Обзор микроструктуры и свойств нержавеющей стали

Свойства и организация нержавеющей стали в основном определяются различными элементами. В настоящее время известно более 100 химических элементов, и элементами, оказывающими наибольшее влияние на свойства и структуру нержавеющей стали, являются: углерод, хром, никель, марганец, азот, титан, ниобий, молибден, медь, алюминий, кремний, ванадий, вольфрам, бор и более десяти видов. Благодаря добавлению этих элементов внутренняя структура стали изменяется, благодаря чему сталь приобретает особые свойства. Влияние различных элементов на свойства и структуру нержавеющей стали заключается в следующем.

(1) Хром - основной элемент, из которого состоит нержавеющая сталь.

Хром является основным элементом, определяющим коррозионную стойкость нержавеющей стали. В окислительной среде хром может быстро образовать богатую хромом оксидную пленку на поверхности стали, которая фактически непроницаема и нерастворима в агрессивной среде. Эта оксидная пленка очень плотная и в основном связана с металлом. Он может защитить сталь от дальнейшего окисления и коррозии внешней среды; хром также может эффективно улучшить электродный потенциал стали. Когда содержание хрома составляет не менее 12,5% (молярная доля), электродный потенциал стали может резко изменяться с отрицательного потенциала на положительный электродный потенциал, что может значительно улучшить коррозионную стойкость стали. Чем выше содержание хрома, тем лучше коррозионная стойкость стали. Когда содержание хрома достигает 25% и 375% (молярная доля), произойдут второе и третье внезапные изменения, в результате чего сталь будет иметь более высокую коррозионную стойкость.

(2) Никель сам по себе не может составлять нержавеющую сталь.

Влияние никеля на коррозионную стойкость нержавеющей стали можно полностью продемонстрировать только в сочетании с хромом. Потому что низкоуглеродистый. Для получения чистой аустенитной структуры никелевой стали содержание никеля должно составлять 24%; чтобы значительно изменить коррозионную стойкость стали в определенных средах, содержание никеля должно быть более 27%. Следовательно, никель сам по себе не может составлять нержавеющую сталь. Добавление 9% никеля в сталь, содержащую 18% хрома, может привести к тому, что сталь приобретет единую аустенитную структуру при комнатной температуре, и может улучшить стойкость стали к неокисляющим средам (таким как: разбавленная серная кислота, соляная кислота, фосфорная кислота и т. д.). .) Коррозионная стойкость и может улучшить производительность процесса сварки стали и холодной гибки.

(3) Марганец и азот — могут заменить никель в хромоникелевой нержавеющей стали.

Марганец и азот оказывают аналогичное действие никеля на нержавеющую сталь. Стабильный аустенитный эффект марганца составляет 1/2 от эффекта никеля, а эффект азота намного больше, чем у никеля, примерно в 40 раз больше, чем у никеля. Следовательно, марганец и азот могут заменить никель для получения единой аустенитной структуры. Однако добавление марганца снизит коррозионную стойкость нержавеющей стали с низким содержанием хрома. В то же время высокомарганцевая аустенитная сталь плохо поддается обработке. Поэтому марганец не используется один в нержавеющей стали, а лишь частично заменяет никель.

(4) Углерод - имеет двойственность в нержавеющей стали

Содержание углерода в нержавеющей стали и форма его распределения в значительной степени влияют на свойства и состав нержавеющей стали.

Плетение: С одной стороны, углерод является стабильным аустенитным элементом и действует в значительной степени, примерно в 30 раз сильнее никеля. (Мартенситная) нержавеющая сталь с высоким содержанием углерода может полностью выдерживать закалку и упрочнение, поэтому ее механические свойства могут быть улучшены. значительно улучшить его. С другой стороны, из-за большого сродства углерода и хрома в нержавеющей стали используется в 17 раз больше углерода и хрома.

Он объединяется в карбид хрома. По мере увеличения содержания углерода в стали большее количество хрома образует карбиды с углеродом, что значительно снижает коррозионную стойкость стали. Поэтому с точки зрения прочности и коррозионной стойкости роль углерода в нержавеющей стали противоречива. В практических применениях для достижения цели коррозионной стойкости содержание углерода в нержавеющей стали обычно низкое и в основном составляет около 01%. Для дальнейшего повышения коррозионной стойкости стали, особенно способности противостоять межкристаллитной коррозии, сверхнизкоуглеродистая сталь Нержавеющая сталь имеет содержание углерода 0,03% или даже ниже; но для производства подшипников качения, стрел, инструментов и других нержавеющих сталей из-за требуемой высокой твердости и износостойкости содержание углерода относительно велико, обычно 0,85% ~ 1,00%, например, сталь 9Cr18 и т. д.

