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不銹鋼
耐弱腐蝕介質(zhì)或有不銹性的鋼種
不銹鋼（Stainless Steel）是一種由多種元素組成的鐵合金，其中鐵、鉻和碳這三種是主要元素，部分還含有鉬、硅、錳等其他元素，是指在自然環(huán)境或某些工業(yè)介質(zhì)中具有一定化學穩(wěn)定性的鋼的總稱，一般包括不銹鋼和耐酸鋼，屬于特殊性能鋼。普通不銹鋼具有不銹性，但是通常是不耐腐蝕的，而耐酸鋼通常同時具有良好的不銹性和耐蝕性。主要性能特點包括耐腐蝕特性、力學性能、工藝特性、磁性和其他特性等。不銹鋼常用的分類方法是根據(jù)金相組織結(jié)構(gòu)分為五類，考慮到各類不銹鋼自身特點，被用于車輛領域、建筑領域、工業(yè)領域和生活領域等等多個方向。
基本信息
中文名
不銹鋼
英文名
Stainless Steel
運用領域
車輛領域、建筑領域、工業(yè)領域和生活領域等
主要成分
主要含有鐵、碳、鉻等元素，部分含有鎳、硅、錳等
歷史發(fā)展
1820～1822年英國物理學家法拉第（Michael Faraday）最早把鋼的生銹問題作為課題來研究。在20世紀初，法國學者吉烈特（L.B.Guillet）、波特萬（A.M.Portevin）以及英國科學家吉森（W.Giesen）分別發(fā)表了Fe-Cr和Fe-Cr-Ni合金的冶金學報告，發(fā)現(xiàn)了這些合金的耐腐蝕性能。1908～1911年德國理論研究者蒙納爾茨（P.Monnartz）和鮑切爾斯（W.Borchers）發(fā)現(xiàn)了鈍化現(xiàn)象，并提出了高鉻合金的鈍化理論，這一時期的研究為開發(fā)工業(yè)用不銹鋼奠定了理論基礎。
1914-1916年期間，科學家布雷爾利（Henry Blair）準備著手研制一種耐腐蝕的合金，在機緣巧合之下，他和他的助手發(fā)現(xiàn)將含鉻的合金鋼放在各種酸、堿、鹽的溶液中都不受侵蝕。布雷爾利對它進行了一系列化驗發(fā)現(xiàn)，只有添加12%的鉻煉出的合金鋼才是最理想的，不銹鋼就此正式誕生。
與此同時，美國，英國開始進行不銹鋼的商業(yè)生產(chǎn)，1924-1935間，美國科研人員申請了氧氣煉不銹鋼、氧化還原法煉不銹鋼和鐵礦石氧化碳的改進法等專利，吹氧煉不銹鋼的方法也逐漸普及，不銹鋼的性能逐漸優(yōu)化。由于以上的技術(shù)進步，使西方國家的不銹鋼年總產(chǎn)量于1984年已經(jīng)達到800萬噸，不銹鋼產(chǎn)量迅速增加。
元素組成
要改善鋼材的抗腐蝕性，就需要通過增加鐵基固溶液的電極電勢，在氧化劑的催化下，在金屬的表層上生成一層致密而又穩(wěn)固的保護層。在這一點上，鉻是最好的金屬，因此，在工業(yè)上使用的所有的不銹鋼都是含鉻的合金，而鐵、鉻是最基本的金屬元素。
