铬

3、锰奥氏体不锈钢,镍的加入可进一步改善其韧性.镍还可显著降低奥氏体不锈钢的冷加工硬化倾向,这主要是由于奥氏体稳定性增大,减少以至消除了冷加工过程中的马氏体转变,同时对奥氏体本身的冷加工硬化作用不太明显,不锈钢冷加工硬化倾向的影响,镍降低奥氏体不锈钢冷加工硬化速率,与降低钢的室温及低温强度,提高塑性的作用,决定了镍含量的提高有利于奥氏体不锈的冷加工成形性能,提高镍含量还可减少以至消除18-8和17-14-2型铬镍奥氏体不锈钢中的铁素体,从而提高其热加工性能,但是,铁素体的减少对这些钢种的可焊接性不利会增大焊接热裂纹丝倾向,此外,镍还可显著提高铬锰氮(铬锰镍氮)奥氏体不锈钢的热加工性能,从而显著提高

4、钢的成材率。 在奥氏体不锈钢中,镍的加入以及随着镍含量的提高,导致钢的热力学稳定性增加,因此奥氏体不锈钢具有更好的不锈性和耐氧化性介质的性能,且随着镍含量增加,耐还原性介质的性能进一步得到改善.值得指出,镍还是提高奥氏体不锈耐许多介质穿晶型应力腐蚀的唯一重要元素。 在各种酸介质中镍对奥氏体不锈钢耐蚀性能的影响,需要指出,在高温高压水中的一些条件下,镍含量的提高导致钢和合金的晶间型应力腐蚀敏感性增加,但是这种不利作用会由于钢及合金中铬含量的提高而获得减轻或受到抑制.随奥氏体不锈钢中镍含量的提高,其产生晶间腐蚀的临界碳含量降低,即钢的晶间腐蚀敏感性增加,至于对奥氏体不锈钢耐点腐蚀及缝隙腐蚀的性能,

5、镍的作用并不显著,此外,镍还提高奥氏体不锈钢的高温抗氧化性能,这主要与镍改善了铬的氧化膜的成分,结构和性能降低,并且镍含量越高越有害,这主要是由于钢中晶界处低熔点硫化镍所致。 无论是HK40 还是HP45, 基体中都固溶了大量的N i, 形成置换固溶体。N i比 Fe的原子直径小3 , 使得Fe-N i置换固溶体的间隙变小, 从而使溶碳量降低。由于HP45 的含N i量比HK40 的大, 这一方面增强了固溶强化效果, 另一方面使 Fe-N i 置换固溶体间隙变小, 溶碳量降低, 使共晶碳化物的数量增多, 析出的二次碳化物也增多, 因此，HP45镍元素在不锈钢中的作用的高温持久强度高于HK40镍

6、的性质镍是一种银白色的铁磁性金属。密度8.9克/厘米3，熔点1455。古代埃及、中国和巴比伦人都曾用含镍量很高的陨铁作器物。可以说，镍是既“古老”又“年轻”的金属。镍具有磁性，是许多磁性材料的主要组成成分。镍还具有良好的抗氧化性，在空气中，镍表面形成NiO薄膜，可阻止进一步氧化。实验证明：纯度为99%的镍，20年内不会发生锈痕。镍的抗腐蚀能力很强，尤其是对苛性碱的抗蚀能力强，在50%的沸腾苛性钠溶液中镍每年的腐蚀速度不超过25微米。镍的强度和塑性也很好，可承受各种压力加工。 目前，镍原料主要是镍的硫化矿，其次是氧化矿。另外，存在于海底的锰结核也将成为提镍的重要资源。镍的用途镍大量用来制造各种类

