不銹鋼知識漫談
發(fā)布時間：
2022-11-28
前言：
鋼鐵是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，任何行業(yè)都離不開鋼鐵的應(yīng)用。我們住的房子、炊事工具、紡織機器、行走的交通工具、能源設(shè)備、能有材料代替鋼鐵嗎？到目前還沒有。所以，沒有鋼鐵，我們將什么都沒有。人類的活動決定物質(zhì)世界，人類從了解自然到了解自我，人類創(chuàng)造了需要什么？人類發(fā)現(xiàn)了火，知道了工具；人類防止野獸傷害，知道了把房子集聚在一起；把房子集聚在一起，知道了人類的社會活動；社會活動導(dǎo)致不同的需要，鋼鐵的發(fā)展就是從人們需要開始。
鋼鐵是怎么煉成的嗎？這是一句很平常的問話，卻反應(yīng)出鋼鐵慢長的發(fā)展史。最早發(fā)現(xiàn)鋼鐵是什么時候，因沒文字，所以沒記載。我們所記錄鋼鐵的加工方法，只有鑄造技術(shù)，鑄造技術(shù)有5000年還是7000年，出土文物的年代不斷地往前更改。這一技術(shù)到200多年前的工業(yè)革命，煉鋼技術(shù)興起，鋼鐵從靜壓工程發(fā)展到用于動壓工程，各種結(jié)構(gòu)用材料得到應(yīng)用，隨著火車、船舶、汽車、飛機、航天和石油化工的工業(yè)化，特殊性能的鋼材開發(fā)出來，不銹鋼就是在特殊鋼的基礎(chǔ)上被發(fā)明的。也成為了鋼鐵家庭中的一員。
一、鋼鐵的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)
1、鋼鐵品種分類：
2、鋼鐵制造方法分類：
1）鑄造冶金
鑄造是用熱熔化金屬，使其成為液態(tài)再澆入鑄模，凝固成型。這就是可方可圓的道理。鑄造技術(shù)的特點：可制造任意復(fù)雜的形狀，而其它加工技術(shù)望塵莫及的。小到幾克的戒指，大到數(shù)百噸的機座，如軋機機座，液壓機機座，在金屬加工技術(shù)應(yīng)用最多，飛機、船舶、鐵道車輛、汽車、交通設(shè)施和農(nóng)業(yè)機械以及炊事用具等都離不開鑄造技術(shù)，大致占金屬加工60%以上。
2）鍛造冶金
鍛造加工技術(shù)是古老的金屬加工技術(shù)，俗話說，千錘百煉，百煉成鋼，這就是鍛造的含義。適用于難變形的鋼、多合金元素的鋼，因多組織凝固而形成的內(nèi)裂紋和縮孔，通過鍛造使內(nèi)部被擠壓，消除內(nèi)裂紋和縮孔，使鋼基致密性提高。特別是大規(guī)格和大件澆注材料，內(nèi)部中心凝固的時間較長，形成縮孔。如大型電機軸、軋輥、傳動軸等采用鍛造加工技術(shù)才能滿足技術(shù)要求。
3）壓延冶金
壓延技術(shù)就是常說的壓軋塑性變形。是鍛打技術(shù)隨工業(yè)革命發(fā)展起來的實用技術(shù)，是鍛打加工走向節(jié)能加工符合現(xiàn)代要求的主要加工技術(shù)。主要制造長材和薄材金屬產(chǎn)品，連續(xù)地把塊狀坯料軋制成板材、棒材和管材，再延伸軋制不同斷面的型材（角鋼、槽鋼、工字鋼、方鋼、扁鋼和螺紋鋼等）
4）粉磨冶金
金屬粉末是日常用品較普遍的產(chǎn)品。用于模具（硬質(zhì)合金：無縫鋼管穿孔頂模，鋼材拉拔模具，機械加工切削刀具、石油鉆頭），磁性材料（鐵氧體，永磁體等），過濾器（分子過濾器、鋼液過濾器、），催化劑（高分子分解、化學(xué)反應(yīng)、石油裂解），電池和涂料。特別是電器用的多孔無油合金軸承（風(fēng)扇，空調(diào)，冰箱等用軸承）。金屬粉末制造技術(shù)有機械破碎法、脆化處理+機械破碎法、還原法（木炭還原法，制作鎢粉和鉬粉，鐵粉和鈷粉）、電解法（水溶液電解法，熔鹽電解法，液體金屬陰極法）、噴霧法（用氣體或水噴霧液體金屬）、羰基法。