在不銹鋼中，除了鐵、鉻和碳這三種主要元素之外，還有許多其它的元素。按鋼材中所含有的主要元素分為：鉻、鉻鎳、鉻鎳錳、鉻錳氮等不銹鋼。在鋼中加入其它合金，以提高其性能，將其劃分為鐵素體形成元素(Cr，Mo，Si，Ti，Nb 等)及奧氏體形成元素(Ni，Mn，C，N 等)兩類。其中有些是用來增強不銹鋼抗腐蝕性，有些是用來提高機械性能和其他性質(zhì)，還有一些是經(jīng)常存在于鋼材中的雜質(zhì)。
主要元素及其作用
鐵素體形成元素
鉻（Cr）
鉻是不銹鋼最基礎的元素成分，可以提高不銹鋼的抗腐蝕能力。隨著含鉻含量的增大，含鉻鋼抗蝕能力逐漸增強，尤其是在13%左右的鉻含量下，其電極電勢明顯增強，抗腐蝕能力出現(xiàn)跳躍性的變化。鉻和鐵可以得到連續(xù)的固溶體，縮小奧氏體相區(qū)。鉻能與碳生成各種碳化物，其對碳的親合性比鎢、銀等高。鉻減少了珠光體中的碳含量，減小了奧氏體中碳的極限溶解度，減緩了碳化物的降解速率，同時也增加了鋼材的回火脆化趨勢。
鉬（Mo）
鉬是一種鐵素體形成元素，能夠穩(wěn)定不銹鋼表面的金屬氧化物，它可以改善其抗腐蝕性能，尤其是對于鉻鈍化能力不夠的還原性和有氯離子的環(huán)境中，其效果更加明顯，可提高耐點蝕能力，對裂縫的腐蝕起到很好的抑制作用。
鉬能在鋼中以鐵素體、奧氏體、碳化物等形式存在，是降低奧氏體相區(qū)的主要成分。在含鉬量較小時，與鐵和碳形成復合的碳化物，在一定濃度下，可以生成一種特定的鉬類化合物。鉬對鋼材的淬透力有促進作用，其作用較鉻強，但比錳略低。鉬也可改善鋼的耐熱性能，若僅有一種合金，則可使鋼的回火脆性增大，與鉻、錳共存時，鉬可降低或抑制其它因素引起的回火脆性。
硅（Si）
硅是產(chǎn)生鐵素體的強元素。隨著含硅含量的提高，不銹鋼的拉伸強度和彈性極限提高，但韌性略有降低。隨著鐵素體區(qū)的增大，蠕變性能惡化，導致了相的形成范圍和速率增大。加入硅可以極大地改善鋼材的抗腐蝕性和點蝕性能，在氯離子介質(zhì)中加入硅能改善其抗應力侵蝕斷裂的能力。在不銹鋼中加入一定量的硅，可以改善其抗氧化能力和抗硫化能力，使其在濃硝酸、濃硫酸等環(huán)境中具有優(yōu)良的耐腐蝕能力，其原因是在不銹鋼的表層上形成了大量的硅基氧化物保護薄膜。
鈦（Ti）、鈮（Nb）
鈦、鈮是奧氏合金中具有較強的鐵素體生成成分，能有效地改善其耐熱性能。由于含鈦沉淀和夾雜物，大大削弱了鋼材的抗點蝕能力。鈦和鈮在不銹鋼中的主要作用是細化晶粒的組織，形成鈦、鈮的碳化物和碳氮化物，這樣就可以將鋼中的碳固化，形成穩(wěn)定的碳化物，這樣就可以降低對不銹鋼的不利影響，在改善了鋼材的強度和抗腐蝕能力的基礎上，改善了其冷成型的特性。鈦、鈮對提高不銹鋼的可焊性有一定的作用，但過量的鈦、鈮會導致材料的高溫塑性下降，影響其機械加工的效果。
奧氏體形成元素
碳（C）、氮（N）
碳、氮元素在奧氏體中具有很強的生成和穩(wěn)定作用，碳和氮元素易于與其他元素結(jié)合而生成碳、氮化物，從而增強了不銹鋼的強度，但降低了抗沖擊韌度，提高了韌脆性轉(zhuǎn)化的溫度。在不銹鋼中，碳、氮元素的主要功能是使其保持奧氏體的穩(wěn)定，是鋼中的重要元素，對鋼的強化有一定的促進作用。隨著鋼中含碳量的增加，其固溶鉻的損耗增加，其抗腐蝕性能降低得更嚴重。但是隨著鋼中含氮量的增加，不銹鋼抗腐蝕性能沒有下降，同時，對其晶體腐蝕也沒有明顯的影響。
