第5章不锈耐酸钢20090316.ppt

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1、第五章 不锈耐酸钢, 耐蚀性? 成分？合金化？ 组织？ 环境（介质）？ 不锈钢钢种如何选择？,一. 关于耐蚀性的几个概念 1. 化学腐蚀 2. 电化学腐蚀, 如何提高钢的耐蚀性 1）使钢表面形成稳定的表面保护膜； 2）得到单相均匀的固溶体组织； 3）提高固溶体（阳极）的电极电位。,3. 阳极极化 引起阳极电位由负向正方向升高，这种现象称为阳极极化. 主要是由于阳极表面形成保护膜，阻碍阳极金属离子进入溶液，降低了阳极表面电荷密度。 4. 钝化 钢表面由于形成保护膜, 从而引起腐蚀减轻或不腐蚀现象, 称为钝化现象.,5. 阴极极化 阴极电位由正向负方向降低称为阴极极化. 阴极极化是由于消耗电子的阴

2、极过程的速度低于阳极流来的电子，造成阴极电子堆积，阴极表面电荷密度升高，导致阴极电位降低。,图 具有活化-钝化转变金属的阳极极化曲线,三个不同的电化学行为区： 1）活化区（A） 2）钝化区（P） 3）过钝化区（T） P 称为初始钝化电位 IP 称为临界电流 由于极化作用，阳极电位升高，当阳极达到最大电流IP时，阳极电位为P ，此时产生了阳极钝化，阳极过程受到了极大的阻滞，电流IP突然下降到最小值Imin。,在很宽的阳极电极范围内保持Imin的腐蚀电流，此时阳极处于钝化区（P） 阳极电位升高超过T后，腐蚀电流又增加，这种现象称为过钝化， 称为过钝化电位 (击穿电位) 。 影响阳极和阴极极化曲线相

3、对位置的主要因素有两方面： 1）合金的成分； 2）介质。 所存在的相对位置有四种情况:,一个交点A：稳定的活化区，AP，有大的腐蚀电流和腐蚀速度； 三个交点B、C、D：C点是不稳定的，B、D是相对稳定的（可处在钝化和活化状态）。如不锈钢在含氧化剂的H2SO4 一个交点E：稳定钝化，具有很小的腐蚀速度（如不锈钢在HNO3中） 一个交点F：过钝化状态.有较高的腐蚀速度。（如Cr不锈钢在浓HNO3中）,不锈耐蚀钢发生电化学腐蚀的主要形式 一般腐蚀、 晶间腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀 疲劳腐蚀、磨损腐蚀等。 不锈耐蚀钢分类 不锈钢：指在大气及弱腐蚀介质中耐蚀的钢。 耐蚀钢：指在各种强腐蚀介质中耐蚀的钢。,二

4、. 成分及合金化 Cr 决定和提高耐蚀性的主要元素. 加入Cr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Cr的含量达到1/8，2/8，3/8，原子比时，Fe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n/8规律。 折算成重量比： 12.552/56=11.7%， 这便是不锈钢的最低铬含量。由于钢中存在C，与Cr能形成Cr23C6，则Cr的含量一般不少于13%。 钢钝化时能形成富铬的氧化物，具有尖晶石结构，在许多介质中具有稳定性。 有利于组织转变（单相F组织）,Ni 可提高耐蚀性，也符合 n/8 规律。 与Cr配合，才能充分发挥； 可提高在硫酸（非氧化性酸），醋酸，草酸

5、及中性盐（硫酸盐）中的耐蚀性.,图 铁铬合金在HNO3（90度50%） 中的腐蚀速度与铬的关系,C 扩大相区，稳定相（Ni 30倍）； C 提高，强度提高；但C与Cr形成碳化物，降低耐蚀性。 一般在不锈钢中C0.4%, 多在0.1-0.2%。如： 2Cr13 （0.2%C）; 0Cr17Ti （C0.08%）; 00Cr18Ni10（C0.03%） 只有滚动轴承、弹簧和刃具的不锈钢用高C： 如 9 Cr18,Mn，N 提高高铬不锈钢在有机酸中的耐蚀性。 Mo 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），且能阻止点腐蚀倾向。 含Mo的钝化膜：Fe2O3-Cr2O3-