二、不銹鋼比例與前景
根據(jù)世界各統(tǒng)計單位對不銹鋼2010年的消耗量定在了3200萬噸，而世界粗鋼產(chǎn)量定在了14億噸，不銹鋼所占比例為2.3%。我國2010年鋼產(chǎn)量達6.2億噸，不銹鋼產(chǎn)量為1126萬噸，占鋼產(chǎn)量的1.8%，與世界平均水平還差0.5%個百分點。與先進國家日本10%，美國8%還有很長一段距離。
前段說的普鋼在鋼鐵產(chǎn)業(yè)中的比例量達到90%左右。普鋼解釋為普通用途的鋼，從金屬元素稱鐵-碳合金。是金屬鐵元素中含有多少百分比的碳元素組成的金屬，根據(jù)含碳量的高低分為：
鑄鐵（碳含量≥2%）；
高碳鋼（碳含量2.0%-0.65%）；
中碳鋼（碳含量0.65%-0.2%）；
低碳鋼（碳含量≤0.2%）。
其余10%左右的鋼是三種金屬元素組成的鋼為特鋼產(chǎn)品。不銹鋼屬特鋼產(chǎn)品之一個種類，以20年前不銹鋼比例的0.5%左右發(fā)展到當(dāng)前的比例2.3%，可以說；也有了很大發(fā)展。隨著地球環(huán)境變化和資源的耗盡，不銹鋼具有滿足現(xiàn)代要求的材料，將逐步代替普鋼部分產(chǎn)品。如橋梁的壽命提高到大于120年，沿海碼頭用鋼結(jié)構(gòu)和混泥土鋼結(jié)構(gòu)都需提高壽命和可回收再循環(huán)利用，不銹鋼應(yīng)用前景隨人類生活條件而改變。
三、何謂不銹鋼
1、不銹鋼的定義
不銹是針對鋼鐵易銹蝕而提出的。是在普鋼應(yīng)用的基礎(chǔ)上，鋼材銹蝕為普遍現(xiàn)象，造成鋼鐵設(shè)施不斷地減重和使去力學(xué)性能而報廢。防止鋼材銹蝕提出不銹方法的概念，從鐵的應(yīng)用開始，防止銹蝕的技術(shù)伴隨同生，不斷創(chuàng)新，保存有幾千年的防銹實物呈現(xiàn)到今天，卻防銹技術(shù)卻失傳，為此感嘆但還得繼續(xù)。普鋼生銹的現(xiàn)象分析；普鋼的化學(xué)成分是鐵（Fe）和碳(C)的簡單最經(jīng)濟的組合，由于鐵-碳金屬中的鐵元素與空氣中活潑的氧氣接觸，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氧化物（FeO）這一層氧化物叫亞鐵，不穩(wěn)定狀態(tài)，氧化鐵繼續(xù)氧化生成（Fe3O4），再氧化生產(chǎn)穩(wěn)定（Fe2O3）。在普鋼表面是由以上三種結(jié)構(gòu)的氧化物組成，年統(tǒng)計鋼鐵的銹蝕損耗達到10%，而且氧化鐵物質(zhì)是分散得不到回收條件，造成很大的經(jīng)濟損失和資源浪費，不利益經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，研究不銹的方法層出不窮，有涂防銹漆的、有電鍍合金的、有涂塑的、再是材料本身是不銹材料的。
