不锈钢中合金元素的作用及概况范文

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【摘要】不锈钢具有良好的耐腐蚀、可焊接性及易加工性能，在各工业部门及日常生活中已得到广泛应用。不锈钢的优异性能主要与其中的合金元素有关，通过改变不锈钢的成分，可得到具有不同组织和性能的不锈钢。介绍不锈钢材料中常用的合金元素及其作用，并对不锈钢中合金元素的发展现状进行综述，最后对不锈钢中合金元素的研究前景进行展望。

【关键词】不锈钢；合金元素；作用及其概况

1前言

不锈钢是铬含量大于10.5%（质量分数，后面无特别说明均为质量分数），且具有不锈性和耐酸性能的一系列铁基合金的统称，大量的合金元素结合后续的热处理工艺可获得不同的组织和性能，按钢中的组织结构分类可分为马氏体、铁素体、奥氏体、奥氏体+铁素体双相和沉淀硬化不锈钢五种类型。因不锈钢具有高强度、耐腐蚀性、可焊接性及易加工等一系列优异性能，被广泛应用在航空、化工、汽车、食品机械、医药、仪器仪表、能源等工业及日常生活当中，而不锈钢的优异性能主要取决于钢中的成分及其组织，所以不锈钢的成分、析出相及组织的研究一直是不锈钢研究的重点。本文主要介绍了不锈钢中的主要合金元素及其作用，并就其研究概况进行了论述。

2不锈钢中主要元素的分析

不锈钢中含有大量的合金元素，主要有Cr、Ni、Mo、Si、Mn、Cu、Ti、V、Nb、Al、W等。合金元素对铁的同素异构转变的影响是不同的，有的与铁相互作用扩大γ区，有的则相反，缩小或封闭γ相区。据此可将合金元素分为两大类：将扩大γ相区的元素称为奥氏体形成元素；将缩小或封闭γ相区的元素称为铁素体形成元素。

3不锈钢中合金元素的作用

3.1奥氏体中合金元素的作用奥氏体形成元素主要有C、N、Ni、Mn和Cu等。

3.1.1碳、氮元素的作用碳和氮都是强烈形成并稳定奥氏体的元素，碳氮元素容易与其它合金元素以碳、氮化物的形式析出，所以碳氮含量的增加，会使得不锈钢的强度提高，但是冲击韧性下降，韧脆转变温度上升。Zheng等人[1]研究了碳含量对热轧低碳12Cr-Ni不锈钢的组织及性能的影响。研究发现，随着含碳量由0.004%增加到0.034%，不锈钢的强度、硬度增加，伸长率和冲击韧性下降。当含碳量为0.004%时，冲击韧性最好。另外，碳元素的存在，过饱和的碳将以碳化物形式析出，造成临近区域贫铬，使得奥氏体不锈钢具有较高的晶间腐蚀敏感性。氮在不锈钢中的普遍且大量应用是近十多年不锈钢材料领域最重大的发展。氮在铁素体不锈钢中是有害的，它提高铁素体不锈钢的脆性转变温度。氮元素在奥氏体不锈钢中可以部分替代镍元素以节约镍，同时起到固溶强化的作用，可显著提高奥氏体和双相不锈钢的室温和高温强度，氮还可以起到提高奥氏体不锈钢耐腐蚀性能。郎宇平[2]研究发现，氮和适量的铬、钼结合，可以显著提高奥氏体不锈钢的耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀的能力，且随氮含量增加，奥氏体不锈钢耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀能力也增加。然而当钢中含氮量超过某一定量，将对不锈钢的性能产生某些不良影响。

3.1.2镍元素的作用镍可以提高铁素体不锈钢的强度、韧性及耐腐蚀性能，但是对于铁素体不锈钢的耐氯化物应力腐蚀性能而言，镍的加入是有害的。Azuma[3]研究了镍对含25%Cr、3%Mo不锈钢的耐缝隙腐蚀的影响，研究发现含镍的铁素体不锈钢在海水中的耐腐蚀性能优于不含镍的铁素体不锈钢及奥氏体不锈钢，结果显示，在铁素体不锈钢中添加镍有利于降低钝化pH值和降低缝隙处在酸性氯化物溶液中的溶解速度。对于奥氏体不锈钢，在可能发生马氏体转变的镍含量范围内，随着镍含量的增加，钢的强度降低而塑性提高。但是，镍含量的增加会导致奥氏体不锈钢的晶间腐蚀敏感性增加。梁成研究发现304不锈钢在0.3%NaCl水溶液中，随着镍含量增加，钝化电流密度降低，改善了缝隙腐蚀性能。虽然镍系不锈钢具有良好的耐腐蚀性能，但是由于镍元素价格昂贵，研究一种以锰、氮等元素取代镍元素的低镍或无镍不锈钢以降低成本具有很大的实用价值。