7、型的不锈钢、软磁合金和合金结构钢。镍和铬、铜、铝、钴等元素可组成耐热合金、电工合金和耐蚀合金等。镍铬合金（如Ni-Cr20）有高的耐热性和大的电阻，用它做的热电体（电阻丝），可用作电炉、电烙铁、电熨斗等的电热元件，可在1100下长期工作；Ni-Cr9和Ni-Cr10虽然耐热性略差，但电阻大，电阻温度系数小，热电势大，是热电偶的好材料。镍基耐热合金主要作涡轮发动机涡轮盘、燃烧室和涡轮叶片等。著名的“蒙乃尔”合金是含铜、铁和锰的耐蚀镍合金，强度高，塑性好，耐腐蚀，成为电器、海轮和医疗器械制造业的重要材料。镍硅合金常制成线、带、棒用于电子管和电真空仪器中。镍铁、镍钴合金是良好的磁性材料。此外，镍是镍

8、镉、镍氢电池的主要材料。镍都金川金川位于古丝绸之路甘肃省河西走廊中部。金川矿床是一个特大型的多金属共生硫化镍矿床，储量居世界同类矿床的第二位，铜、钴和伴生的铂族以及贵金属如钯、铂、锇、铱、钌、铑、金、银等的储量均居全国之首。矿石中镍和铜的品位都较高。镍的产量占全国的88%。金川已成为中外闻名的镍、钴生产基地和铂族贵金属提炼中心。它所在的金昌市也由荒僻的小乡村已发展成为别具风姿的现代化工业城市。加拿大的镍产量位于北美洲北部的加拿大，镍资源很丰富，1994年已探明的金属储量约620万吨左右，居世界前列。主要分布萨德伯里、纳尔逊河中游和林累克。采矿业和冶金业很发达，镍的开采量和出口量均居世界前列，镍

9、冶炼也居世界前列。贸易对象是美国、英国、日本、德国等。加拿大的水力资源丰富，全国四分之三的电能是靠水力发电，这为发展有色金属工业创造了良好条件。产镍国之一古巴古巴的镍资源十分丰富，储量1800万吨居世界第一。 镍矿床主要分布在奥尔金省北部约150公里长的山区，那里有极丰富的红土矿层。矿层中不但含镍，钴、铬、铝、锰、铁的含量也较高。目前，古巴主要开采镍钴矿。其特点是含量均匀而且品位较高，富矿含镍1.3%，一般矿石含镍也达1%；另外矿层靠近地面，具有露天开采的优越条件。莫阿和尼卡罗炼镍厂是古巴的两家老厂，另外还兴建了两座年产能力约有3万吨的炼镍厂。古巴是世界最大的镍生产国和出口国之一。新的正畸合金

10、中国钛镍北京有色研究总院研制成功一种钛镍合金，具有超弹性和形状记忆交应，是理想的正畸材料。1984年，美国生物力学专家在测试了这种丝材的性能后，命名为“中国钛镍”；1985年在国际牙科材料学术会议上，确认中国钛镍丝达到了国际先进水平。畸齿矫形是利用金属的回弹特性来实现的。一般金属材料做的矫正器，由于弯曲后易产生永久变形，需要经常调整，因此复诊次数多，疗效差和疗程长。中国钛镍，在屈服点测量时，回弹性为不锈钢丝的4.8倍，为美国矫形材料Nitinal合金丝的1.6-1.97倍。卸载后，能保持一个几乎恒定不变的作用力镍的性质镍是一种银白色的铁磁性金属。密度8.9克/厘米3，熔点1455。古代埃及、中

11、国和巴比伦人都曾用含镍量很高的陨铁作器物。可以说，镍是既“古老”又“年轻”的金属。镍具有磁性，是许多磁性材料的主要组成成分。镍还具有良好的抗氧化性，在空气中，镍表面形成NiO薄膜，可阻止进一步氧化。实验证明：纯度为99%的镍，20年内不会发生锈痕。镍的抗腐蚀能力很强，尤其是对苛性碱的抗蚀能力强，在50%的沸腾苛性钠溶液中镍每年的腐蚀速度不超过25微米。镍的强度和塑性也很好，可承受各种压力加工。目前，镍原料主要是镍的硫化矿，其次是氧化矿。另外，存在于海底的锰结核也将成为提镍的重要资源。镍的用途镍大量用来制造各种类型的不锈钢、软磁合金和合金结构钢。镍和铬、铜、铝、钴等元素可组成耐热合金、电工合金和

