第5章不锈耐酸钢-2014

1、第五章第五章 不锈耐酸钢不锈耐酸钢 主要内容主要内容 耐蚀性? 成分？合金化？ 组织？ 环境（介质）？ 不锈钢钢种如何选择？5.1 5.1 钢的耐蚀性钢的耐蚀性1. 1. 化学腐蚀化学腐蚀2. 2. 电化学腐蚀电化学腐蚀v 提高钢耐腐蚀性能的途径主要有：（1 1）形成稳定保护膜形成稳定保护膜，CrCr、AlAl、SiSi有效。有效。（2 2）固溶体电极电位固溶体电极电位或形成稳定钝化区或形成稳定钝化区CrCr、NiNi、SiSi：NiNi贵而紧缺，贵而紧缺，SiSi易使钢脆化，易使钢脆化，CrCr是理想的。是理想的。（3 3）获得单相组织获得单相组织 NiNi、Mn Mn 单相奥氏体组织。单相

2、奥氏体组织。（4 4）机械保护措施或复盖层机械保护措施或复盖层，如电镀、发兰、涂漆等方法。，如电镀、发兰、涂漆等方法。3. 3. 阳极极化阳极极化 引起阳极电位由负向正方向升高，这种现象称为引起阳极电位由负向正方向升高，这种现象称为阳极极化阳极极化. . 主要是由于阳极表面形成主要是由于阳极表面形成保护膜保护膜，阻碍阳极金属，阻碍阳极金属离子进入溶液，降低了阳极表面电荷密度。离子进入溶液，降低了阳极表面电荷密度。4. 4. 钝化钝化 钢表面由于形成保护膜钢表面由于形成保护膜, , 从而引起腐蚀减轻或不腐从而引起腐蚀减轻或不腐蚀现象蚀现象, , 称为称为钝化钝化现象现象. .5. 5. 阴极极化

3、阴极极化 阴极电位由正向负方向降低称为阴极电位由正向负方向降低称为阴极极化阴极极化. . 阴极极化是由于消耗电子的阴极过程的速度低于阴极极化是由于消耗电子的阴极过程的速度低于阳极流来的电子，造成阴极阳极流来的电子，造成阴极电子堆积电子堆积，阴极表面，阴极表面电荷密度升高，导致阴极电位降低。电荷密度升高，导致阴极电位降低。 不锈耐蚀钢发生电化学腐蚀的主要形式不锈耐蚀钢发生电化学腐蚀的主要形式 一般腐蚀、一般腐蚀、 晶间腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀晶间腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀 疲劳腐蚀、磨损腐蚀等。疲劳腐蚀、磨损腐蚀等。 不锈耐蚀钢分类不锈耐蚀钢分类不锈钢不锈钢：指在大气及弱腐蚀介质中耐蚀的钢。指在大气及

4、弱腐蚀介质中耐蚀的钢。耐蚀钢耐蚀钢：指在各种强腐蚀介质中耐蚀的钢。：指在各种强腐蚀介质中耐蚀的钢。5.2 5.2 成分及合金化成分及合金化vCr 决定和提高耐蚀性的主要元素。 加入加入CrCr可提高基体的电极电位，但不是均匀的增加，而是可提高基体的电极电位，但不是均匀的增加，而是突变式的。当突变式的。当CrCr的含量达到的含量达到1/81/8，2/82/8，3/83/8，原子比原子比时，时，FeFe的电极电位就跳跃式显著提高，腐蚀也显著下降。的电极电位就跳跃式显著提高，腐蚀也显著下降。这个定律叫做这个定律叫做n/8n/8规律规律。 折算成重量比：折算成重量比： 12.5 12.552/56=1

