走进不锈钢-什么是不锈钢

 新闻资讯     |      2020-11-10 09:49:00

(一)什么是不锈钢

不锈钢(Stainless Steel)是不锈耐酸钢的简称,耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质或具有不锈性的钢种称为不锈钢;而将耐化学腐蚀介质(酸、碱、盐等化学浸蚀)腐蚀的钢种称为酸钢。

由于两者在化学成分上的差异而使他们的耐蚀性不同,普通不锈钢一般不耐化学介质腐蚀,而耐酸钢则一般均具有不锈性。“不锈钢”一词不仅仅是单纯指一种不锈钢,而是表示一百多种工业不锈钢,所开发的每种不锈钢都在其特定的应用领域具有良好的性能。成功的关键首先是要弄清用途,然后再确定正确的钢种。和建筑构造应用领域有关的钢种通常只有六种。它们都含有 17~22%的铬,较好的钢种还含有镍。添加钼可进一步改善大气腐蚀性,特别是耐含氯化物大气的腐蚀。

不锈钢指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢,又称不锈耐酸钢。实际应用中,常将耐弱腐蚀介质腐蚀的钢称为不锈钢,而将耐化学介质腐蚀的钢称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异,前者不一定耐化学介质腐蚀,而后者则一般均具有不锈性。不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素。

(二)不锈钢的结构成分

不锈钢的耐蚀性随含碳量的增加而降低,因此,大多数不锈钢的含碳量均较低,最大不超过 1.2%,有些钢的 C(含碳量)甚至低于 0.03%(如 00Cr12 超低碳铁素体不锈钢)。不锈钢中的主要合金元素是 Cr(铬),只有当 Cr 含量达到一定值时,钢材有耐蚀性。因此,不锈钢一般 Cr(铬)含量至少为 10.5%。不锈钢中还含有 Ni 镍、Ti 钛、Mn 锰、N 氮、Nb 铌、Mo钼、Si 硅、Cu 铜等元素。

(三)不锈钢的主要类型

1 按组织状态分类

马氏体钢铁素体钢奥氏体钢、奥氏体-铁素体(双相)不锈钢及沉淀硬化不锈钢等。 另外,可按成分分为:铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢等。还有用于压力容器用的专用不锈钢《GB24511_2009_承压设备用不锈钢钢板及钢带》。

l 铁素体不锈钢

铬 15%~30%。其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高,耐氯化物应力腐蚀性能优于其他种类不锈钢,属于这一类的有 Crl7、Cr17Mo2Ti、Cr25,Cr25Mo3Ti、Cr28 等。铁素体不锈钢因为含铬量高,耐腐蚀性能与抗氧化性能均比较好,但机械性能与工艺性能较差, 多用于受力不大的耐酸结构及作抗氧化钢使用。这类钢能抵抗大气、硝酸及盐水溶液的腐蚀, 并具有高温抗氧化性能好、热膨胀系数小等特点,用于硝酸及食品工厂设备,也可制作在高温下工作的零件,如燃气轮机零件等。

l 奥氏体不锈钢

含铬大于 18%,还含有 8%左右的镍及少量钼、钛、氮等元素。综合性能好,可耐多种介质腐蚀。奥氏体不锈钢的常用牌号有 1Cr18Ni9、0Cr19Ni9 等。0Cr19Ni9 钢的 Wc<0.08%,钢号中标记为“0”。这类钢中含有大量的 Ni 和 Cr,使钢在室温下呈奥氏体状态。这类钢具有良好的塑性、韧性、焊接性、耐蚀性能和无磁或弱磁性,在氧化性和还原性介质中耐蚀性均较好,用来制作耐酸设备,如耐蚀容器及设备衬里、输送管道、耐硝酸的设备零件等,另外还可用作不锈钢钟表饰品的主体材料。奥氏体不锈钢一般采用固溶处理,即将钢加热至 1050~1150℃,然后水冷或风冷,以获得单相奥氏体组织。