12、耐蚀合金等。镍铬合金（如Ni-Cr20）有高的耐热性和大的电阻，用它做的热电体（电阻丝），可用作电炉、电烙铁、电熨斗等的电热元件，可在1100下长期工作；Ni-Cr9和Ni-Cr10虽然耐热性略差，但电阻大，电阻温度系数小，热电势大，是热电偶的好材料。镍基耐热合金主要作涡轮发动机涡轮盘、燃烧室和涡轮叶片等。著名的“蒙乃尔”合金是含铜、铁和锰的耐蚀镍合金，强度高，塑性好，耐腐蚀，成为电器、海轮和医疗器械制造业的重要材料。镍硅合金常制成线、带、棒用于电子管和电真空仪器中。镍铁、镍钴合金是良好的磁性材料。 此外，镍是镍镉、镍氢电池的主要材料。镍都金川金川位于古丝绸之路甘肃省河西走廊中部。金川矿床是一

13、个特大型的多金属共生硫化镍矿床，储量居世界同类矿床的第二位，铜、钴和伴生的铂族以及贵金属如钯、铂、锇、铱、钌、铑、金、银等的储量均居全国之首。矿石中镍和铜的品位都较高。镍的产量占全国的88%。金川已成为中外闻名的镍、钴生产基地和铂族贵金属提炼中心。它所在的金昌市也由荒僻的小乡村已发展成为别具风姿的现代化工业城市。加拿大的镍产量位于北美洲北部的加拿大，镍资源很丰富，1994年已探明的金属储量约620万吨左右，居世界前列。主要分布萨德伯里、纳尔逊河中游和林累克。采矿业和冶金业很发达，镍的开采量和出口量均居世界前列，镍冶炼也居世界前列。贸易对象是美国、英国、日本、德国等。加拿大的水力资源丰富，全国四

14、分之三的电能是靠水力发电，这为发展有色金属工业创造了良好条件。产镍国之一古巴古巴的镍资源十分丰富，储量1800万吨居世界第一。镍矿床主要分布在奥尔金省北部约150公里长的山区，那里有极丰富的红土矿层。矿层中不但含镍，钴、铬、铝、锰、铁的含量也较高。目前，古巴主要开采镍钴矿。其特点是含量均匀而且品位较高，富矿含镍1.3%，一般矿石含镍也达1%；另外矿层靠近地面，具有露天开采的优越条件。莫阿和尼卡罗炼镍厂是古巴的两家老厂，另外还兴建了两座年产能力约有3万吨的炼镍厂。古巴是世界最大的镍生产国和出口国之一。新的正畸合金中国钛镍北京有色研究总院研制成功一种钛镍合金，具有超弹性和形状记忆交应，是理想的正畸

15、材料。 1984年，美国生物力学专家在测试了这种丝材的性能后，命名为“中国钛镍”；1985年在国际牙科材料学术会议上，确认中国钛镍丝达到了国际先进水平。畸齿矫形是利用金属的回弹特性来实现的。一般金属材料做的矫正器，由于弯曲后易产生永久变形，需要经常调整，因此复诊次数多，疗效差和疗程长。中国钛镍，在屈服点测量时，回弹性为不锈钢丝的4.8倍，为美国矫形材料Nitinal合金丝的1.6-1.97倍。卸载后，能保持一个几乎恒定不变的作用力。 镍在不锈钢中的作用 镍在不锈钢中的主要作用在于它改变了钢的晶体结构。在不锈钢中增加镍的一个主要原因就是形成奥氏体晶体结构，从而改善诸如可塑性、可焊接性和韧性等不锈