6、MoO3，致密，稳定性好，能防止Cl-穿透。 Cu 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。,Si 提高在盐酸、硫酸和高浓度硝酸中耐蚀性。 Mo, Cu, Ni, Si复合加入 如在Cr18Ni9中加入Mo,Cu,Ni后进一步扩大了在硫酸中的耐蚀性和使用温度范围 。 Ti, Nb 在Cr-Ni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Ti或Nb（固C） ，可防止晶间腐蚀。,三. 不锈钢的组织 不锈钢中的合金元素可分为两类: 扩大相区： C, N, Ni, Mn, Cu等; 缩小相区： Cr, Si, Ti, Nb, Mo等; 谁占优势，就易形成以或为基体的不锈钢组织；如

7、果稳定元素其作用程度还不足以使钢的Ms点降到室温以下，则高温冷却时会发生M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，制成铬当量Cr-镍当量Ni图（适合于Ni-Cr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成镍的作用。 Ni =Ni+Co+0.5Mn+30C+25N+0.3Cu Cr =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.,Cr与Ni状态图,四. 不锈钢的分类 根据不锈钢的基本组织，可将它分为五类： M不锈钢 Cr13型 ，Cr17Ni2 ，9Cr18 F不锈钢 0Cr17T

8、i, Cr25Ti, Cr26Mo1 A不锈钢 1Cr18Ni9, 1Cr18Ni9Ti, A-F不锈钢 Cr21Ni5Ti, 00Cr22Ni5Mo3N 沉淀硬化不锈钢：在马氏体基体上析出金属间化合物，产生沉淀强化.,六、不锈耐酸钢的腐蚀特性? 晶间腐蚀 应力腐蚀 点腐蚀,（一）奥氏体不锈钢的晶间腐蚀 1. 现象 奥氏体不锈钢焊接后,焊缝及热影响区(550-800）在许多介质中产生晶间腐蚀。 介质：热浓硝酸（50-65%）、含铜盐和氧化铁的硫酸溶液、热有机酸等 2. 形成原因 贫铬理论 奥氏体不锈钢晶间腐蚀主要是晶界上析出网状富铬的Cr23C6引起晶界周围基体产生贫铬区，贫铬区的宽度约10-

9、5cm，Cr12%。在许多介质中没有钝化能力, 贫铬区成为微阳极而发生腐蚀。,3. 影响因素 C%：C800时K重溶；T500，扩散困难。 加热时间：时间很长或很短，都难以存在晶间腐蚀。,4. 改善与预防 超低C，如00Cr18Ni10, 00Cr18Ni12Mo2； 改变K类型：加Ti, Nb固C，并稳定化处理； 固溶处理：重新使K溶解于中; 获得+（10-50%）双相组织； 由于在500-800间发生相间沉淀，Cr23C6在/相界相一侧析出呈点状，排除了在晶界析出Cr23C6，且相内铬的扩散系数比相内高103倍，不致产生贫铬区。,（二）奥氏体不锈钢的应力腐蚀 1. 现象 奥氏体或M不锈钢受

10、张应力时，在某些介质中经过一段不长时间就会发生破坏，且随应力增大，发生破裂的时间也越短；当取消张应力时，腐蚀较小或不发生腐蚀。这种腐蚀现象称为“应力腐蚀（破裂）”。,2. 影响因素 影响应力腐蚀的因素是介质特点，附加应力和钢的化学成分。 1）介质：含有Cl-和OH-腐蚀介质中特别敏感; 2）应力：应力越大，越严重; 3）介质温度：温度越高，越严重; 4）不锈钢组织与成分: 对应力腐蚀的影响.,15-28%Cr的F不锈钢对Cl-引起的应力腐蚀不敏感; 含F的复相不锈钢有低的应力腐蚀敏感度; H、N 促进应力腐蚀裂缝的诱发和扩张; P, Bi, As, Sb, Al，S 有害; C 可降低不锈钢的