5、1.7%52/56=11.7%， 这便是不锈钢的最低铬含量。这便是不锈钢的最低铬含量。由于钢中存在由于钢中存在C C，与与CrCr能形成能形成CrCr2323C C6 6，则则CrCr的含量一般不少于的含量一般不少于13%13%。 钢钝化时能形成钢钝化时能形成富铬的氧化物富铬的氧化物，具有尖晶石结构，在许多介，具有尖晶石结构，在许多介质中具有稳定性。质中具有稳定性。 有利于组织转变（单相有利于组织转变（单相F F组织）。组织）。vNi 提高耐蚀性提高耐蚀性，也符合，也符合 n/8 n/8 规律规律。 与与CrCr配合，才能充分发挥；配合，才能充分发挥； 可提高在硫酸（非氧化性酸），醋酸，草酸及

6、中性盐（硫可提高在硫酸（非氧化性酸），醋酸，草酸及中性盐（硫酸盐）中的耐蚀性。酸盐）中的耐蚀性。提高耐热性；提高耐热性；降低奥氏体不锈钢冷加工硬化倾向。降低奥氏体不锈钢冷加工硬化倾向。图图 铁铬合金在铁铬合金在HNO3（90度度50%） 中的腐蚀速度与铬的关系中的腐蚀速度与铬的关系 vC 扩大扩大相区，稳定相区，稳定相（相（Ni 30倍）；倍）；C 提高，强度提高；但提高，强度提高；但C与与Cr形成碳化物，降低耐蚀性。形成碳化物，降低耐蚀性。 一般在不锈钢中一般在不锈钢中C0.4%, 多在多在0.1-0.2%。如：。如： 20Cr13 （0.2%C）; 06Cr17Ti （C0.08%）; 0

7、22Cr18Ni10 （C0.03%） 只有滚动轴承、弹簧和刃具的不锈钢用高只有滚动轴承、弹簧和刃具的不锈钢用高C： 如如 95Cr18 vMn，N 扩大扩大相区，稳定相区，稳定相相 提高高铬不锈钢在有机酸中的耐蚀性。提高高铬不锈钢在有机酸中的耐蚀性。vMo 提高不锈钢的钝化能力，扩大其钝化介质范围（浓硫提高不锈钢的钝化能力，扩大其钝化介质范围（浓硫酸、稀盐酸、磷酸和有机酸），且能阻止酸、稀盐酸、磷酸和有机酸），且能阻止点腐蚀点腐蚀倾向。倾向。 含含Mo的钝化膜：的钝化膜：Fe2O3-Cr2O3-MoO3，致密，稳定性好，致密，稳定性好，能防止能防止Cl-穿透。穿透。vCu 少量加入可有效地提

8、高不锈钢在硫酸及有机酸中的耐少量加入可有效地提高不锈钢在硫酸及有机酸中的耐蚀性。蚀性。vSi Si 提高在盐酸、硫酸和高浓度硝酸中耐蚀性。提高在盐酸、硫酸和高浓度硝酸中耐蚀性。 vMo, Cu, Ni, SiMo, Cu, Ni, Si复合加入复合加入 如在如在Cr18Ni9Cr18Ni9型中加入型中加入Mo,Cu,NiMo,Cu,Ni后进一步扩大了在硫酸后进一步扩大了在硫酸中的耐蚀性和使用温度范围中的耐蚀性和使用温度范围 。vTi, Nb Ti, Nb 在在Cr-NiCr-Ni奥氏体不锈钢和高铬铁素体不锈钢中均有晶间腐奥氏体不锈钢和高铬铁素体不锈钢中均有晶间腐蚀倾向，加入蚀倾向，加入TiTi

9、或或NbNb（固（固C C） ，可可防止晶间腐蚀。防止晶间腐蚀。5.3 不锈钢的组织与分类不锈钢的组织与分类n 不锈钢中的合金元素可分为两类: 扩大扩大相区：相区： C, N, Ni, Mn, Cu等等; 缩小缩小相区：相区： Cr, Si, Ti, Nb, Mo等等; 谁占优势，就易形成以谁占优势，就易形成以或或为基体的不锈钢组织；如果稳为基体的不锈钢组织；如果稳定定元素其作用程度还不足以使钢的元素其作用程度还不足以使钢的Ms点降到室温以下，点降到室温以下，则高温冷却时会发生则高温冷却时会发生M转变。转变。 为了简便起见，表明不锈钢的实际成分和所得组织的关系，为了简便起见，表明不锈钢的实际成

