不锈钢中各元素有何效果

现在，已知的化学元素有100多种，在工业中常用的钢铁材猜中能够遇到的化学元素约二十多种。关于人们在与腐蚀现象作长期斗争的实践而构成的不锈钢这一特别钢系列来说，最常用的元素有十几种，除了组成钢的底子元素铁以外，对不锈钢的功用与安排影响最大的元素是：碳、铬、镍、锰、硅、钼、钛、铌、钛、锰、氮、铜、钴等。这些元素中除碳、硅、氮以外，都是化学元素周期表中坐落过渡族的元素。实践上工业上运用的不锈钢都是一起存在几种以致十几种元素的，当几种元素共存于不锈钢这一个统一体中时，它们的影响要比独自存在时杂乱得多，因为在这种状况下不只要考虑各元素本身的效果，而且要注意它们相互之间的影响，因而不锈钢的安排决议于各种元素影响的总和。
一、各种元素对不锈钢的功用和安排的影响和效果
1-1铬在不锈钢中的决议效果：决议不锈钢性属的元素只要一种，这就是铬，每种不锈钢都含有必定数量的铬。迄今为止，还没有不含铬的不锈钢。铬之所以成为决议不锈钢功用的首要元素，底子的原因是向钢中添加铬作为合金元素今后，促进其内部的对立运意向有利于反抗腐蚀损坏的方面展开。这种改动能够从以下方面得到阐明：
①铬使铁基固溶体的电极电位进步
②铬吸收铁的电子使铁钝化
钝化是因为阳极反响被阻挠而引起金属与合金耐腐蚀功用被进步的现象。构成金属与合金钝化的理论许多，首要有薄膜论、吸附论及电子摆放论。
1-2.碳在不锈钢中的两重性
碳是工业用钢的首要元素之一，钢的功用与安排在很大程度上决议于碳在钢中的含量及其散布的方式，在不锈钢中碳的影响尤为显着。碳在不锈钢中对安排的影响首要表现在两方面，一方面碳是安稳奥氏体的元素，而且效果的程度很大（约为镍的30倍），另一方面因为碳和铬的亲和力很大，与铬构成—系列杂乱的碳化物。所以，从强度与耐腐烛功用两方面来看，碳在不锈钢中的效果是相互对立的。
认识了这一影响的规则，咱们就能够从不同的运用要求动身，挑选不同含碳量的不锈钢。
例如工业中运用最广泛的，也是最起码的不锈钢——0Crl3～4Cr13这五个钢号的规范含铬量规定为12～14％，就是把碳要与铬构成碳化铬的要素考虑进去今后才决议的，意图即在于使碳与铬结组成碳化铬今后，固溶体中的含铬量不致低于11.7％这一最低极限的含铬量。
就这五个钢号来说因为含碳量不同，强度与耐腐蚀功用也是有差异的，0Cr13～2Crl3钢的耐腐蚀性较好但强度低于3Crl3和4Cr13钢，多用于制作结构零件，后两个钢号因为含碳较高而可取得高的强度多用于制作绷簧、刀具等要求高强度及耐磨的零件。又如为了战胜18－8铬镍不锈钢的晶间腐蚀，能够将钢的含碳量降至0.03％以下，或许参加比铬和碳亲和力更大的元素（钛或铌），使之不构成碳化铬，再如当高硬度与耐磨性成为首要要求时，咱们能够在添加钢的含碳量的一起适当地进步含铬量，做到既满意硬度与耐磨性的要求，又统筹—定的耐腐蚀功用，工业上用作轴承、量具与刃具有不锈钢9Cr18和9Cr17MoVCo钢，含碳量虽高达0.85～0.95％，因为它们的含铬量也相应地进步了，所以仍确保了耐腐蚀的要求。
总的来讲，现在工业中取得运用的不锈钢的含碳量都是比较低的，大多数不锈钢的含碳量在0.1～0.4％之间，耐酸钢则以含碳0.1～0.2％的居多。含碳量大于0.4％的不锈钢仅占钢号总数的一小部分，这是因为在大多数运用条件下，不锈钢总是以耐腐蚀为首要意图。此外，较低的含碳量也是出于某些工艺上的要求，如易于焊接及冷变形等。
1-3.镍在不锈钢中的效果是在与铬合作后才发挥出来的
镍是优秀的耐腐蚀材料，也是合金钢的重要合金化元素。镍在钢中是构成奥氏体的元素，但低碳镍钢要取得纯奥氏体安排，含镍量要到达24％；而只要含镍27％时才使钢在某些介质中的耐腐蚀功用显着改动。所以镍不能独自构成不锈钢。可是镍与铬一起存在于不锈钢中时，含镍的不锈钢却具有许多可贵的功用。
根据上面的状况可知，镍作为合金元素在不锈钢中的效果，在于它使高铬钢的安排发作改动，从而使不锈钢的耐腐蚀功用及工艺功用取得某些改进。
1-4.锰和氮能够替代铬镍不锈钢中镍
铬镍奥氏体钢的长处尽管许多，但近几十年来因为镍基耐热合金与含镍20％以下的热强钢的很多展开与运用，以及化学工业日益展开对不锈钢的需要量越来越大，而镍的矿藏量较少且又会集散布在少数区域，因而在世界范围内呈现了镍在供和需方面的对立。所以在不锈钢与许多其他合金范畴（如大型铸锻件用钢、工具钢、热强钢等）中，特别是镍的资源比较缺少的国家，广泛地展开了节镍和以其他元素代镍的科学研讨与出产实践，在这方面研讨和运用比较多的是以锰和氮来替代不锈钢与耐热钢中的镍。
