不锈钢中的主要合金元素及其作用
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不锈钢中的主要合金元素及其作用
一、铬
在不锈钢的合金元素中，铬是最重要的元素。
由于铬形成的致密、稳定的Cr2O3薄膜的保护，阻止了介质对金属基体的继续渗入腐蚀，所以，钢中如果含铬量达5%，就显示出一定的耐腐蚀作用。
但不是所有含铬的钢都可以作不锈钢使用，经过多年的研究和实践，人们发现，依据腐蚀的电化学理论，为了提高钢的电极电位，把铬加入到铁基固溶体中时，只有铬含量达到一定浓度，腐蚀也因此而减弱，钢的耐腐蚀性能才会明显提高。
12.5%×铬原子量/铁原子量=12.5%×52/55.8=11.7%
这个11.7%的铬含量就是构成不锈钢中含铬量的最低界限，亦即钢中铬含量高于这个界限才可称为不锈钢。
当然，随着腐蚀介质条件的不同，有时钢中的铬含量还要提高，如在氧化性较强的介质中，铬含量要高于16%的钢才会有明显的钝化能力。
工业中应用的不锈钢的铬含量一般在12%~30%。
可以说，几乎没有一种不锈钢不含铬，所以说，铬是不锈钢中最重要的、起决定性作用的合金元素。
二、镍
镍是优良的耐腐蚀材料，但是，因价格昂贵以及其他一些因素的限制，在工业上很少应用纯镍，常常是作为一个重要的合金元素加入铁碳合金中来发挥作用。
镍是形成稳定奥氏体的元素，但是，低碳的镍钢中要获得纯奥氏体组织，镍含量要达到24%以上，而含镍量达到27%才能使钢在某些介质中改善腐蚀性。
可是，当镍与铬共同存在于钢中时，镍的作用会发生很大的变化。
比如，在含17%铬的铁素体不锈钢中，加入2%左右的镍以后，变成了马氏体不锈钢。
铁素体不锈钢强度低，抗拉强度不足400N/mm2，不能通过热处理方法强化，而变成马氏体不锈钢后，在加热和冷却时会发生相变，就可以用热处理方法来调整，如1Cr17Ni2钢，经980~1020℃加热油淬后，再经不同温度的回火，其抗拉强度可在600~1100 N/mm2之间调整，以满足使用要求。
再比如，当把镍含量继续提高到8%左右时，一般情况下可获得单相奥氏体组织，即被广泛应用的18-8奥氏体不锈钢，其比相同含量的铁素体不锈钢的马氏体不锈钢有更优良的耐腐蚀性，而且，加工性能、焊接性能、低温下的塑性和冲击韧性更好。
由此可见，镍在不锈钢中的应用主要是配合铬才能更好地发挥作用，才能改变不锈钢的组织，从而使不锈钢的力学性能、加工性能和在某些腐蚀介质中的耐腐蚀性能得到很大的改善。
三、碳
碳是钢的主要组成元素，碳在钢中的含量及分布形式决定了钢的组织性能。
碳在不锈钢中对组织、力学性能、耐腐蚀性能有很大的影响，可以说是起主导作用的。
碳是一种强烈扩大奥氏体区域和稳定奥氏体组织的元素，其作用程度大约是镍的30倍，所以，碳含量对不锈钢组织、性能的影响是明显的。
但是，碳和铬的亲和力很大，极易与不锈钢中的铬结合形成碳-铬化合物，碳越多，被结合的铬也越多，这必然使固溶体中的铬减少，从而使钢的耐腐蚀能力受影响，特别是这种铬的碳化物沿晶粒界析出时，会引起该处产生贫铬区，引起晶间腐蚀。
从这方面看，碳对不锈钢的耐腐蚀性能起到有害作用。
随着冶金技术的进步，根据对不锈钢耐腐蚀性能的要求，出现了越来越多的低碳、超低碳的新的不锈钢。
由上可见，碳在不锈钢中发挥着有益和有害的两个方面的作用，这一点是选择和使用不锈钢及制定正确热处理方法时予以注意的。
四、钼和铜
钼和铜可以提高某些不锈钢的耐腐蚀性能。
钼加入不锈钢中，可增强钢的钝化作用，从而提高钢的耐腐蚀性能。
五、锰和氮
锰和氮可以代替铬镍不锈钢中镍，锰也是扩大奥氏体区和稳定奥氏体组织的元素，其作用效果相当于镍的1/2，即2％的氮在钢中的作用也是稳定奥氏体，并且作用的程度比镍还要大。
锰在不锈钢中的应用主要是取代一部分镍，特别是缺镍的国家以锰代替镍生产奥氏体不锈钢。
锰对于奥氏体的作用与镍相似。
但说得确切一些，锰的作用不在于形成奥氏体，而是在于它降低钢的临界淬火速度，在冷却时增加奥氏体的稳定性，抑制奥氏体的分解，使高温下形成的奥氏体得以保持到常温。
在提高钢的耐腐蚀性能方面，锰的作用不大，如钢中的含锰量从0到10．4%变化，也不使钢在空气与酸中的耐腐蚀性能发生明显的改变。
这是因为锰对提高铁基固溶体的电极电位的作用不大，形成的氧化膜的防护作用也很低，所以工业上虽有以锰合金化的奥氏体钢（如40Mn18Cr4,50Mn18Cr4WN、ZGMn13钢等），但它们不能作为不锈钢使用。
例如，欲使含18％铬的钢在常温下获得奥氏体组织，以锰和氮代镍的低镍不锈钢与元镍的铬锰氮不诱钢，目前已在工业中获得应用，有的已成功地代替了经典的18-8铬镍不锈钢。
六、硫
在某些不锈钢中有意识的提高硫和硒元素，主要是为提高不锈钢，特别是
奥氏体不锈钢的切削性能。
七、不锈钢中加钛或铌是为了防止晶间腐蚀。
以上主要的十种元素对不锈钢的性能和组织的影响，除这些元素对不锈钢性能与组织影响较大的元素以外，不锈钢中还含有一些其他的元素。
有的是和一般钢一样为常存杂质元素，如硅、硫、磷等．也有的是为了某些特定的目的而加入的，如钴、硼、硒、稀土元素等。
从不锈钢的耐腐蚀性能这一主要性质来说，这些元素相对于已讨论的九种元素，都是非主要方面的，虽然如此，但也不能完全忽略，因为它们对不锈钢的性能与组织同样也发生影响。
八、硅
硅也是铁素体形成形成元素，在一般不锈钢中为常存杂质元素。
能提高不锈钢在氧化性介质中的耐腐蚀性能。
硅的加入还可改善钢的铸造性能。
九、磷
在一般不锈钢中属于杂质元素，但其在奥氏体不锈钢中的危害性不像在一般钢中那样显著，故含量可允许高一些，如有的资料提出可达0．06％，以利于冶炼控制。
个别的含锰的奥氏体钢的含磷量可达0．06％（如2Crl3NiMn9钢）以至0.08％（如Cr14Mnl4Ni钢）。
利用磷对钢的强化作用，也有加磷作为时效硬化不锈钢的合金元素，PH17－10P钢(含0．25％磷)乃PH－HNM钢（含0．30磷）等。
以上对每种合金元素在不锈钢中的作用和影响进行了说明。
需要指出的是，不锈钢是多种元素共存的，这时它们的影响要比每个元素在不锈钢中的单独作用更复杂。
所以，不仅要考虑每种元素的自身作用，还要考虑它们之间的相互作用和影响。
总之，在分析、使用不锈钢，在确定不锈钢热处理规范时，都应
全面、综合地考虑每种合金元素及其几种合金元素的综合作用。