鎳（Ni）
在奧氏體型不銹鋼中，鎳是一種重要的元素。鎳使奧氏體相區(qū)增大，從而對奧氏體起到了穩(wěn)定作用。奧氏體鋼的硬度和抗拉強度都會隨含鎳含量的升高而降低，而韌度和結(jié)晶之間的碳化物的析出趨勢變得更明顯，從而導致了較大的晶間侵蝕。加入鎳后，合金的抗應力蝕斷裂能力得到改善，而在合金中加入鎳的量為45~50%時，可以防止應力侵蝕斷裂。一般用于奧氏體組織的形成和穩(wěn)定，獲得高韌性、高機械強度和高可焊性的合金。
錳（Mn）
錳是奧氏體中的一種較弱的形成元素，它對奧氏體的穩(wěn)定有很強的影響，并可改善鋼的抗點腐蝕性能。錳是一種很好的脫氧劑和脫硫劑，能在鐵、奧氏體中固溶，使奧氏體區(qū)增大。錳是一種較弱的碳化物生成元素，添加到鋼材中能得到均勻細化的組織，避免了滲碳過程中碳化物在滲碳層中的積聚，但增加了其過熱敏感性和回火脆性。從耐蝕性能上看，添加錳會降低其抗腐蝕性。另外，錳還具有一定的抗硫化能力和提高高鉻鎳奧氏體不銹鋼的高溫熱塑性的作用。
主要分類方法
根據(jù)合金成分分類
鉻不銹鋼類
這類不銹鋼除鐵基外，主要合金元素是鉻。有的還分別含有硅、鋁、鎢、銅、鎳等一種或幾種元素，這些元素在鋼中的含量分別在1%~3%之間。
304不銹鋼
鉻鎳不銹鋼類
這類不銹鋼除鐵基外，主要合金元素是鉻和鎳。有的還分別含有欽、硅、鈿、鎢、釩等一種或幾種元素，這些元素在鋼中的含量在4%以下。
鉻錳氮不銹鋼類
鉻錳氮不銹鋼類
這類不銹鋼除鐵基外，主要合金元素是鉻和錳，大多數(shù)鋼中還含有0.5%以下的氮。有的還分別含有鎳、硅、銅等一種或幾種元素，這些元素在鋼中的含量分別只有5%以下。
根據(jù)金相組織結(jié)構(gòu)分類
鐵素體不銹鋼
鐵素體鋼是一種高鉻鋼，其鉻含量為13%-30%。當鉻元素的占比分數(shù)大于13%時，鐵素體的微觀組織結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，無γ相變，從高到低的溫度都能維持其鐵素體的形態(tài)結(jié)構(gòu)。在退火狀態(tài)和在室溫條件下，其晶體結(jié)構(gòu)以體心立方晶格型為主。該系列鋼材具有良好的耐腐蝕性、抗氧化能力，尤其是在抗應力侵蝕方面，但其機械和加工性能都比較一般，主要應用在耐酸性、強度低的建筑和抗氧化鋼材上。
低碳鐵素體金相圖
奧氏體不銹鋼
奧氏體不銹鋼是以奧氏體為主要組織成分的不銹鋼，鋼中含Cr約18%、Ni 8%~25%，C約0.1%時，具有穩(wěn)定的奧氏體組織。在常溫條件下的凝固過程中，其晶體結(jié)構(gòu)以平面立方晶格狀為主。奧氏體不銹鋼中鉻、鎳等其它金屬成分含量高?？垢g、塑性好、易于成型、加熱時不發(fā)生同質(zhì)轉(zhuǎn)化、可焊性好，韌性好，低溫韌度好，一般情況下無冷脆性。其再結(jié)晶溫度高于鐵素體，適用于在工作溫度在550℃以上的高溫高強度鋼材。部分奧氏體不銹鋼可以包含一些鐵素體組織，被稱作亞穩(wěn)態(tài)的奧氏體不銹鋼，在低溫或冷態(tài)后部分奧氏體會向馬氏體轉(zhuǎn)化。