3.1.3锰元素的作用在不锈钢中，锰作为脱氧元素而残留在钢中，锰的重要作用之一体现在节镍不锈钢和高氮不锈钢中，锰代镍节约镍资源，同时增加氮的溶解度和提高强度。在奥氏体不锈钢中，质量分数在2%以内的锰对硬度影响可忽略，抗拉强度和屈服强度却随锰含量增加而下降。锰的另一重要作用是形成MnS，抑制硫的有害作用，改善高铬镍奥氏体不锈钢的高温热塑性。在耐蚀性方面，锰的增加会使不锈钢的耐腐蚀性能下降。适量的锰是有益的，特别是和氮的结合使用以节约稀贵金属镍，以降低成本，但是若添加的量过多，将使不锈钢的耐蚀性和塑韧性下降。

3.1.4铜元素的作用在不锈钢中加入一定数量的铜可改善钢的耐蚀性、力学性能、冷成形性能和切削加工性能。另外，铜的添加还能增加不锈钢的抗菌性能，通过对317L不锈钢、317L-Cu（4.5%）和Ti-6Al-4V三种材料在植入过程中的抗菌能力进行研究。结果表明，317L-Cu（4.5%）的体内、体外抗菌性和生物相容性强，可作为生物材料以减少植入物相关感染，富铜的金属间化合物的弥散析出，是不锈钢获得表面抗菌性的原因。铜元素添加的不利一面是随钢中含铜量的增加，不锈钢的热塑性降低，从而影响钢的热加工性能。

3.2铁素体中合金元素的作用

铁素体形成元素主要有：Cr、Mo、Si、Al、Ti、Nb、V等。

3.2.1铬元素作用铬元素是不锈钢中最重要的元素之一。在铁素体不锈钢中，随铬含量的提高，将引起475脆性和加速σ相的形成，冲击韧性下降；当铬的质量分数在25%以内时，随铬含量的增加，钢的强度下降，当铬的质量分数大于25%时，随铬含量的增加而稍有提高。在奥氏体不锈钢中，铬和镍的交互作用形成稳定的奥氏体组织，在单一奥氏体不锈钢中，铬含量对力学性能不会产生明显影响。当钢中存在铁素体相或出现σ相时，随铬含量的提高，将引起钢的强度提高，塑韧性下降。Jang[4]等研究了铬含量对含0.13%氮的CD4MCU铸造双相不锈钢拉伸和腐蚀性能的影响。研究结果显示，随着铬含量由23%上升至28%，不锈钢在3.5%+5%H2SO4水溶液的耐蚀性和耐应力腐蚀开裂性能相应增加。

3.2.2钼元素的作用钼是广泛用于不锈钢中的重要合金元素，研究已证实，在海洋性大气中，仅靠铬，甚至铬含量高达24%也很难完全防止不锈钢的锈蚀，必须加入钼元素。但相对不锈钢耐蚀性的有益作用的前提是钢中必须含有足够量的铬元素。而且，随着钢中铬含量提高，钢中钼的有益作用也会显著增加。对于铁素体不锈钢，钼能显著提高其硬度，且钼含量小于2%时，对脆性转变温度未产生明显影响，此后，随钼含量的提高，脆性转变温度显著上升。对于奥氏体不锈钢，钼具有明显的固溶强化效果。钼元素还能够提高不锈钢的耐腐蚀性能，但是钼对铁素体和奥氏体不锈钢的耐应力腐蚀性能有害。国外相关专家研究了钼含量对17-4PH不锈钢抗应力腐蚀开裂的影响，适量的钼元素有利于提高不锈钢对应力腐蚀开裂的抵抗能力。

3.2.3硅元素的作用不锈钢中添加适量的硅元素，可提高不锈钢的抗氧化和抗硫化性能，赋予钢在浓硝酸、浓硫酸等强氧化性介质中的优异耐蚀性，这与硅在不锈钢表面形成富硅的氧化物保护膜有关。其不利影响是当硅含量在小于1.0%且属于不锈钢中正常含量时，会降低铬镍奥氏体不锈钢的耐蚀性并显著提高钢的固溶态晶间腐蚀的敏感性，提高铁素体不锈钢的脆性转变温度，降低钢的塑韧性及恶化钢的热加工性能。马艳红[5]研究了硅元素对19Cr-9Ni、16Cr-14Ni和14Cr-14Ni等不锈钢耐蚀性的影响。研究发现，硅元素的添加对不锈钢的耐蚀性是有益的，但是硅含量并不是越高越好，其最佳加入量为5%左右。随着硅含量从1.01%增加至4.45%，腐蚀速率从1016mdd（毫克每平方分米/每天）下降至50mdd。

