不锈钢合金元素及其作用

不锈钢合金元素及其作用

不锈钢中的合金元素主要从以下几个方面发挥作用：

(1)促进钢的钝化膜的生成和稳定。

(2)提高钢的电极电位。

(3)调整钢的组织结构。

(4)减少或消除钢中组织的不均匀性，增强组织的稳定性。

(5)平衡或减小碳对耐腐蚀性能的不利作用。

(6)强化钢的基体，调整钢的力学性能。

(7)改善冷、热加工工艺性能。

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，即当铬的原子比达到1/8、2/8、3/8、…n/8，铁基因溶体的电极电位才会跳跃式地增高，腐蚀也因此而减弱。钢的耐腐蚀性能才会明显地提高，见图1-2和图1-3.

图1-2 铁-铬合金1N的FeSO4溶液与甘汞电极的比较电位及在3N的HNO3中的腐蚀率

图1-3铬钢在海水中的腐蚀速度与铬含量的关系

铬原子引起钢的电极电位第一次突变增高是铬占1／8原子即12．5％原子比时，如果折算成质量百分数则为：

这个11．7％的铬含量就是构成不锈钢中的含铬量的最低界限，亦即钠中铬含量高于这个界限才可称为本锈钢。

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。工业户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、起决定性作用的台金元素；

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余元素加入铁碳合金中来发挥作用。镍是形成和稳定奥氏体的元素，但是，在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耐蚀性，见图1—4。

图1-4 镍对0.2%~0.3%碳的钢在10%硫酸中的耐腐蚀性能的影响可是，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性能，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600~1100N/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，其比相同含铬量的铁素体不锈钢和马氏体不锈钢有更优良的耐腐蚀性能，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和性能。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。典型的例子，含铬为17％的不锈钢，当含碳量不足0.12％时是铁素体不锈钢，无相变，不能用热处理方法强化，退火使用的硬度

不足200HB；而当含碳量增加到0.7％以上时，则成为马氏体不锈钢，淬火、回火后硬度可大于50HRC。再比如，含铬为13％的不锈钢，随着含碳量的增加，热处理后的硬度有明显的提高。见图1-5。

图1-5 含碳量对13%个钢调质后的硬度影响（980℃油淬，650℃回火）从以上两例可见，碳在不锈钢中对改善组织和力学性能的作用是有益的。这种作用为不锈钢在有高强度、高硬度要求的零件上的应用创造了条件。

但是，也应该看到，碳和铬的亲合力很大，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到影响，特别是这种铬的碳化物沿品粒界析出时，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件能起到有害的作用。见图1—6。所以，随着冶金技术的进步，根据刘不锈钢耐腐蚀性能的需求，出现广越来越多的低碳、超低碳的新的不锈钢钢种。

图1-6 含碳量对18Cr-8Ni钢晶间腐蚀深度影响（敏化处理1000h在H2SO4-CuSO4中试

验）

由上可见，碳在不锈钢中发挥着有益和有害的两个方向的作用，这一点应是选择和使用不锈钢及制订正确热处理方法时予以注意的。

四、钼

钼是形成铁素体的元素，如果要使钢获得奥氏体组织，应考虑钢中钥的影响。因此，含钼的奥氏体不锈钢中都适当地提高了镍的含量，以平衡钼的作用。在马氏体不锈钠中含有钼时，热处理应适当提高淬火温度，以保证含钼的碳化物充分溶解。

钼加人不锈钢中，可增强钢的钝化作用，从而提高钢的耐腐蚀性能。如高铬铁素体不锈钢加入2％~3％钼，可提高在有机酸中的耐腐蚀性。钼加入双相不锈钢后，使钢在含氯离子介质中的抗孔蚀能力显著提高。见图1—7。

图1-7 钼含量对孔蚀腐蚀速率的影响（试验温度150℃）有人认为，钼在钢中是富集在靠近钢基体的钝化膜中，提高了钝化膜的稳定性。但钼的存在会促进钢中 相等金属间相的形成，有使钢材脆性增加的可能。

五、铜

铜是形成奥氏体的元素，但作用效果不大，对组织无显著影响。铜能提高奥氏体的稳定性。不锈钢中加入铜，主要是提高在硫酸中的抗腐蚀能力，特别是与钼一起加入，效果更显著，这可能与其在硫酸中有较高的稳定性有关。铜在沉淀硬化不锈钢中，因时效处理析出富铜的强化相而使钢强化：

六、钛和铌

钛和铌都是强烈形成碳化物的元素，都比铬更容易形成碳化物，钛和铌存在于不锈钢中，会使钢中的碳尽可能地与钛和铌结合，这样，就会使钢中的铬能尽量稳定地存在于固溶体中，使固溶体中有足以保证耐腐蚀性能的铬的含量，保证铬不沿晶界析出，也就保证不沿晶界处析出，也就保证了在晶界处不存在贫铬区，即可有效地防止不锈钢产生晶问腐蚀。

当然，加入钛和铌的含量应根据钢中碳的含量来确定。一般来说，不锈钢中钛和铌的加入量与钢中碳的含量的关系可大致按下面的公式计算：