奧氏體不銹鋼金相圖
奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼
奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼在常溫下同時存在著奧氏體組織和鐵素體組織，兩者的比例為1:1時，其綜合特性最好，較少相的含量必須大于規(guī)定的指標。雙相不銹鋼具有良好的耐應力腐蝕性能，奧氏體的存在使其具有良好的脆化性能，以獲得良好的冷熱加工性能和焊接性能。另外，由于鐵素體的加入，其屈服強度、抗應力腐蝕敏感性均有所改善，而這兩相的同時出現(xiàn)會使合金的結(jié)晶化趨勢減小，同時也會減少其晶間侵蝕趨勢。
馬氏體不銹鋼
馬氏體不銹鋼是一種以馬氏體為主要組織成分的不銹鋼。馬氏體不銹鋼的含鉻量為12%~18%，同時還包含一些碳化物和鎳化物等奧氏體成分，因此在高溫下會產(chǎn)生大量的或全部的γ相，而基底是具有磁化性質(zhì)的馬氏體，經(jīng)過熱處理可以調(diào)節(jié)它們的力學性能。
熱處理后的板條馬氏體
在合適的熱處理條件下，其微觀組織結(jié)構(gòu)基本上是由奧氏體組成，而在經(jīng)過一定時間的冷卻，形成了馬氏體組織。其晶體結(jié)構(gòu)在高碳組分為體心四方晶格，低碳組分為體心立方晶格，是一種經(jīng)熱處理的強化不銹鋼。它因其機械性質(zhì)優(yōu)良，耐腐蝕能力適中，在650℃以下有較高的耐熱能力，在各工業(yè)領域得到了廣泛的使用。
沉淀硬化不銹鋼
沉淀硬化型不銹鋼是一種能夠在經(jīng)過時效處理后析出第二相進行沉淀而得到增強的不銹鋼。它的基體是奧氏體或馬氏體組織結(jié)構(gòu)，其強度高、韌性好、耐腐蝕性能好，廣泛用于航天和高科技行業(yè)。未經(jīng)沉淀硬化熱處理前，室溫時可為奧氏體、馬氏體或鐵素體組織。經(jīng)適當?shù)某恋碛不療崽幚?，基體中可析出碳化物、金屬間化合物等析出相使鋼強化和硬化。
性能特點
耐腐蝕性能
不銹鋼具有良好的耐腐蝕性能是由于在鐵碳合金中加人了鉻所致，在普通的碳鋼上添加超過12%的鉻合金，可以在一定的條件下，在鋼材表面產(chǎn)生一種不會被腐蝕的保護膜，使其與外界介質(zhì)隔離而不易發(fā)生化學作用保持金屬光澤，具有不生銹的特性。隨著鉻含量的增加，鋼材的耐腐蝕性能也隨之提高。在氧化條件下，該薄膜能被強化，但在還原條件下會使其發(fā)生損傷，從而導致鋼材的銹蝕。如果在加工和應用中發(fā)生損壞，還可重新生成，因此，一般認為，不銹鋼是指含有超過12%鉻的抗腐蝕性的鐵基合金。
力學性能
不銹鋼材料的力學性能主要包括拉伸強度、屈服強度、蠕變強度、疲勞強度，沖擊韌性等。不銹鋼的化學成分、熱處理工藝等因素對其力學性能有明顯的影響。加入不同的化學元素會對不銹鋼的拉伸和屈服性能產(chǎn)生一定的作用，而組成的差別則決定了不銹鋼的強度特征。其蠕變特性不但與其自身的組織形式有關(guān)，而且還與多種外界環(huán)境的相互作用有關(guān)。材料組成及熱處理工藝對其疲勞強度的影響較大，普通的鐵素體不銹鋼耐熱疲勞能力較好，而奧氏體型不銹鋼在高溫下韌性較好。