l 奥氏体 - 铁素体双相不锈钢

兼有奥氏体和铁素体不锈钢的优点,并具有超塑性。奥氏体和铁素体组织各约占一半的不锈钢。在含碳量较低的情况下,铬(Cr)含量在 18%~28%,镍(Ni)含量在 3%~10%。有些钢还含有 Mo 钼、Cu 铜、Si 硅、Nb 铌、Ti 钛,N 氮等合金元素。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点,与铁素体相比,塑性、韧性更高,无室温脆性,耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高,同时还保持有铁素体不锈钢的 475℃脆性以及导热系数高,具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比,强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能,也是一种节镍不锈钢。

l 沉淀硬化不锈钢

基体为奥氏体或马氏体组织,沉淀硬化不锈钢的常用牌号有 04Cr13Ni8Mo2Al 等。其能通过沉淀硬化(又称时效硬化)处理使其硬(强)化的不锈钢马氏体不锈钢强度高,但塑性和可焊性较差。马氏体不锈钢的常用牌号有 1Cr13、3Cr13 等,因含碳较高,故具有较高的强度、硬度和耐磨性,但耐蚀性稍差,用于力学性能要求较高、耐蚀性能要求一般的一些零件上, 如弹簧、汽轮机叶片、水压机阀等。这类钢是在淬火、回火处理后使用的。锻造、冲压后需退火。

结构成分分类

按成分可分为 Cr 系(400 系列)、Cr-Ni 系(300 系列)、Cr-Mn-Ni(200 系列)、耐热铬合金钢(500 系列)及析出硬化系(600 系列)。

200 系列:铬-锰-镍

201、202 等:以锰代镍,耐腐蚀性比较差,国内广泛用作 300 系列的廉价替代品

300 系列:铬-镍 奥氏体不锈钢

301:延展性好,用于成型产品。也可通过机械加工使其迅速硬化。焊接性好。抗磨性和 疲劳强度优于 304 不锈钢

302:耐腐蚀性同 304,由于含碳相对要高因而强度更好。

303:通过添加少量的硫、磷使其较 304 更易切削加工。

304:通用型号;即 18/8 不锈钢。产品如:耐蚀容器、餐具、家俱、栏杆、医疗器材、管道。标准成分是 18 % 铬加 8 % 镍。为无磁性、无法借由热处理方法来改变其金相组织结构的不锈钢。GB 牌号为 0Cr18Ni9。

304 L:与 304 相同特性,但低碳故更耐蚀、易热处理,但机械性较差 适用焊接及不易热处理之产品。

304 N:与 304 相同特性,是一种含氮的不锈钢,加氮是为了提高钢的强度。

309:较之 304 有更好的耐温性,耐温高达 980℃。

309 S:具多量铬、镍,故耐热、抗氧化性佳,产品如:热交换器、锅炉零组件、喷射引擎。

310:高温耐氧化性能优秀,最高使用温度 1200℃。

316:继 304 之后,第二个得到最广泛应用的钢种,主要用于食品工业、钟表饰品、制药行业和外科手术器材,添加钼元素使其获得一种抗腐蚀的特殊结构。由于较之 304 其具有更好的抗氯化物腐蚀能力因而也作“船用钢”来使用。SS316 则通常用于核燃料回收装置。18/10 级不锈钢通常也符合这个应用级别。