3.2.4铝元素的作用作为合金元素，铝的主要作用是时效强化、提高回火稳定性和增加二次硬化效应。喇培清研究了铝对1Cr18Ni9不锈钢组织和性能的影响。结果表明，通过降镍增铝，1Cr18Ni9不锈钢的显微组织由奥氏体向铁素体转变，基体组织中析出的金属间化合物逐渐增加，其屈服强度、硬度、高温抗氧化性都有大幅度提高，但是塑韧性逐步降低。孟倩[6]发现Al含量增加，合金的基体相由奥氏体相转变为奥氏体＋铁素体双相组织，并出现少量的氮化物；随Al含量增加，铸态和固溶态的316L不锈钢的屈服强度明显增大、抗拉强度先减小后增大、硬度显著增大，而伸长率降低。Al含量为1.5%的固溶态316L不锈钢具有较好的综合性能，和铸态不加Al的316L不锈钢相比，各项性能指标有了很大提高。

3.2.5钛、铌、钒的作用钛和铌在不锈钢中的主要功能是细化晶粒和形成钛、铌的碳化物和碳氮化物，减少或避免有害的Cr23C6型碳化物析出，从而提高钢的强度和耐蚀性，同时提高铁素体不锈钢的冷成形性能。另外发现添加较多的Ti可降低00Cr13Co9Ni5Mo5马氏体时效不锈钢基体组织中的有效C、N含量，大幅降低固溶、时效处理后残余奥氏体含量，最终使冷脆转化温度显著上升，在提高强度的同时降低了钢的韧性。还对钛含量对14Cr-15Ni不锈钢的蠕变性能进行了研究。结果显示，钛含量分别为0.18%、0.23%、0.25%、0.36%的四种不锈钢中，含量为0.23%时，不锈钢的蠕变强度最高、持久寿命最长，原因是析出的TiC最多。铌也是Cr系和Cr-Ni系不锈钢的重要的合金元素之一，其用量仅次于钼，且作用是多方面的，尤其在高温领域中的耐热不锈钢更为重要，它可部分的代替价格昂贵的钼。选取了两种17%Cr超纯铁素体不锈钢进行高温时效试验。结果表明，铌的质量分数为0.2%时，铌没有明显的强化作用，950高温下晶粒迅速长大，高温强度迅速降低；铌的质量分数为0.4%时，在950高温下时效，材料中析出弥散第二相粒子Fe2Nb，阻止晶粒长大，提高强度，防止高温引起的材料软化。钒元素作用与Ti、Nb类似，也是一种强碳氮化物形成元素，但其析出物形成温度较低，在液相线以下，颗粒尺寸容易控制。通过对18Cr-2Mo铁素体不锈钢的研究表明，添加钒后的析出相主要是NbC和VN，弥散分布于晶内和晶界，其中NbC的尺寸为100～250nm。随着钒含量的增加，试验钢的晶粒尺寸及屈服强度变化不明显，而冲击韧性及点腐蚀性能逐步得到改善和提高，当钒含量为0.36%时，钢的韧脆转变温度由原始的-10下降至-30，点腐蚀电位由0.38V提高至0.42V。

4结语

在工程实践中，进行不锈钢成分设计应考虑性能、安全、成本、寿命等因素，通过合金元素的合理组合及后续热处理等工艺手段，以达到预期目的。根据中国特钢企业协会不锈钢分会的最新统计数据表明，我国2016年前三季不锈钢粗钢产量1803.3万吨，同比增幅11.43%，该数据与十年前相比，中国铁素体不锈钢的发展取得了巨大的成绩，其在不锈钢中的比例上升了20%，与此同时，马氏体不锈钢也取得了长足的进步，铁素体、马氏体不锈钢的应用领域也逐渐扩展。但是，我们与发达国家相比，还存在较大差距，主要是使用比例较低，新钢种开发较少，应用范围较窄。我国铬镍矿资源贫乏，且镍属于稀贵金属，所以今后的发展方向应该有以下两点：在现有基础上，继续推动铁素体不锈钢等节镍型不锈钢的研发和生产，充分利用现有资源，采用其它种类的合金元素以节约稀缺资源，开发资源节约型不锈钢，如利用锰、氮复合加入用来代替钢中昂贵、稀缺的镍；为了适应现代工业发展中的耐苛刻介质全面腐蚀的需求以及降低成本的需要，通过不锈钢成分设计，加强超级不锈钢成分、组织及性能的科学研究，推动超级不锈钢的研发和生产。超级奥氏体不锈钢是高端装备制造业的关键材料，是金属材料的“塔尖”部分，主要应用在石油化工、核电火电、清洁能源、船舶制造与海洋工程以及环保等领域。我国的高性能不锈钢生产数量远远不能满足国内需求，目前我国的需求和生产量还差的很远。在世界前十名超级奥氏体不锈钢生产企业中我国还没有一家，这些都要靠我国的科技工作者和企业家共同努力来推动不锈钢行业的发展。

作者：潘亚娟 单位：广西科技大学鹿山学院机械工程系