工藝性能
不銹鋼材料的工藝性能是指不銹鋼制品的成型性能、焊接性能、切削性能以及淬透性等幾方面。工藝特性對不銹鋼產(chǎn)品的性能和制造費用有很大的影響，即使在各個領域都有很好表現(xiàn)的鋼材，但在處理困難或者容易損壞的情況下，它的應用也會受到很大的限制，而不銹鋼的機械加工特性較好，例如強度高，硬度高，延展性好，成型性好，容易加工和焊接。
磁性
部分不銹鋼具有受外磁場吸引或排斥的性質(zhì)。馬氏體及鐵素體不銹鋼屬于強磁性，但奧氏體不銹鋼通常屬非磁性。奧氏體不銹耐熱鋼在冷加工時，有時將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生磁性，可用熱處理方法來消除這種馬氏體的磁性另外，在奧氏體的焊縫金屬中，若含有鐵素體則呈弱磁性。雙相不銹鋼的磁性則介于奧氏體鋼與馬氏體鋼之間。
其他性能
不銹鋼材料的線膨脹系數(shù)、密度和電阻率是其特性的重要指標。奧氏體型不銹鋼的線膨脹系數(shù)約為低碳鋼的二分之一，但其熱傳導率只有低碳鋼的約三分之一，而馬氏體型的不銹鋼與低碳鋼相比，其線膨脹系數(shù)接近于低碳鋼，但其導熱系數(shù)只有低碳鋼的一半左右。
主要生產(chǎn)工藝
不銹鋼冶煉最初采用坩堝法，之后發(fā)展到電爐冶煉工藝，20 世紀 60 年代開發(fā)出 VOD和 AOD 等爐外精煉技術(shù)后，不銹鋼冶煉進入了高速發(fā)展時期。世界上不銹鋼的主要冶煉方法有三種，即一步法、二步法、三步法。
一步法：電爐一步冶煉不銹鋼。一步工藝對原材料的要求較高，生產(chǎn)中材料和能源消耗較大，生產(chǎn)成本較高，熔煉時間較長，產(chǎn)量較差，同時由于所制得的不銹鋼制品種類較少，因此很少采用此法生產(chǎn)不銹鋼。
二步法：1965 年和1968年VOD（真空吹氧脫碳精煉法）和AOD（氧脫碳精煉法）精煉裝置先后問世，這些設備在改變不銹鋼生產(chǎn)過程中發(fā)揮了重要的影響。前者是真空吹氧脫碳，后者是用氯氣和氮氣稀釋氣體來脫磺。這兩種精煉設施的任何一種與電爐相配合，就形成了不銹鋼的二步法生產(chǎn)工藝。
三步法：即電爐+復吹轉(zhuǎn)爐+VOD三步冶煉不銹鋼。其特點是以電加熱爐為熔煉裝置，僅承擔含鉻鎳半成品鋼的工作，復吹轉(zhuǎn)爐主要任務是吹氧快速脫碳，以達到最大回收鉻的目的，VOD真空吹氧機主要用于進一步的除碳除氣和化學成份調(diào)整。三步法較更適用于缺乏氟的區(qū)域，以高含碳率的鐵水作為原材料，生產(chǎn)低碳低氮不銹鋼的比例更高。
不銹鋼系列
AISI（美國鋼鐵學會）標準規(guī)定，不銹鋼鋼號用三位組成，第一位數(shù)字表示鋼的類型，第二、第三位數(shù)字表示具體鋼號在該類型鋼中的順序號，鋼號末尾有的加英文字母或化學元素符號以區(qū)別與同號鋼在成分上的一些差異。
不銹鋼系列 | 類別 | 常用不銹鋼 | 特點和用途 |