10、分和所得组织的关系，制成制成铬当量铬当量 Cr-Cr-镍当量镍当量 NiNi图图（适合于（适合于Ni-CrNi-Cr系）。系）。 钢中铁素体形成元素折合成铬的作用，奥氏体形成元素折合钢中铁素体形成元素折合成铬的作用，奥氏体形成元素折合成镍的作用。成镍的作用。 NiNi =Ni+Co+0.5Mn+30C+25N+0.3Cu=Ni+Co+0.5Mn+30C+25N+0.3Cu Cr Cr =Cr+Mo+2.0Si+1.5Ti+1.75Nb+5.5Al+5V+0.75W=Cr+Mo+2.0Si+1.5Ti+1.75Nb+5.5Al+5V+0.75W 可以根据钢的实际化学成分来估算钢的组织可以根据钢的

11、实际化学成分来估算钢的组织. . Cr与与Ni状态图（焊后冷却）状态图（焊后冷却）n 不锈钢的分类 根据不锈钢的基本组织，可将它分为五类：根据不锈钢的基本组织，可将它分为五类： M不锈钢不锈钢 Cr13型型（12Cr13, 20Cr13, 30Cr13, 40Cr13），）， 14Cr17Ni2 ，95Cr18。 F不锈钢不锈钢 06Cr11Ti, 10Cr25Mo, 008Cr27Mo。 A不锈钢不锈钢 12Cr18Ni9, 12Cr18Ni9Ti,06Cr19Ni10, 06Cr18Ni11Ti, 022Cr19Ni10N,12Cr18Mn9Ni5N A-F不锈钢不锈钢 12Cr21Ni5

12、Ti, 022Cr19Ni5Mo3Si2N 022Cr19Ni5Mo3Si2N。 沉淀硬化不锈钢沉淀硬化不锈钢：在奥氏体或马氏体基体上析出金属间化：在奥氏体或马氏体基体上析出金属间化合物，产生沉淀强化。合物，产生沉淀强化。05Cr17Ni4Cu4Nb, 07Cr17Ni7Al, 09Cr17Ni5Mo3N5.4 5.4 不锈耐酸钢的腐蚀特性不锈耐酸钢的腐蚀特性?晶间腐蚀晶间腐蚀应力腐蚀应力腐蚀点腐蚀点腐蚀 （一）奥氏体不锈钢的晶间腐蚀（一）奥氏体不锈钢的晶间腐蚀1. 现象现象 奥氏体不锈钢焊接后奥氏体不锈钢焊接后,焊缝及热影响区焊缝及热影响区(550-800）在许多介质中产生晶间腐蚀。在许多介

13、质中产生晶间腐蚀。 介质：热浓硝酸（介质：热浓硝酸（50-65%）、含铜盐和氧化铁的）、含铜盐和氧化铁的硫酸溶液、热有机酸等硫酸溶液、热有机酸等2. 形成原因形成原因 贫铬理论贫铬理论 奥氏体不锈钢晶间腐蚀主要是晶界上析出奥氏体不锈钢晶间腐蚀主要是晶界上析出网状富网状富铬的铬的Cr23C6引起晶界周围基体产生贫铬区引起晶界周围基体产生贫铬区，贫铬，贫铬区的宽度约区的宽度约10-5cm，Cr12%。在许多介质中没在许多介质中没有钝化能力有钝化能力, 贫铬区成为微阳极而发生腐蚀。贫铬区成为微阳极而发生腐蚀。 3. 3. 影响因素影响因素 C%：C0.03%时无晶间腐蚀时无晶间腐蚀;化学成分：化学成