锰关于奥氏体的效果与镍类似。但说得切当一些，锰的效果不在于构成奥氏体，而是在于它下降钢的临界淬火速度，在冷却时添加奥氏体的安稳性，按捺奥氏体的分化，使高温下构成的奥氏体得以坚持到常温。在进步钢的耐腐蚀功用方面，锰的效果不大，如钢中的含锰量从0到10．4%改动，也不使钢在空气与酸中的耐腐蚀功用发作显着的改动。这是因为锰对进步铁基固溶体的电极电位的效果不大，构成的氧化膜的防护效果也很低，所以工业上虽有以锰合金化的奥氏体钢（如40Mn18Cr4,50Mn18Cr4WN、ZGMn13钢等），但它们不能作为不锈钢运用。锰在钢中安稳奥氏体的效果约为镍的二分之一，即2％的氮在钢中的效果也是安稳奥氏体，而且效果的程度比镍还要大。例如，欲使含18％铬的钢在常温下取得奥氏体安排，以锰和氮代镍的低镍不锈钢与元镍的铬锰氮不诱钢，现在已在工业中取得运用，有的已成功地替代了经典的18-8铬镍不锈钢。
1-5.不锈钢中加钛或铌是为了避免晶间腐蚀。
1-6.钼和铜能够进步某些不锈钢的耐腐蚀功用。
1-7.其他元素对不锈钢的功用和安排的影响
以上首要的九种元素对不锈钢的功用和安排的影响，除这些元素对不锈钢功用与安排影响较大的元素以外，不锈钢中还含有一些其他的元素。有的是和一般钢相同为常存杂质元素，如硅、硫、磷等．也有的是为了某些特定的意图而参加的，如钴、硼、硒、稀土元素等。从不锈钢的耐腐蚀功用这一首要性质来说，这些元素相关于已评论的九种元素，都对错首要方面的，尽管如此，但也不能彻底疏忽，因为它们对不锈钢的功用与安排相同也发作影响。
硅是构成铁素体的元素，在一般不锈钢中为常存杂质元素。
钴作为合金元素在钢中运用不多，这是因为钴的价格高及其在其它方面（如高速钢、硬质合金、钴基耐热合金、磁钢或硬磁合金等）有着更重要的用处。在一般不锈钢中加钴作合金元素的也不多，常用不锈钢如9Crl7MoVCo钢（含1.2-1.8％钴）加钴，意图并不在于进步耐腐蚀功用而在于进步硬度，因为这种不锈钢的首要用处是制作切片机械刃具、剪刀及手术刀片等。
硼：高铬铁素体不锈钢Crl7Mo2Ti钢中加0．005％硼，可使在欢腾的65％醋酸中的耐腐蚀功用进步。加微量的硼（0.0006～0.0007％）可使奥氏体不锈钢的热态塑性改进。少数的硼因为构成低熔点共晶体，使奥氏体钢焊接时发生热裂纹的倾向增大，但含有较多的硼（0．5～0．6％）时，反而可避免热裂纹的发生。因为当含有0．5～0．6％的硼时，构成奥氏体－硼化物两相安排，使焊缝的熔点下降。熔池的凝结温度低于半溶化区时，母材在冷却时发生的张应力，由处于液态．固态的焊缝金属接受，此刻是不致引起裂缝的，即便在近缝区构成了裂纹，也能够为处于液态－固态的熔池金属所填充。含硼的铬镍奥氏体不锈钢在原子能工业中有着特别的用处。
磷：在一般不锈钢中都是杂质元素，但其在奥氏体不锈钢中的危害性不像在一般钢中那样显着，故含量可答应高一些，如有的材料提出可达0．06％，以利于锻炼操控。单个的含锰的奥氏体钢的含磷量可达0．06％（如2Crl3NiMn9钢）以致0.08％（如Cr14Mnl4Ni钢）。使用磷对钢的强化效果，也有加磷作为时效硬化不锈钢的合金元素，PH17－10P钢(含0．25％磷)乃PH－HNM钢（含0．30磷）等。
硫和硒：在一般不锈钢中也是常有杂质元素。但向不锈钢中加0．2～0．4％的硫，可进步不锈钢的切削功用，硒也具有相同的效果。硫和硒进步不锈钢的切削功用，是因为它们下降不锈钢的耐性，例如一般18－8铬镍不锈钢的冲击值可达30公斤/厘米2。含0．31％硫的18－8钢（0．084％C、18．15％Cr、9．25％Ni）的冲击值为1．8公斤/平方厘米；含0。22％硒的18－8钢（0．094％C、18．4％Cr、9％Ni）的冲击值为3．24公斤/平方厘米。硫与硒均下降不锈钢的耐腐蚀功用，所以实践运用它们作为不锈钢的合金化元素的很少。
稀土元素：稀土元素运用于不锈钢，现在首要在于改进工艺功用方面。如向Crl7Ti钢和Cr17Mo2Ti钢中加少数的稀土元素，能够消除钢锭中因氢气引起的气泡和削减钢坯中的裂纹。奥氏体和奥氏体－铁素体不锈钢中加0．02～0．5％的稀土元素（铈镧合金），可显着改进铸造功用。曾有一种含19．5%铬、23％镍以及钼铜锰的奥氏体钢，因为热加工工艺功用在曩昔只能出产铸件，加稀土元素后则可轧制成各种型材。