316 L:低碳故更耐蚀、易热处理,产品如:化学加工设备、核能发电机、冷冻剂储糟。

321:除了因为添加了钛元素降低了材料焊缝锈蚀的风险之外,其他性能类似 304。

347:添加安定化元素铌,适于焊接 航空器具零件及化学设备。

400 系列:铁素体和马氏体不锈钢,无锰,一定程度上可替代 304 不锈钢

408:耐热性好,弱抗腐蚀性,11%的 Cr,8%的 Ni。

409:最廉价的型号(英美),通常用作汽车排气管,属铁素体不锈钢(铬钢)。

410:马氏体(高强度铬钢),耐磨性好,抗腐蚀性较差。

416:添加了硫改善了材料的加工性能。

420:“刃具级”马氏体钢,类似布氏高铬钢这种最早的不锈钢。也用于外科手术刀具, 可以做的非常光亮。

430:铁素体不锈钢,装饰用,例如用于汽车饰品。良好的成型性,但耐温性和抗腐蚀性 要差。

440:高强度刃具钢,含碳稍高,经过适当的热处理后可以获得较高屈服强度,硬度可以 达到 58HRC,属于最硬的不锈钢之列。最常见的应用例子就是“剃须刀片”。常用型号有 三种:440A、440B、440C,另外还有 440F(易加工型)。

500 系列:耐热铬合金钢。

600 系列:马氏体沉淀硬化不锈钢。

注:国际不锈钢标示方法

美国钢铁学会是用三位数字来标示各种标准级的可锻不锈钢的。其中:

奥氏体型不锈钢用 200 和 300 系列的数字标示,例如,某些较普通的奥氏体不锈钢是以 201、 304、 316 以及 310 为标记。

②铁素体和马氏体型不锈钢用 400 系列的数字表示。

铁素体不锈钢是以 430 和 446 为标记,马氏体不锈钢 是以 410、420 以及 440C 为标记。

④双相(奥氏体-铁素体),不锈钢、沉淀硬化不锈钢以及含铁量低于 50%的高合金通常是采用专利名称或商标命名。

(五)不锈钢产量及应用发展历程

我国不锈钢产业发展进步较晚,建国以来到改革开放前,我国不锈钢的需求主要是以工业和国防尖端使用为主。改革开放后,国民经济的快速发展,人民生活水平的显著提高,拉动了不锈钢的需求。进入上世纪 90 年代后,我国不锈钢产业进入快速发展期,不锈钢需求的增速远高于全球水平。1990 年以来,全球不锈钢表观消费量以年均 6%的速度增长,而 90 年代的 10 年间,我国不锈钢表观消费量是世界年均增长率的 2.9 倍。进入 21 世纪,我国不锈钢产业高速增长。

2000 年-2006 年,我国不锈钢消费量年平均增长率在 21.17%以上。其中,2001 年,我国不锈钢表观消费量达到 205 万吨,超过美国成为世界第一不锈钢消费大国。

2018 年全年,我国不锈钢产量增长了 10.3%至 2495.7 万吨。不锈钢是当今世界上应用最广泛、性能价格比最优的钢材表面处理方法。

(六)不锈钢的主要特性

(1) 化学性能

耐腐蚀性

绝大多数不锈钢制品要求耐腐蚀性能好,像一、二类餐具、厨具、热水器、饮水机、水管等,有些国外商人对产品还做耐腐蚀性能试验:用 NACL 水溶液加温到沸腾,一段时间后倒掉溶液,洗净烘干,称重量损失,来确定受腐蚀程度(注意:产品抛光时,因砂布或砂纸中含有 Fe 的成分,会导致测试时表面出现锈斑)

当钢中铬量原子数量不低于 12.5%时,可使钢的电极电位发生突变,由负电位升到正的电极电位。阻止电化学腐蚀。

抛光性能

当今社会不锈钢制品在生产时一般都经过抛光这一工序,只有少数制品如热水器、饮水机内胆等不需要抛光。因此这就要求原料的抛光性能很好。影响抛光性能的因素主要有以下几点:

①原料表面缺陷。如划伤、麻点、过酸洗等。

②原料材质问题。硬度太低,抛光时就不易抛亮(BQ 性不好),而且硬度太低,在深拉伸时表面易出现桔皮现象,从而影响 BQ 性。硬度高的 BQ 性相对就好。

③经过深拉伸的制品,变形量极大的区域表面也会出小的黑点和 RIDGING,从而影响 BQ性。

耐热性能

耐热性能是指高温下不锈钢仍能保持其优良的物理机械性能。

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)中的耐应力耐腐蚀的性能。

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的耐蚀用途中的一些条件下(比如焊接或经 450~850℃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程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,避免铬的碳化物析出。