14、分：加入加入Ti, Nb固固C，使奥氏体内固溶的使奥氏体内固溶的C800时时K重溶；重溶；T35%）；）； 3）采用高纯度采用高纯度15-25%F不锈钢；不锈钢；4）采用奥氏体和铁素体（）采用奥氏体和铁素体（50-70%）双相钢。双相钢。（三）不锈钢的点腐蚀（三）不锈钢的点腐蚀1. 现象现象 不锈钢在含不锈钢在含Cl-离子离子介质中表面会出现点状凹坑腐蚀，称为介质中表面会出现点状凹坑腐蚀，称为点腐蚀。点腐蚀。2. 主要原因主要原因 主要是表面钝化膜的稳定性受到破坏所致。主要是表面钝化膜的稳定性受到破坏所致。3. 影响因素影响因素 1）含有）含有Cl-、Br 等，易于产生点腐蚀等，易于产生点腐蚀

15、; 去极化作用的阳离子去极化作用的阳离子Fe3+、Cu2+等，有加速点腐蚀作用等，有加速点腐蚀作用 2）夹杂物（）夹杂物（MnS）、晶界析出相（）、晶界析出相（相）、晶界等容易发生相）、晶界等容易发生点腐蚀点腐蚀-易破坏钝化膜的均匀性易破坏钝化膜的均匀性 。4. 4. 预防措施预防措施1）尽可能降低介质中的）尽可能降低介质中的Cl-浓度浓度;2）选用）选用高高Cr和含和含Mo钢种，钝化膜稳定性提高钢种，钝化膜稳定性提高, 如如 Cr22Ni26Mo5Ti; Cr26Mo1; Cr26Mo4 有时用有时用Cr%+Mo%量来衡量抗点蚀指标。量来衡量抗点蚀指标。3）加入（提高）加入（提高）Ni，也可

16、提高抗点蚀能力。也可提高抗点蚀能力。4）含）含N不锈钢的击穿电位不锈钢的击穿电位B值较正，当钢中值较正，当钢中N0.3%，不不 发生点腐蚀。发生点腐蚀。如如 00Cr18Ni12Mo2.5N。5.5 5.5 不锈钢种类不锈钢种类一、铁素体不锈钢一、铁素体不锈钢 1.1.主要有三种类型：主要有三种类型： 1）Cr13型型 如如06Cr13、06Cr13Al、06Cr11Ti等；等； 2）Cr17型型 如如10Cr17、10Cr17Mo等；等； 3）Cr25-30型型 如如16Cr28N、008Cr30Mo2等。等。 基基本本特特点点含碳量含碳量15Cr时，随时，随Cr其脆化倾向也其脆化倾向也。在

17、。在400525长时间加热或缓慢冷却时，钢就变得很脆长时间加热或缓慢冷却时，钢就变得很脆, 以以475加热为最甚原因加热为最甚原因:在脆化在脆化T范围内长期停留时，范围内长期停留时，铬有序化铬有序化相，与母相共格相，与母相共格大内应力。大内应力。AK（3）金属间化合物金属间化合物相的形成相的形成 相具有高硬度，有大的体积效应，且常沿晶界相具有高硬度，有大的体积效应，且常沿晶界分布，所以使钢产生了很大的脆性分布，所以使钢产生了很大的脆性 二、马氏体不锈钢二、马氏体不锈钢 这类钢主要含这类钢主要含1218%Cr，淬火冷却能产生，淬火冷却能产生M。 （一）马氏体不锈钢的成分和组织特点（一）马氏体不锈

18、钢的成分和组织特点可分为三类：可分为三类： 1）Cr13型：型：12Cr13、20Cr13、30Cr13、40Cr13等等; 2）高碳高铬钢，如）高碳高铬钢，如95Cr18、90Cr18MoV等；等； 3）低碳）低碳17% Cr-2%Ni钢，如钢，如14Cr17Ni2。12Cr13：M+F20Cr13：M30Cr13：M40Cr13：M+K类似于类似于调质钢调质钢制造不锈制造不锈结构件结构件类似于类似于工具钢工具钢制造耐蚀制造耐蚀工具（手工具（手术刀等）术刀等）（二）马氏体不锈钢的热处理特点（二）马氏体不锈钢的热处理特点 常用的热处理工艺有软化处理、球化退火、调质处常用的热处理工艺有软化处理、