16、钢的属性，所以镍被称为奥氏体形成元素。普通碳钢的晶体结构称为铁氧体，呈体心立方(BCC)结构，加入镍，促使晶体结构从体心立方(BCC) 结构转变为面心立方(FCC)结构，这种结构被称为奥氏体。然而，镍并不是唯一具有此种性质的元素。常见的奥氏体形成元素有：镍、碳、氮、锰、铜。这些元素在形成奥氏体方面的相对重要性对于预测不锈钢的晶体结构具有重要意义。目前，人们已经研究出很多公式来表述奥氏体形成元素的相对重要性，最著名的是下面的公式： 奥氏体形成能力=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu% 从这个等式可以看出：碳是一种较强的奥氏体形成元素，其形成奥氏体的能力是镍的30倍，但是它不能

17、被添加到耐腐蚀的不锈钢中，因为在焊接后它会造成敏化腐蚀和随后的晶间腐蚀问题。氮元素形成奥氏体的能力也是镍的30倍，但是它是气体，想要不造成多孔性的问题，只能在不锈钢中添加数量有限的氮。添加锰和铜会造成炼钢过程中耐火生命减少和焊接的问题。 从镍等式中可以看出，添加锰对于形成奥氏体并不非常有效，但是添加锰可以使更多的氮溶解到不锈钢中，而氮正是一种非常强的奥氏体形成元素。在200系列的不锈钢中，正是用足够的锰和氮来代替镍形成100%的奥氏体结构，镍的含量越低，所需要加入的锰和氮数量就越高。例如在201型不锈钢中，只含有4.5%的镍，同时含有0.25%的氮。由镍等式可知这些氮在形成奥氏体的能力上相当于

18、7.5%的镍，所以同样可以形成100%奥氏体结构。这也是200系列不锈钢的形成原理。在有些不符合标准的200系列不锈钢中，由于不能加入足够数量的锰和氮，为了形成100%的奥氏体结构，人为的减少了铬的加入量，这必然导致了不锈钢抗腐蚀能力的下降。 在不锈钢中，有两种相反的力量同时作用：铁素体形成元素不断形成铁素体，奥氏体形成元素不断形成奥氏体。最终的晶体结构取决于两类添加元素的相对数量。铬是一种铁素体形成元素，所以铬在不锈钢晶体结构的形成上和奥氏体形成元素之间是一种竞争关系。因为铁和铬都是铁素体形成元素，所以400系列不锈钢是完全铁素体不锈钢，具有磁性。在把奥氏体形成元素-镍加入到铁-铬不锈钢的过

19、程中，随着镍成分增加，形成的奥氏体也会逐渐增加，直至所有的铁素体结构都被转变为奥氏体结构，这样就形成了300系列不锈钢。如果仅添加一半数量的镍，就会形成50%的铁素体和50%的奥氏体，这种结构被称为双相不锈钢。 400系列不锈钢是一种铁、碳合铬的合金。这种不锈钢具有马氏体结构和铁元素，因此具有正常的磁特性。400系列不锈钢具有很强的抗高温氧化能力，而且与碳钢相比，其物理特性和机械特性都有进一步的改善。大多数400系列不锈钢都可以进行热处理。 300系列不锈钢是一种含有铁、碳、镍和铬的合金材料，一种无磁性不锈钢材料，比400系列不锈钢具有更好的可锻特性。由于300系列不锈钢的奥氏体结构，因此它在