只有不銹材料是環(huán)保而節(jié)約資源的有效方法。但不銹又是相對的，是相對于普碳鋼材而言的，是有條件的。不同的環(huán)境、不同的介質(zhì)、不同的時長，不銹鋼同普碳鋼一樣會銹蝕。所以不銹鋼不是不銹，而是相對不銹。是在鐵-碳合金中增加鉻的元素，為鐵-碳-鉻三元素結(jié)合的金屬，將碳穩(wěn)定在0.2%的含量時，鉻的含量增加到12.5%(原子量百分比12.5，重量百分比為11.6)時，呈現(xiàn)出不銹性（在干燥空氣中不被銹蝕）。鋼中鉻低于12.5%時，一般稱為合金鋼，相對易銹蝕。增加鉻的含量，防銹能力增強。而穩(wěn)定鉻含量12.5%時，增加碳含量，防銹能力下降，降低碳的含量，防銹能力增強。不銹鋼必須含鉻元素而鉻含量最低不小于12.5%時才能稱此鋼材為不銹鋼。這是根據(jù)鉻使鉻-鐵合金的電極電位提高，鉻含量在1/8、2/8、3/8---原子比時，鐵-鉻合金電極電位呈跳躍式提高，叫n/8定律，也就是合金的電極電位從負電位變?yōu)檎娢弧２讳P鋼只能在常態(tài)下對空氣中的氧產(chǎn)生過敏而鈍化呈現(xiàn)出不銹性，但對一般的酸、堿、鹽介質(zhì)的耐蝕性能力差別很大。正因如此，不銹鋼在不銹的基礎(chǔ)上針對各種介質(zhì)和環(huán)境，利用自然界存在的金屬元素（74種）和非金屬元素（17種）根據(jù)各種用途進行二元系、三元系和多元系研究，不銹鋼出現(xiàn)了滿足不同要求的很多鋼種，如耐酸不銹鋼0Cr18Ni9(304)等鋼種。沒有鉻元素或鉻元素小于12.5%的其它金屬只能稱合金鋼和合金材料。
2、不銹鋼的腐蝕
不銹鋼也有腐蝕，如在高溫下，表面被氧化形成氧化皮，這是不爭的事實。金屬腐蝕分兩方面發(fā)生，一是化學(xué)腐蝕，二是電腐蝕。金屬在高溫下產(chǎn)生的腐蝕叫化學(xué)腐蝕，金屬在常溫下產(chǎn)生的腐蝕叫電腐蝕。化學(xué)腐蝕叫均勻腐蝕，電腐蝕叫局部腐蝕。
1）化學(xué)腐蝕
金屬高溫腐蝕這是常知。只不過不銹鋼與普鋼的腐蝕程度不一樣。不銹鋼能承受更高的溫度，如1Cr13(410)的氧化溫度在500℃-600℃；1Cr17（430）的氧化溫度在600℃-700℃；而0Cr18Ni8(304) 的氧化溫度在800℃-900℃；普鋼的氧化溫度卻只有200℃-300℃。不銹鋼的腐蝕程度隨溫度升高而嚴(yán)重，普鋼的腐蝕是隨時間而嚴(yán)重。不銹鋼表面生成的氧化皮反而阻止再氧化，普鋼生成氧化皮加重氧化。當(dāng)然，人們要問，那么在常溫呢？普鋼在無防護腐蝕措施的保護下也要被空氣中的氧腐蝕掉。不銹鋼的常溫腐蝕要復(fù)雜得多，不僅與氧有關(guān)，也與組織、內(nèi)部夾雜、內(nèi)部應(yīng)力以及熱處理狀態(tài)有關(guān)、還與環(huán)境介質(zhì)有關(guān)。下面要談到是電化學(xué)腐蝕。
1）電化學(xué)腐蝕
前面談到不銹鋼在高溫狀態(tài)下產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象。接下來說一說常溫狀態(tài)下的不銹鋼的腐蝕現(xiàn)象。要知道，溫度對不銹鋼的耐氧化有很大關(guān)系，因為，不同性質(zhì)的不銹鋼其表面氧化溫度是不一樣的，所以，正確選取不銹鋼應(yīng)考慮在什么溫度下使用，再去考慮其它方面的性能和要求。說到這里，應(yīng)該對不銹鋼有了一點了解，不銹鋼的不銹性是有條件的。那么，電化學(xué)腐蝕是如何發(fā)生的呢？首先，應(yīng)知道，物質(zhì)世界的元素和組成的化合物，都具有不同的電極電位（電極勢），也就是說，不同的物質(zhì)之間存在著電極勢，一旦有溶液或電解質(zhì)充實兩物質(zhì)之間，創(chuàng)立了電池回路，形成微電流。這就說，電腐蝕是一種普遍的現(xiàn)象。
⑴點腐蝕產(chǎn)生有的因素