19、球化退火、调质处理和淬火理和淬火+ +低温回火。低温回火。软软化化处处理理软化处理有两种方法：软化处理有两种方法： 一是进行高温回火，将锻轧件加热至一是进行高温回火，将锻轧件加热至700800保温保温26小时后空冷，使马氏体转变为小时后空冷，使马氏体转变为回火索氏体。回火索氏体。 另外也可以采用完全退火。另外也可以采用完全退火。调调质质处处理理 12Cr13、20Cr13常用于结构件常用于结构件调质。因为铬调质。因为铬能提高抗回火性和能提高抗回火性和AC1点，所以调质回火温度也相点，所以调质回火温度也相应应，通常为，通常为640700。回火后应采用油冷（快。回火后应采用油冷（快冷），因为二次回

20、火脆性。冷），因为二次回火脆性。淬淬火火低低回回 30Cr13、40Cr13常做有一定耐蚀性的工具，常做有一定耐蚀性的工具，所以采用淬火低温回火。所以采用淬火低温回火。T淬淬在在1000 1050，为，为减少变形，可用硝盐分级冷却。组织为马氏体减少变形，可用硝盐分级冷却。组织为马氏体+碳化物碳化物+少量少量AR。三、奥氏体不锈钢三、奥氏体不锈钢（1 1）特点）特点 与与 F 或或 M - F不锈钢相比，不锈钢相比， 1）有很高耐蚀性（主要在氧化性酸如有很高耐蚀性（主要在氧化性酸如HNO3）；）； 2）高塑性，易于成形（板、带、管、丝、材）；）高塑性，易于成形（板、带、管、丝、材）； 3）焊接性

21、能较好（无相变）；）焊接性能较好（无相变）； 4）韧性和低温韧性好，无冷脆倾向；）韧性和低温韧性好，无冷脆倾向； 5）可用作）可用作550热强钢热强钢（奥氏体的（奥氏体的T再再高）；高）； 6）价格贵；容易加工硬化，切削加工性不好；）价格贵；容易加工硬化，切削加工性不好； 7）导热性差，加热和冷却时要注意）导热性差，加热和冷却时要注意。 （2 2）主要钢种）主要钢种 18-8型铬镍型铬镍 奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢 12Cr18Ni9, 12Cr18Ni9Ti, 06Cr18Ni18Mo2Cu2Ti 022Cr18Ni12Mo2Ti Cr-Mn-N, Cr-Ni-Mn-N型型 A或或A-F不锈钢

22、不锈钢 如如 12Cr17Mn9。 其中有许多复相钢（其中有许多复相钢（+Mo, Nb, Cu），），提高了抗晶提高了抗晶间腐蚀和抗应力腐蚀的能力。间腐蚀和抗应力腐蚀的能力。 vA A不锈钢不锈钢可分为组织稳定与亚稳大类可分为组织稳定与亚稳大类1 1）稳定）稳定A A不锈钢不锈钢 具有低的屈服强度和高的塑性、韧性，低的韧具有低的屈服强度和高的塑性、韧性，低的韧脆转化温度。影响其强度的因素之一是合金元素脆转化温度。影响其强度的因素之一是合金元素的固溶强化。的固溶强化。2 2）亚稳）亚稳A A不锈钢不锈钢 用来制造不锈弹簧。用来制造不锈弹簧。 可实行零下轧制（大变形量下要发生马氏体转可实行零下轧制