2XX（200系） | 鉻鎳氮奧氏體鋼 | 201不銹鋼 | 主要用做于裝飾管、工業(yè)管，一些淺拉伸制品 |
202不銹鋼 | 應用于建筑裝飾商場、玻璃扶手、公共設施等場所 | ||
3XX（300系） | 鉻鎳奧氏體鋼 | 304不銹鋼 | 耐高溫，加工性能好，韌性高，用于工業(yè)、家具裝飾和食品醫(yī)療行業(yè) |
316不銹鋼 | 耐蝕性極佳，用以制作或加工海用設備、染料、造紙等 | ||
4XX（400系） | 高鉻馬氏體鋼或低碳高鉻鐵素體鋼 | 409不銹鋼 | 價格低廉，常用作汽車排氣管、熱交換機等 |
410不銹鋼 | 具有較高的硬度和韌性，耐腐蝕，用作機械零件、石油精煉裝置等 | ||
5XX（500系） | 低鉻馬氏體鋼 | 500不銹鋼 | 主要是耐熱鋼 |
6XX（600系） | 耐熱鋼和耐熱鎳基合金 | 630不銹鋼 | 最常用的沉淀硬化不銹鋼，一般用于海上平臺、直升機甲板等 |
常見應用領域
車輛領域
車身結(jié)構(gòu)用高強度的不銹鋼制成，可以大幅減輕汽車的重量，增強車身結(jié)構(gòu)的剛度，汽車的車身和內(nèi)飾部分使用不銹鋼可以提高汽車的維護壽命。另外，由于其耐氯堿侵蝕、耐高溫等優(yōu)點，因此在車輛的排氣零件中廣泛應用。
在汽車上使用不銹鋼及產(chǎn)品的優(yōu)勢在于：防腐性好，維修量低，外觀漂亮，無需經(jīng)過任何加工，生產(chǎn)過程簡單，生產(chǎn)時間短，與同類產(chǎn)品相比，采用不銹鋼車身，其質(zhì)量可降低20%~35%，對汽車的質(zhì)量和速度都具有較大的提升。另外，不銹鋼的使用安全性能好，有利于環(huán)保和節(jié)約能源。
建筑領域
建筑行業(yè)是不銹鋼應用最早的領域之一。不銹鋼結(jié)構(gòu)是一種常見的結(jié)構(gòu)材料，廣泛應用在高層建筑中的外墻、室內(nèi)、樓梯、室內(nèi)裝修及構(gòu)件等。經(jīng)過表面處理、著色、鍍層的不銹鋼板，可有效地克服接觸模具容易產(chǎn)生指紋的問題，從而拓展了不銹鋼的使用領域。
工業(yè)領域
在造船工業(yè)中，不銹鋼能有效地抵抗海洋中的氯化物腐蝕，適用于船用裝飾、易腐蝕零件、船用機械等，根據(jù)運載物品的特性選用相應的耐腐蝕不銹鋼、低溫不銹鋼等。在環(huán)保工業(yè)中，工業(yè)廢氣，渣滓和廢水處理設施必須為不銹鋼材質(zhì)。在吸收塔和冷卻器等部位應選用雙相不銹鋼及高牌號奧氏體不銹鋼，以抵抗二氧化硫、氯離子和鐵離子的侵蝕。
生活領域
不銹鋼具備結(jié)構(gòu)材料所要求的許多理想性能，已廣泛應用于生活中的方方面面。例如在廚房器具方面主要有水洗槽和電氣、煤氣熱水器，家電產(chǎn)品主要有全自動洗衣機的滾筒。在手機等精密電子設備中，靈活應用了不銹鋼的高強度、彈性和非磁性等特性，使得不銹鋼的應用擴大，還有在各種金屬制品中，具有良好清潔度和耐久性的不銹鋼發(fā)揮了重要作用。
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