11、应力腐蚀敏感性; Si（2-4%（有利；Cu（+2%）有改善; Mo 缩短应力腐蚀破裂的诱发期; 在不稳定的奥氏体不锈钢中，形变引起的马氏体对应力腐蚀有害.,3. 防止措施 1）提高纯度（降低N, H以及杂质元素含量）； 2）加入2-4%Si或2%Cu 或提高Ni%（35%）； 3）采用高纯度15-25%F不锈钢； 4）采用奥氏体和铁素体（50-70%）双相钢。,（三）不锈钢的点腐蚀 1. 现象 不锈钢在含Cl-离子介质中表面会出现点状凹坑腐蚀，称为点腐蚀。 2. 主要原因 主要是表面钝化膜的稳定性受到破坏所致。 3. 影响因素 1）含有Cl-、Br 等，易于产生点腐蚀; 去极化作用的阳离子F

12、e3+、Cu2+等，有加速点腐蚀作用 2）夹杂物（MnS）、晶界析出相（相）、晶界等容易发生点腐蚀-易破坏钝化膜的均匀性 。,4. 预防措施 1）尽可能降低介质中的Cl-浓度; 2）选用高Cr和含Mo钢种，钝化膜稳定性提高, 如 Cr22Ni26Mo5Ti; Cr26Mo1; Cr26Mo4 有时用Cr%+Mo%量来衡量抗点蚀指标 3）加入（提高）Ni，也可提高抗点蚀能力。 4）含N不锈钢的击穿电位B值较正，当钢中N0.3%，不 发生点腐蚀。如 00Cr18Ni12Mo2.5N,七. 不锈钢种类,（一）种类 1、马氏体、铁素体不锈钢 （1）Cr13型 0Cr13 （F 组织） 1Cr13，2C

13、r13，3Cr13 （M组织） 4Cr13 （M+K） 特点：高强度，HRC高； 耐蚀性良好（在大气、水气、弱介质中）; 价格低廉。,（2）含Cr16%的铁素体钢 如0Cr17Ti, Cr25Ti, Cr28等 特点： 1）具有抗氧化性介质腐蚀能力，可用于硝酸和氮肥工业生产中； 2）脆性大; 3）强度不高，但可加Ti, Mo细化与强化； 4）有很好的高温抗氧化性，可作抗氧化钢。,475 脆性 含铬16%的F不锈钢在400-550内停留长时间后，钢在室温时很脆，韧塑性甚至趋于0，最高脆化温度接近475 。 原因：从铁素体中析出高铬相（含80%铬，体心立方），与基体保持共格关系，但点阵常数大于铁素

14、体，产生共格应力。但具有可逆性。加热到600-650以上高铬相溶解，快冷可消除。,（3）1Cr17Ni2 组织：M + F 兼有Cr13型和高Cr不锈钢的特点： 有较高强度和耐蚀性 可广泛用于化工机械、造船和航空工业中。,2、奥氏体不锈钢 1）特点 与 F 或 M - F不锈钢相比， 1）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）； 3）焊接性能较好（无相变）； 4）韧性和低温韧性好，无冷脆倾向； 5）可用作550热强钢（奥氏体的T再高）； 6）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。,2）主要钢种： 18-8型铬镍

15、 奥氏体不锈钢 1Cr18Ni9, 1Cr18Ni9Ti, 0Cr18Ni18Mo2Cu2Ti 00Cr18Ni12Mo2Ti Cr-Mn-N, Cr-Ni-Mn-N型 A或A-F不锈钢 如 Cr17Mn9, 0Cr17Mn13Mo2N, 1Cr18Mn8Ni5N 其中有许多复相钢（+Mo,Nb,Cu），提高了抗晶间腐蚀和抗应力腐蚀的能力。,A不锈钢可分为组织稳定与亚稳大类 1）稳定A不锈钢 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的固溶强化。 2）亚稳A不锈钢 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变），有较好的强化效果。,3、