20、许多环境中具有很强的抗腐蚀性能，具有很好的抗金属超应力引起的腐蚀所造成的断裂的性能，而且其材料特性不受热处理的影响。二铬元素对不锈钢的影响 铬的影响:铬是奥氏体不锈钢中最主要的合金元素,奥氏体不锈钢的不锈性和耐蚀性的获得主要是由于在会质作用下,铬促进了钢的钝化并使钢保持稳定钝态的结果.1铬对组织的影响:在奥氏体不锈钢中,铬是强烈形成并稳定铁体的元素,缩小奥氏体区,随着钢中含量增加,奥氏体不锈钢中可出现铁素体()组织,研究表明,在铬镍奥氏体不锈钢中,当碳含量为0.1%,铬含量为18%时,为获得稳定的单一奥氏体组织,所需镍含量最低,约为8%,就这一点而言,常用的18Cr8Ni型铬镍奥氏体不锈钢是含

21、铬,镍量配比最为适宜的一种. 有奥氏体不锈钢中,随着铬含量的增加,一些金属间相(比如相)的形成倾向增大,当钢中含有钼时,铬含含量会增加还会相等的形成,如前所述, 相的析出不仅显著降低钢的塑性和韧性,而且在一些条件下还降低钢的耐蚀性,奥氏体不锈钢中铬含量的提高可使马氏体转烃温度(Ms)下降,从而提高奥氏体基体的稳定性.因此高铬(比如超过20%)奥氏体不锈钢即使经过冷加工和低温处理也很难获得马氏体组织. 铬是强碳化物形成元素,在奥氏体不锈钢中也不例外,奥氏体不锈钢中常见的铬碳化物有Cr23C6;当钢中含有钼或铬时,还可见到期Cr6C等碳化物,它们的形成在某些条件下对钢的性能会产生重要影响.2铬对性

22、能的影响:一般来主,只要奥氏体不锈钢保持完全奥氏体组织而没有铁素体等的形成,仅提高钢中铬含量不会对力学性能有显著影响,铬对奥氏体不锈钢性能影响最大的是耐蚀性,主要表现为:铬提高钢的耐氧化性介质和酸性氯化物介质的性能;在镍以及钼和铜复合作用下,铬提高钢耐一些还原性介质,有机酸,尿素和碱介质的性能;铬还提高钢耐局部腐蚀,比如晶间腐蚀.点腐蚀,缝隙腐蚀以及某此条件下应力体育馆的性能.对奥氏体不锈钢晶间体育馆敏感性影响最大的因素是钢中碳含量,其他元素对晶间体育馆的作用主要视其对碳化物的溶解和沉淀行为的影响而定,在奥氏体不锈钢中,铬能增大碳的溶解度而降低铬的贫化度,因而提高铬含量对奥氏体不锈钢的耐晶间腐

23、蚀是有益,铬非常有效地改善奥氏体不锈钢的耐点腐蚀及缝隙腐蚀性能,当钢中同时有钼或钼及氮存在时,铬的这种有效性大加强,虽然根据研究钼的耐点体育馆及缝隙腐蚀的能力为铬的话倍左右,氮为铬的30倍,但是大量研究,奥氏体不锈钢中如果没有铬或者铬含量较低,钼及氮的耐点腐蚀与缝隙腐蚀作用便会丧失或不够显著 铬对奥氏体不锈钢的耐应力腐蚀性能的作用,随实验介质条件及实际使用环境而异,在MgCl2沸腾溶液中,铬的作用一般是有害的,但是在含Cl-和氧的水介质,高温高压水以及点腐蚀为起源的应力腐蚀条件下,提高钢中铬含量则对耐应力腐蚀有利,同时,铬还可防止奥氏体不锈钢及合金中由于镍含量提高而容易出现的晶间型应力腐蚀的倾

24、向,对开苛性(NqOH)应力腐蚀,铬的作用也是有益的 铬除对负数氏体不锈钢耐蚀性有重要影响外,还能显著提高该类钢的抗氧化,抗硫化和抗融盐腐蚀等性能.三锰Mn 元素在不锈钢中的作用对不锈钢的显微组织及热处理的作用 1 锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，工业用钢中一般均含有一定量的锰 2.锰固溶于铁素体和奥氏体中，扩大奥氏体区，使临界温度A4点升高，A3点降低，当锰含量超过12%时，上临界点降至室温以下，使钢在室温时形成单一奥氏体组织。在降低共析温度同时，使共析体中的碳含量减少 3.锰强烈降低钢的Ad和马氏体转变温度（其作用仅次于碳）和钢中相变的速度，提高钢的淬透性，增加强余奥氏体含量 4.使钢的调质组织