23、（大变形量下要发生马氏体转变），有较好的强化效果。变），有较好的强化效果。 四四. .（超）高强度不锈钢（超）高强度不锈钢一般在马氏体基体上产生沉淀强化的方法。一般在马氏体基体上产生沉淀强化的方法。+Mo, Ti, Al 形成形成 新沉淀强化相。如新沉淀强化相。如 Fe2Mo, Ni3Mo, Ni3Ti, Ni3Al等。等。根据基体和工艺，沉淀硬化不锈钢可分为两类：根据基体和工艺，沉淀硬化不锈钢可分为两类： 1) 马氏体沉淀硬化不锈钢马氏体沉淀硬化不锈钢 2) 半奥氏体沉淀硬化不锈钢半奥氏体沉淀硬化不锈钢 （1 1）马氏体沉淀硬化不锈钢马氏体沉淀硬化不锈钢 在在Cr17Ni6Cr17Ni6的基

24、础上通过降的基础上通过降CrCr增增NiNi以消除以消除 铁素铁素体，并加入体，并加入Mo,Al,Ti,NbMo,Al,Ti,Nb等强化元素。等强化元素。 高温奥氏体化后发生马氏体转变；在高温奥氏体化后发生马氏体转变；在425-600425-600范围内时效范围内时效，析出金属间化合物时效强化。，析出金属间化合物时效强化。 可在固溶处理后精加工，然后再时效强化。这类可在固溶处理后精加工，然后再时效强化。这类钢有良好的工艺性能和低的加工费用。钢有良好的工艺性能和低的加工费用。 存在存在475475脆性和高温回火脆性脆性和高温回火脆性。 （2 2）半奥氏体沉淀硬化不锈钢半奥氏体沉淀硬化不锈钢 在在

25、Crl7Ni7Crl7Ni7钢的基础上加入强化元素发展起来的。钢的基础上加入强化元素发展起来的。 MoMo、NiNi、AlAl等形成金属间化合物，在等形成金属间化合物，在MM基体上析基体上析出产生沉淀强化。钢经固溶处理后，在出产生沉淀强化。钢经固溶处理后，在室温下为室温下为奥氏体及少量铁素体组织奥氏体及少量铁素体组织。 这类钢要获得马氏体，要通过这类钢要获得马氏体，要通过热处理（冷处理加热处理（冷处理加大变形量变形）大变形量变形） 。 在在475475脆性和高温回火脆性，要限制其使用温度脆性和高温回火脆性，要限制其使用温度（250 12%，如如Cr13型。型。 在在氧化性硝酸氧化性硝酸中，中，

26、Cr16%，才有较高的钝化能力，如高才有较高的钝化能力，如高铬不锈钢。铬不锈钢。 在在稀硫酸等非氧化性酸稀硫酸等非氧化性酸中，一般的中，一般的Cr不锈钢和不锈钢和Cr18Ni9型型不锈钢难以达到钝化状态，不耐蚀；不锈钢难以达到钝化状态，不耐蚀；+Ni, Mo, Cu，提高钝提高钝化能力。如化能力。如1Cr18Ni12Mo2Ti, 0Cr18Ni18Mo2Cu2Ti 在在盐酸或含盐酸或含Cl-离子离子中，加入中，加入Mo、Cr ，形成，形成MoOCl2 保护保护膜，也可防止点腐蚀。膜，也可防止点腐蚀。 在在强有机酸强有机酸中，须在铬（镍）不锈钢中加入中，须在铬（镍）不锈钢中加入Mo, Cu, Mn，N等，提高钝化能力。如等，提高钝化能力。如 1Cr17Mn13Mo2N, 1Cr17Mn13Mo2CuN等。等。二、钢种选择二、钢种选择uCr18Ni9型奥氏体不锈钢是用量最大的一类不锈钢型奥氏体不锈钢是用量最大的一类不锈钢 （化工、（化工、石油、航空）石油、航空） 1）对）对不要求焊接的零件不要求焊接的零件，可直接选用，可直接选用 12Cr18Ni9或或06Cr18Ni9钢；钢； 2）焊接用钢焊接用钢，一种是以，一种是以Ti、Nb作作C稳定剂的稳定剂的12Cr18Ni9Ti或或