①不銹鋼表面夾雜：表面存在有氧化物、硫化物、硅酸鹽等夾雜，如果表面再遇到水溶液附帶上面，水在兩物質(zhì)之間電解，有微電流產(chǎn)生，水電解為氫離子和氫氧離子，而氫氧離子與鉻可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，變成氫氧化鉻而腐蝕。
②不銹鋼表面粗糙面：表面存在麻坑或麻面等粗糙的表面。粗糙的表面容易存積空氣中的懸浮微粒（灰塵），而灰塵又吸附空氣中的水份，于是，水份的存在，水份在兩物質(zhì)之間的電極電位的作用下電解，分解出氫離子和氫氧離子，氫氧離子與鉻反應(yīng)而腐敗蝕。
③氯離子環(huán)境：不銹鋼表面處于有氯離子的氣氛中時，氯離子選擇性破壞表面鈍化膜，選擇性是因為不銹鋼表面存在有夾雜、粗糙點、成分偏析和力學(xué)性能差異，氯離子本就是電解質(zhì)，氯離子與氧可生成次氯酸，氫氧離子與鉻反應(yīng)生成氫氧化鉻，鈍化膜一旦被破壞就會出現(xiàn)腐蝕集中，也稱孔蝕。
⑵組織腐蝕：
組織腐蝕也稱晶間腐蝕。奧氏體不銹鋼或奧氏體與鐵素體雙相鋼中，鋼中的碳元素隨加熱溶解于奧氏體中，如在熱軋制過程中，鋼被加熱到1000-1200℃，碳元素開始于900℃溶解于奧氏體中，1050℃碳元素基本完全溶解于奧氏體中。但在冷卻過程中，碳又從奧氏體中被析出，并在晶間處與鉻元素化合，成為Cr23C6的碳化物。使晶間處的鉻含量減少，造成貧鉻現(xiàn)象，也就使去防銹的功能。
⑶應(yīng)力腐蝕：
不銹鋼熱軋變形、冷拔變形、冷軋變形和熱處理過程中，鋼基內(nèi)部殘余應(yīng)力將造成通條性能不均。特別是冷變形表面，因晶格奇變，容易受外部環(huán)境影響（如摩擦、劃傷、碰撞和浸蝕受到腐蝕集中）和附加應(yīng)力疊合大于晶間原子力時被破壞。
3、不銹鋼的耐腐蝕性能
⑴不銹鋼的組織結(jié)構(gòu)
馬氏體＜鐵素體＜鎳-鉻奧氏體
這里特別提到奧氏體不銹鋼分高鎳、低鎳和無鎳奧氏體不銹鋼。其不銹性能有：
無鎳奧氏體＜低鎳奧氏體＜高鎳奧氏體
——馬氏體是因為鋼中鉻含量為13%左右，并有碳含量為0.1%-0.4%的范圍變化。就是說碳含量較高，而碳元素在不銹鋼中是降低耐銹性能的，所以防銹性是隨碳含量增加而下降。再來談?wù)劊R氏體不銹鋼。人們常稱馬氏體和鐵素體為鉻不銹鋼，還有稱為鉻鐵鋼。其實馬氏體不銹鋼與鐵素體不銹鋼有很大區(qū)別的，一是形成機理不一樣；由于鋼中碳元素是奧氏體形成元素。馬氏體在高溫區(qū)為奧氏體組織，冷卻到低溫（常溫）為馬氏體組織，也就是說，馬氏體不銹鋼有相變發(fā)生。根據(jù)冷卻的方式和冷卻速度，可得到淬火工藝有不同的硬度和強度性能，但塑性很低，冷變形較差，變形后容易自裂，需及時退火消除應(yīng)力處理。所以說，馬氏體不能冷變形后交貨。
——鐵素體不銹鋼鉻含量提高到17%以上或碳含量降到0.08%以下時，其內(nèi)部組織為鐵素體在高溫到低溫不發(fā)生相變，隨著鉻元素含量的增大，防銹蝕能力也增強，但鐵素體不銹鋼變形硬化率很低，變形應(yīng)力也低。不能用冷變形提高強度值，反而降低了塑性，使鐵素體不銹鋼變脆如受力而自裂。再是鐵素體不銹鋼有低溫脆性，不能適用于常溫以下（特別是東北地區(qū)的冬季）的裝置，還有475℃脆性的溫度下，所以使用范圍較窄，造成使用上的限制。如果將鐵素體碳含量降低到0.001%以下，再將鋼中的氮元素降到0.001%以下，而低溫脆性可降到-80℃以下，發(fā)揮出無鎳和防銹的優(yōu)越性。
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