焊接性

产品用途的不同对焊接性能的要求也各不相同。一类餐具对焊接性能一般不做要求,甚至包括部分锅类企业。但是绝大多数产品都需要原料焊接性能好,像二类餐具、保温杯、钢管、热水器、饮水机、水管等。

1 、物理性能--与碳钢比较

与碳钢比较1、密度碳钢的密度略高于铁素体和马氏体型不锈钢,而略低于奥氏体型不锈钢;

2、电阻率电阻率按碳钢、铁素体型、马氏体型和奥氏体型不锈钢排序递增;

3、线膨胀系数大小的排序也类似,奥氏体型不锈钢最高而碳钢最小;

4、碳钢、铁素体型和马氏体型不锈钢有磁性,奥氏体型不锈钢无磁性,但其冷加工硬化 生成马氏体相变时将会产生磁性,可用热处理方法来消除这种马氏体组织而恢复其无磁性。

奥氏体型不锈钢与碳钢相比,具有下列特点:

高的电阻率,约为碳钢的 5 倍。大的线膨胀系数,比碳钢大 40%,并随着温度的升高,线膨胀系数的数值也相应地提高。

低的热导率,约为碳钢的 1/3。

(2) 表面加工特性

原面:NO.1 热轧后施以热处理及酸洗处理的表面。一般用于冷轧材料,工业用槽罐、化学工业装置等,厚度较厚由 2.0MM-8.0MM。

钝面:NO.2D 冷轧后经热处理、酸洗者,其材质柔软,表面呈银白色光泽,用于深冲压加工,如汽车构件等。

雾面:NO.2B 冷轧后经热处理、酸洗,再以精轧加工使表面为适度之光亮者。由于表面光滑,易于再研磨,使表面更加光亮,用途广泛,如餐具、建材、水管等。采用改善机械性能的表面处理后,几乎满足所有用途。

粗砂NO.3 用 100-120 号研磨带研磨出来的产品。具有较佳的光泽度,具有不连续的粗纹。用于建筑内外装饰材料、电器产品及厨房设备等。

细砂:NO.4 用粒度 150-180 号研磨带研磨出来的产品。具有较佳的光泽度,具有不连续的粗纹,条纹比 NO.3 细。用于浴池、建筑内外的装饰材料、电器产品、厨房设备及食品设备等。

#320 用 320 号研磨带研磨出来的产品。具有较佳的光泽度,具有不连续的粗纹,条纹比NO.4 细。用于浴池、建筑内外装饰材料、电器产品、厨房设备及食品设备等。

毛丝面 HAIRLINE:HLNO.4 经适当粒度抛光砂带的连续研磨生成研磨花纹的产品(细分150-320 号)。主要用于建筑装饰,电梯,建筑物的门、面板等。

亮面:BA 经冷轧后施以光亮退火,并经过平整得到的产品。表面光泽度极好,有很高的反射率。如同镜面的表面。用于家电产品、镜子、厨房设备、装饰材料等。

(3) 不锈钢常见腐蚀问题

不锈钢是靠其表面形成的一层极薄而又坚固细密的稳定的富铬氧化膜(防护膜)。防止氧 原子继续渗入继续氧化,而获得抗锈蚀能力。一旦有某种原因,这种薄膜受到不断的破坏,空气或液体中的氧原子就会不断地析离出来,形成疏松的氧化铁,金属表面也就受到不断的锈蚀。