16、高强度不锈钢 一般在马氏体基体上产生沉淀强化的方法。+Mo, Ti, Al 形成 新沉淀强化相。如 Fe2Mo, Ni3Mo, Ni3Ti, Ni3Al等。 根据基体和热处理工艺，沉淀硬化不锈钢可分为两类： 1)马氏体沉淀硬化不锈钢 2)半奥氏体沉淀硬化不锈钢,（1）马氏体沉淀硬化不锈钢 在Cr17Ni6的基础上通过降Cr增Ni以消除铁素体，并加入Mo,Al,Ti,Nb等强化元素。 高温奥氏体化后发生马氏体转变；在425-600范围内时效，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。这类钢有良好的工艺性能和低的加工费用。 存在475脆性和高温回火脆性。,（2）半奥氏体沉淀

17、硬化不锈钢 在Crl7Ni7钢的基础上加入强化元素发展起来的。 Mo、Ni、Al等形成金属间化合物，在M基体上析出产生沉淀强化。钢经固溶处理后，在室温下为奥氏体及少量铁素体组织。 这类钢要获得马氏体，要通过热处理（冷处理加大变形量变形） ; 在475脆性和高温回火脆性，要限制其使用温度（250 ）。,（三）不锈耐酸钢的钢种选择 1、环境影响 在大气、海洋气氛、潮湿空气、水（蒸气）等弱腐蚀介质中，Cr12%，如Cr13型； 在氧化性硝酸中，Cr16%，才有较高的钝化能力，如高铬不锈钢； 在稀硫酸等非氧化性酸中，一般的Cr不锈钢和Cr18Ni9型不锈钢难以达到钝化状态，不耐蚀；+Ni, Mo, C

18、u，提高钝化能力。如1Cr18Ni12Mo2Ti, 0Cr18Ni18Mo2Cu2Ti 在盐酸或含Cl-离子中，加入Mo、Cr ，形成MoOCl2 保护膜，也可防止点腐蚀； 在强有机酸中，须在铬（镍）不锈钢中加入Mo, Cu, Mn，N等，提高钝化能力。如 1Cr17Mn13Mo2N, 1Cr17Mn13Mo2CuN等,2、钢种选择,Cr18Ni9型奥氏体不锈钢是用量最大的一类不锈钢 （化工、石油、航空） 1）对不要求焊接的零件，可直接选用 1Cr18Ni9或0Cr18Ni9钢 ; 2）焊接用钢，一种是以Ti、Nb作C稳定剂的1Cr18Ni9Ti或 0Cr18Ni9Nb钢；另一种是超低C的00

19、Cr18Ni10钢 ; 3）要求深冲的钢，可采用含铜的 00Cr17Ni7Cu2； 0Cr17Ni8SiCu2,含Ni高的奥氏体不锈钢的Ms低,可作液氮或更低温度液体的压力容器； 高强度不锈弹簧选用亚稳奥氏体不锈钢制作，并经零下轧制和低温回火。 常用钢种有 1Cr18Ni8, 1Cr18Ni8Mo 非氧化性酸中工作的部件，应选择含有Mo、Cu 以及 Ni量较高的钢种， 如 1Cr18Ni12Mo3Ti, 0Cr23Ni28Mo3Cu3Ti,在含Cl-离子介质中，抗点腐蚀的钢 选用含Mo、N 钢种 和 高Cr不锈钢， 如 00Cr22Ni22Mo3N，Cr22Ni26Mo5Ti 抗应力腐蚀用钢 含Si或Cu较高的 A 或 A-F不锈钢， 如 0Cr18Ni14Si4 奥氏体钢 00CrNi5Mo3Si2Cu2 复相钢,铁素体不锈钢0Cr17Ti 在硝酸和许多有机酸中有良好耐蚀性； 高铬 F 不锈钢 有高抗点腐蚀和抗应力腐蚀能力； Cr13型马氏体不锈钢 1Cr13和2Cr13 结构钢，如蒸汽涡轮叶片、水压机阀门和食品工业用具； 3Cr13和4Crl3 工具钢，可制造医用、日用刀具。,