(5) Титан и ниобий - могут предотвратить межкристаллитную коррозию нержавеющей стали.

При нагреве нержавеющей стали до 450~800°С содержание хрома вблизи границы зерна часто снижается из-за осаждения карбидов хрома на границе зерна с образованием обедненной хромом области, что приводит к падению электродного потенциала. вблизи границы зерна, что приводит к электрохимической коррозии. Эта коррозия называется межкристаллитной коррозией. Типичным примером является межкристаллитная коррозия, возникающая в околошовной зоне около сварного шва. Титан и ниобий являются сильными карбидообразующими элементами, и их сродство с углеродом намного выше, чем у хрома. Добавление титана или ниобия в сталь может привести к тому, что углерод в стали образует карбиды сначала с титаном или ниобием, а не с хромом. Карбиды образуются для предотвращения межкристаллитной коррозии вблизи границ зерен из-за низкого содержания хрома. Поэтому титан и ниобий часто используют для фиксации углерода в стали, повышения способности нержавеющей стали сопротивляться межкристаллитной коррозии, улучшения свариваемости стали.

Количество добавляемого титана или ниобия следует определять в зависимости от содержания углерода. Как правило, добавляемое количество титана в 5 раз превышает содержание углерода, а количество добавляемого ниобия в 8 раз превышает содержание углерода.

(6) Молибден и медь — могут улучшить коррозионную стойкость некоторых нержавеющих сталей к определенным средам.
Молибден и штифты могут улучшить коррозионную стойкость нержавеющей стали к агрессивным средам, таким как серная кислота и уксусная кислота. Молибден также может значительно улучшить коррозионную стойкость в хлоридсодержащих средах (таких как соляная кислота) и органических кислотах. Однако молибденсодержащую нержавеющую сталь нельзя использовать в азотной кислоте. Скорость коррозии молибденсодержащей нержавеющей стали в кипящей 65% азотной кислоте удваивается по сравнению со скоростью без молибдена; добавление меди в хромомарганцово-азотную нержавеющую сталь ускорит межкристаллитную коррозию нержавеющей стали.

Молибден оказывает неблагоприятное воздействие на единую аустенитную структуру стали. Следовательно, в молибденсодержащей стали, чтобы после термической обработки сталь имела единую аустенитную структуру, содержание таких элементов, как никель и марганец, должно быть соответственно увеличено.

(7) Кремний и алюминий — могут улучшить стойкость нержавеющей стали к окислению.
Влияние кремния на повышение стойкости к окислению хромистой стали весьма существенно. Сталь, содержащая 5% хрома и 1% кремния. Сила может быть равна силе стали с 12% хрома. Если сталь может противостоять окислению при 1000 ℃, необходимо 22% хрома, когда она содержит 05% кремния. Например, после добавления 25%~3% кремния требуется только 12% хрома. Также появилась некоторая информация о том, что при добавлении 25% кремния к хромоникелевой стали Х15Н20 стойкость к окислению может быть эквивалентна хромоникелевому сплаву Х15Н60.

Добавление алюминия в сталь с высоким содержанием хрома также может значительно улучшить стойкость к окислению, и его функция аналогична добавлению кремния. Цель добавления кремния и алюминия в высокохромистую сталь; один заключается в дальнейшем повышении стойкости стали к окислению; другой - сохранить хром. Хотя кремний и алюминий играют большую роль в повышении стойкости хромистой стали к окислению, они также имеют много недостатков. Главное, что это увеличивает укрупнение зерна и склонность стали к хрупкости.

(8) Вольфрам и ванадий
В сталь добавляются вольфрам и ванадий, и их основная функция заключается в повышении термической прочности стали.

(9) Бор
Добавление 0,005% бора в ферритную нержавеющую сталь с высоким содержанием хрома (Cr17Mo2Ti) может превратить сталь в кипящий 65% уксус. Улучшается коррозионная стойкость в кислоте; небольшое количество (00006~00007%) бора добавляют в аустенитную нержавеющую сталь. Может улучшить горячую пластичность стали; бор оказывает хорошее влияние на улучшение термической прочности стали, что может значительно повысить термическую прочность нержавеющей стали. Борсодержащая хромоникелевая аустенитная нержавеющая сталь имеет особое применение в атомной энергетике, но борсодержащая нержавеющая сталь снижает пластичность и ударную вязкость стали.

