合金元素对不锈钢耐蚀性和基体组织的影响(合金元素在不锈钢中的作用)
导语：合金元素对不锈钢耐蚀性和基体组织的影响
不锈钢的基体组织是获得所需力学性能和工艺性能的保证，而更重要的是具有良好的耐蚀性的保证。单相铁素体钢、单相奥氏体钢是不锈钢中耐蚀性较好的两类钢。合金元素对基体组织的影响首先取决于合金元素是铁素体(α)稳定剂还是奥氏体(γ)稳定剂。α稳定剂的元素占优势可获得单相α不锈钢;反之则获得单相γ不锈钢。
1、铬
铬是决定不锈钢耐蚀性的主要元素，当铬含量(原子比)达到1/8、2/8….时，铁的电极电位就跳跃式地增加，耐蚀性也随之提高。铬元素是α稳定化元素。铬的氧化物比较致密，可形成耐蚀的保护膜。
2、碳和氮
碳能强烈地稳定奥氏体，稳定奥氏体的能力约为Ni的30倍;同时，又是不锈钢强化的主要元素;碳与铬能形成一系列碳化物，使不锈钢的耐蚀性受到严重影响;同时碳会使不锈钢的加工性能和焊接性能变坏，使铁素体不锈钢变脆，因此在不锈钢的生产中和开发中，碳的应用和控制是一项重要的工作。
碳和铬的配合对形成不锈钢组织的影响如下图所示。图中表明，在含碳量较低，含铬量较高时，会获得铁素体组织;当含碳量较高，含铬量较低时，会得到马氏体组织。在铬不锈钢中，当含铬量在17%以下时，随着含碳量的增加，可以获得基体为马氏体的不锈钢。当含碳量较低，含铬量在13%时，就可以获得铁素体不锈钢。当含铬量从13%增加到27%时，由于铬含量增加，稳定铁素体的能力增加，钢中碳含量相应的增加(从0.05%到0.2%)，仍能保持铁素体基体。
图 碳和铬的配合对不锈钢组织的影响
3、镍
镍是不锈钢中3个重要元素之一，镍能够提高不锈钢的耐蚀性;镍还是γ相稳定化元素，是不锈钢中获得单相奥氏体和促进奥氏体形成的主要元素。镍能有效地降低Ms点，使奥氏体能保持到很低的温度(-50℃以下)不发生马氏体转变。
镍含量的增加会降低C、N在奥氏体钢中的溶解度，从而使碳氮化合物脱溶析出的倾向增加。随着镍含量的提高，产生晶间腐蚀的临界含碳量降低，即钢的晶间腐蚀敏感性增加。镍对奥氏体不锈钢的耐点腐蚀及缝隙腐蚀的影响并不显著。此外，镍还可以提高奥氏体不锈钢的高温抗氧化性能，这主要与镍改善铬的氧化膜的成分、结构和性能有关，但镍的存在会降低钢的抗高温硫化性能。
4、锰
锰是比较弱的奥氏体形成元素，但具有强烈稳定奥氏体组织的作用。锰在奥氏体不锈钢中部分替代Ni，2%Mn相当1%Ni。锰也能提高铬不锈钢在有机酸如醋酸、甲酸和乙醇酸中的耐蚀性，而且比镍更有效。当钢中Cr含量大于14%时，仅靠加入Mn无法获得单一的奥氏体组织。由于不锈钢中Cr含量大于17%时才有比较好的耐蚀性，因此工业上已应用的Mn代Ni的奥氏体不锈钢主要是Fe-Cr-Mn-Ni-N型钢，如12Cr18Mn9Ni5N等，而无镍的Fe-Cr-Mn-N奥氏体不锈钢的用量较少。
5、氮
氮元素在早期主要用于Cr-Mn-N和Cr-Mn-Ni-N奥氏体不锈钢中，以节约Ni元素。近年来氮已经成为Cr-Ni奥氏体不锈钢的重要合金元素。
在奥氏体不锈钢中加入氮，可以稳定奥氏体组织，提高强度、耐腐蚀性能，特别是局部耐腐蚀性能，如耐晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等。在普通低碳、超低碳奥氏体不锈钢中，可以改善抗晶间腐蚀性能，其原因是氮影响敏化处理时碳化铬的析出过程，提高了晶界的铬浓度。在高纯奥氏体不锈钢中，没有碳化铬的沉淀析出。此时氮的作用有：一是氮增加钝化膜的稳定性，降低平均腐蚀率;二是含氮高的钢中虽有氮化铬析出，但氮化铬的沉淀速度很慢，敏化处理不会造成晶间贫铬，对晶间腐蚀影响很小。氮对磷在晶界偏聚有抑制作用，可以提高钢的耐晶间腐蚀作用。
目前应用的含氮奥氏体不锈钢主要以耐腐蚀为主，同时具有较高的强度;可以分为控氮型、中氮型和高氮型3种类型。控氮型是在超低碳(C≤0.02%~0.03%)Cr-Ni奥氏体不锈钢中加入0.05%~0.10%N，用以提高钢的强度，同时优化钢的耐晶间腐蚀和耐应力腐蚀性能;中氮型含有0.10%~0.50%N，在正常大气压条件下冶炼和浇注;高氮型氮含量在0.40%以上，一般在增加压力的条件下冶炼和浇注，主要在固溶态或半冷加工态下使用，既具有高强度，又有耐腐蚀性。目前氮含量达到0.8%~1.0%水平的高氮奥氏体钢已获得实际应用并开始工业化生产。
6、钛、铌、钼及稀土元素
钛和铌是强碳化物形成元素，可优先于铬同碳形成碳化物，防止晶间腐蚀，提高耐蚀性。钛和铌的加入必须与钢中的碳保持一定的比例。
钼能提高不锈钢的钝化能力，扩大其钝化介质范围，如在热硫酸、稀盐酸、磷酸和有机酸中。含钼的钝化膜在许多介质中具有很高的稳定性，不易溶解。可防止Cl-对钝化膜的破坏，所以含钼不锈钢具有抗点腐蚀的能力。
稀土元素如Ce、La、Y等加入到不锈钢中，可以微量固溶在基体中，净化晶界，变质夹杂物，均匀组织，减少析出物的析出及在晶界的偏聚，从而改善钢的耐腐蚀性和力学性能。
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