25、均匀、细化，避免了渗碳层中碳化物的聚集成块，但增大了钢的过热敏感性和回火脆性倾向 5.锰是弱碳化物形成元素 对不锈钢的力学性能的作用 1. 锰强化铁素体或奥氏体的作用不及碳、磷、硅，在增加强度的同时，对延展性无影响 2. 由于细化了珠光体，显著提高低碳和中碳珠光体钢的强度，使延展性有所降低 3.通过提高淬透性而提高了调质处理索氏体钢的力学性能 4.在严格控制热处理工艺、避免过热时的晶粒长大以及回火脆性的前提下，锰不会降低钢的韧性 对不锈钢的物理、化学及工艺性能的作用 1. 随锰含量的增加，钢的热导率急剧下降，线胀系数上升，使快速加热或冷却时形成较大内应力，工件开裂倾向增大 2. 使钢的电导率急

26、剧降低，电阻率相应增大，电阻温度系数下降 3.使矫顽力增大，饱和磁感、剩余磁感和磁导率均下降，因而锰对永磁合金有利，对软磁合金有害 4.锰含量很高时，钢的抗氧化性能下降 5.使钢中的硫形成较高熔点的MnS，避免了晶界上的FeS薄膜，消除钢的热脆性，改善热加 工性能 6.高锰奥氏体钢的变形阻力较大，且钢锭中柱状结晶明显，锻轧时较易开裂 7.由于提高了淬透性和降低了马氏体转变温度，对焊接性能有不利影响。在适当范围内应降低碳含量 在不锈钢中的应用 1易切削钢中常有适量的锰和磷，MnS夹杂使切屑易于碎断 2. 普通低合金钢中利用锰来强化铁素体和珠光体，提高钢的强度，锰含量一般为1%-2% 3.渗碳和调

27、质合金结构钢的许多系列中含有不超过2%的锰 4. 弹簧钢、轴承钢和工具钢中利用锰强烈提高淬透性的作用。可采用油淬和空冷的淬火工艺，减少开裂、扭曲和变形 5.耐磨钢、无磁钢、不锈钢、耐热钢，包括高碳高锰耐磨铸钢，低碳 高锰不锈钢，高锰耐热钢等四碳元素对奥氏体不锈钢的影响 碳的影响:碳在奥氏体不锈钢中是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体区的元素.碳形成奥氏体的能力约为镍的30倍,碳是一种间隙元素,通过固溶强化可显著提高奥氏体不锈钢的强度.碳还可提高奥氏体不锈钢在高浓氯化物(如42%MgCl2沸腾溶液)中的耐应力腐蚀的性能. 但是,在奥氏体不锈钢中,碳常常被视为有害元素,这主要是由于在不锈钢和耐蚀用途中的一些条件下(比如焊接或经450850加热),碳可与钢中的铬形成高铬的Cr23C6型碳化合物从而导致局部铬的贫化,使钢的耐蚀性特别是耐晶间腐蚀性能下降.因此,60年代以来新发展的铬镍奥氏体不锈钢大都是碳含量小于0.03%或0.02%超低碳型的,可以知道随着碳含量降低,钢的晶间腐蚀敏感性降低,当碳含量低于0.02%才具有最明显的效果,一些实验珠光还指出,碳还会增大铬奥氏体不锈钢的点腐蚀分倾向.由于碳的有害作用,不仅在奥氏体不锈钢冶炼过和中应按要求控制尽量低的碳含量,而且在随后的热,冷加工和热处理等过程中也在防止不锈钢表面增碳,且免铬的碳化物析出。