国内很多厂家出于成本考虑,在不锈钢中降低了铬、镍,增加了锰的含量。不锈钢之所 以能不锈,就是因为有铬和镍的存在,降低这两种成分的含量会降低防锈性能。

1、使用环境中存在氯离子

氯离子广泛存在,比如食盐/汗迹/海水/海风/土壤等等。不锈钢在氯离子存在下的环境中,腐蚀很快,甚至超过普通的低碳钢。所以对不锈钢的使用环境有要求,美国有一个例子: 某企业用一橡木容器盛装某含氯离子的溶液,该容器已使用近百余年,上个世纪九十年代计划更换,因橡木材料不够现代,采用不锈钢更换后 16 天容器因腐蚀泄漏。

2、没有经过固溶处理

合金元素没有溶入基体,致使基体组织合金含量低,抗蚀性能差。

碳在奥氏体不锈钢中的溶解度与温度有很大影响。奥氏体不锈钢在经 400℃~850℃的温度范围内时,会有高铬碳化物析出,当铬含量降至耐腐蚀性界限之下,此时存在晶界贫铬, 会产生晶间腐蚀,严重时能变成粉末。所以有晶间腐蚀倾向的奥氏体不锈钢应进行固溶热处理或稳定化处理。

固溶热处理:将奥氏体不锈钢加热到 1100℃左右,使碳化物相全部或基本溶解,碳固溶于奥氏体中,然后快速冷却至室温,使碳达到过饱和状态。这种热处理方法为固溶热处理。

固溶热处理中的快速冷却似乎象普通钢的淬火,但此时的‘淬火’与普通钢的淬火是不同的,前者是软化处理,后者是淬硬。后者为获得不同的硬度所采取的加热温度也不一样, 但没到 1100℃。

3、天生的晶间腐蚀

这种不含钛和铌的材料有晶间腐蚀的倾向。加入钛和铌,再配以稳定处理,可以减少晶间腐蚀。在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种高合金钢,不锈钢是具有美观的表面和耐腐蚀性能好,不必经过镀色等表面处理,而发挥不锈钢所固有的表面性能,使用于多方面的钢铁的一种,通常称为不锈钢。代表性能的有 13 铬钢,18-8 铬镍钢等高合金钢。从金相学角度分析,因为不锈钢含有铬而使表面形成很薄的铬膜,这个膜隔离开与钢内侵入的氧气起耐腐蚀的作用。为了保持不锈钢所固有的耐腐蚀性,钢必须含有 12%以上的铬。用于需要焊接的场合,较低的碳含量使得在靠近焊缝的热影响区中所析出的碳化物减至最少,而碳化物的析出可能导致不锈钢在某些环境中产生晶间腐蚀。

4、浮铁粉或嵌入的铁

在任何表面上,游离铁都会生锈并使不锈钢产生腐蚀。因此,必须清除。浮粉一般可随粉尘一起清除掉。有些粘着力很强,必须按嵌入的铁处理。除粉尘外,表面铁的来源很多, 特别是在工地这样复杂又恶劣的环境下,在不锈钢部件及管道附近对非不锈钢制品进行修磨, 玻璃珠或其研磨料进行喷丸处理,或在下料或起吊过程中如果不对不锈钢采取保护措施,钢丝绳、吊具和工作台面上的铁很容易嵌入或玷污表面。

5、杂散电流腐蚀

杂散电流指在设计或规定的回路以外流动的电流,它在土壤中流动,且与被保护管道系统无关。该电流从管道的某一部位进入管道,沿管道流动一段距离后,又从管道流入土壤或建筑物,在电流流出部位管道发生腐蚀。杂散电流一般来源于:外加电流阴极保护系统,直流电车系统、直流开矿及焊接系统、高压交直流输电线路。直流干扰是由于大地中直流杂散电流的作用而引起的埋地金属管道表面产生电解腐蚀,继而造成管道腐蚀穿孔和泄漏。直流干扰会导致管道剧烈腐蚀,这种腐蚀的速率往往是自然腐蚀的几十倍甚至上百倍。