(10) Другие элементы
В дополнение к вышеперечисленным элементам в некоторые нержавеющие стали также добавляют элементы из редких металлов и редкоземельных металлов для улучшения свойств стали. Таким образом, основным элементом, составляющим нержавеющую сталь, является хром, важным элементом, влияющим на структуру и характеристики нержавеющей стали, является углерод, а дополнительными элементами для улучшения характеристик и структуры нержавеющей стали являются никель, марганец, азот, титан, ниобий. , молибден, медь, кремний, алюминий, вольфрам, ванадий, бор и др. При практическом применении нержавеющей стали в промышленности во многих сталях одновременно присутствует от нескольких до более десятка легирующих элементов. Когда в единстве нержавеющей стали сосуществуют несколько элементов, именно сумма влияния различных элементов определяет структуру нержавеющей стали.

Влияние различных элементов на структуру нержавеющей стали, в зависимости от их общности, можно разделить на две категории: одна — это элементы, образующие или стабилизирующие аустенит, это углерод, никель, марганец, азот, медь и другие. углерода и азота больше всего; другой тип — это элементы, образующие феррит, такие как хром, вольфрам, молибден, ниобий, кремний, титан, ванадий, алюминий и т. д. большую роль, чем хром. Когда эти два типа элементов сосуществуют в нержавеющей стали, структура нержавеющей стали зависит от результата их взаимного влияния.

Если влияние стабилизирующих элементов является основным аспектом, то в структуре нержавеющей стали преобладает аустенит с небольшим количеством феррита или без него; если их действия недостаточно для сохранения аустенита стали при комнатной температуре, Этот неустойчивый аустенит при охлаждении претерпевает мартенситное превращение, и структура стали мартенситная; если образуется железо. Если влияние элементов тела элемента является основным аспектом, структура стали в основном ферритная.

Помимо технологических факторов, эксплуатационные качества нержавеющей стали в основном зависят от состава ее внутренней структуры, а структура нержавеющей стали представляет собой сумму различных легирующих элементов в стали. Поэтому характеристики нержавеющей стали, в конечном счете, в основном определяются легирующими элементами.

Нержавеющая сталь, содержащая только хром, обычно называется «нержавеющим железом», а в промышленности ее называют «хромистой нержавеющей сталью». Эти типы сталей являются магнитными, а их металлографическая структура представляет собой ферритную, мартенситную или сложную структуру с ферритом и мартенситом в качестве основного тела. Этот тип стали обладает способностью противостоять атмосфере и слабым агрессивным средам, или имеет более высокую коррозионную стойкость и стойкость к окислению, или может быть закален для использования. Однако их механические свойства или технологические свойства плохие, и они почти не имеют недостатков, таких как характеристики сварки. Такие стали далеки от удовлетворения особых требований, предъявляемых к промышленным сталям.

В матрицу из хромистой нержавеющей стали добавляется соответствующее количество никеля. Например, после добавления 8 % никеля в ферритную сталь, содержащую 18 % хрома и низкоуглеродистую (менее 0,12 % углерода), наиболее идеальную чистую аустенитную группу можно получить при комнатной температуре. Плетение, этот вид стали - это то, что люди обычно называют немагнитной нержавеющей сталью. По сравнению с ферритными или мартенситными кислотостойкими нержавеющими сталями с тем же содержанием хрома, этот тип хромоникелевой нержавеющей стали не только обладает более высокой коррозионной стойкостью, но, что более важно, имеет Хорошие характеристики холодного деформационного упрочнения и характеристики сварки, высокая пластичность и ударопрочность при комнатной температуре или низкой температуре.

Он обладает превосходными свойствами, такими как ударная вязкость и немагнитные свойства. Недостатком этого типа нержавеющей стали является то, что механические свойства относительно низкие, и она более чувствительна к межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением, но ее можно улучшить или устранить с помощью соответствующих добавок к сплаву или технологических мероприятий.

В матрицу из хромистой нержавеющей стали добавляется нержавеющая сталь с марганцем в качестве основного легирующего элемента, которую обычно называют нержавеющей сталью с хлоридом хрома и марганца. В дополнение к более высокой прочности, чем хромоникелевая сталь, этот тип нержавеющей стали не так хорош, как хромоникелевая аустенитная нержавеющая сталь, например, по коррозионной стойкости и производительности процесса. Производство этого типа нержавеющей стали в основном направлено на экономию дорогостоящих никелевых элементов, поэтому этот тип стали также называют никелевой нержавеющей сталью.