Влияние легирующих элементов на нержавеющую сталь | MachineMFG

Влияние легирующих элементов на нержавеющую сталь

0
(0)

Классификация нержавеющей стали

1. По химическому составу, его можно разделить на: хромистая нержавеющая стальХромоникелевая нержавеющая сталь, хромомарганцевая нержавеющая сталь, хромоникелевая молибденовая нержавеющая сталь, ультранизкоуглеродистая нержавеющая сталь, высокомолибденовая нержавеющая сталь, высокочистая нержавеющая сталь и т.д.

2. По металлографической структуре, его можно разделить на: мартенситная нержавеющая стальФерритная нержавеющая сталь, аустенитная нержавеющая сталь, аустенитная ферритная нержавеющая сталь и т.д.

3. В соответствии с эксплуатационными характеристиками и использованием сталиТакие как нержавеющая сталь, устойчивая к азотной кислоте, нержавеющая сталь, устойчивая к серной кислоте, нержавеющая сталь, устойчивая к точечной коррозии, нержавеющая сталь, устойчивая к стрессу, высокопрочная нержавеющая сталь и т.д.

4. В соответствии с функциональными характеристики стали: такие как низкотемпературная нержавеющая сталь, немагнитная нержавеющая сталь, нержавеющая сталь для свободной резки, суперпластичная нержавеющая сталь и т.д.

Процесс разработки марок нержавеющей стали показан на рисунке ниже:

Влияние легирующих элементов на микроструктуру и свойства нержавеющей стали

Примечание:  - сильное действие, ⚪- умеренное действие, ▲ - слабое действие

Способы повышения коррозионной стойкости нержавеющая сталь

(1) Чтобы получить стабильную кривую анодной поляризации зоны пассивации для конкретной среды, убедитесь, что нержавеющая сталь подготовлена соответствующим образом.

(2) Повышение электродного потенциала подложки из нержавеющей стали при одновременном снижении электродвижущей силы коррозионного гальванического элемента может способствовать повышению ее коррозионной стойкости.

(3) Улучшение однофазной структуры стали и уменьшение количества микробатарей может повысить ее коррозионную стойкость.

(4) Для формирования стабильной защитной пленки на поверхности стали добавление таких элементов, как кремний, алюминий и хром, помогает создать плотную защитную пленку во многих ситуациях коррозии и окисления, тем самым повышая коррозионную стойкость стали.

(5) Устранение или уменьшение различных неравномерных явлений в стали также является важным шагом в повышении ее коррозионной стойкости.

Добавление легирующих элементов в сталь - основной метод, используемый для повышения ее коррозионной стойкости.

Добавление различных легирующих элементов может действовать одним или несколькими способами одновременно для повышения коррозионной стойкости стали.

Влияние легирующих элементов на поляризацию и электродный потенциал железа

Тип и содержание легирующих элементов оказывают непосредственное влияние на коррозионную стойкость нержавеющей стали. Основная функция легирующих элементов - влиять на поляризационные характеристики железа и электродный потенциал.

1. Влияние элементов сплава на поляризационные свойства железа

Процесс анодной поляризации широко распространенных металлов, таких как Fe, Cr, Ni и Ti, протекает по уникальной схеме поляризации.

После прохождения анода потенциал анода увеличивается, и анодный ток (скорость коррозии) изменяется соответственно, почти по той же схеме.

Типичная форма поляризационной кривой показана на рисунке ниже.

При увеличении потенциала анодной поляризации ток коррозии уменьшается неравномерно. Вместо этого он сначала увеличивается, затем уменьшается до минимума и поддерживает этот ток на определенном этапе повышения потенциала, после чего снова увеличивается.

Эта поляризационная кривая называется анодной поляризационной кривой с активационным и пассивационным переходом. Она делится на три области: область активации (A), область пассивации (B) и область перепассивации (T).

Рис. Кривая анодной поляризации активированных и пассивированных переходных металлов

Поляризация играет важную роль в улучшении коррозионная стойкость металлов. Факторы, усиливающие анодную или катодную поляризацию, могут повышать коррозионную стойкость, а факторы деполяризации - снижать ее.

Различные элементы сплава оказывают разное влияние на поляризационные свойства железа. Элементы, расширяющие зону пассивации, что снижает потенциал зоны ECP и P и повышает потенциал точки Er, могут улучшить коррозионную стойкость стали. С другой стороны, все элементы, повышающие эффективность пассивации, в результате чего точки ICP и I1 смещаются влево, могут уменьшить ток коррозии и повысить коррозионную стойкость.

Элементы, повышающие потенциал точки Er, уменьшают питтинговую коррозию, поскольку, когда потенциал колеблется вблизи потенциала избыточной пассивации, а потенциал точки Er низкий, это может привести к локальному разрушению пассивирующей пленки, что приведет к питтинговой коррозии.

Среди легирующих элементов, обычно используемых в стали, Cr может значительно улучшить пассивацию чистого железа, увеличить потенциал точек Ecp, Ep и Er, а также сдвинуть положение точек Icp и I1 влево. Поэтому он является наиболее эффективным элементом в повышении коррозионной стойкости железа.

Помимо Cr, такие легирующие элементы, как Ni, Si, Mo и т.д., также могут в разной степени улучшать эффективность пассивации и расширять зону пассивации.

Мо, например, не только улучшает пассивацию железа, но и повышает потенциал точки Ер, что улучшает стойкость железа к питтинговой коррозии.

2. Влияние на электродный потенциал железа

Как правило, электродный потенциал твердого раствора металла ниже, чем у других соединений. Поэтому в процессе коррозии твердый раствор металла с большей вероятностью будет корродировать в качестве анода.

Одним из способов повышения коррозионной стойкости железа является увеличение его электродного потенциала. Исследования показали, что добавление Cr к железу с образованием твердого раствора может значительно повысить электродный потенциал полученного материала, как показано на рисунке ниже.

Повышение электродного потенциала материала позволяет значительно повысить его коррозионную стойкость.

Рис. Влияние хрома на электродный потенциал сплава Fe Cr

Благодаря хорошему влиянию хрома на пассивацию железа и электродный потенциал, хром стал основным легирующим элементом различных нержавеющих сталей.

Влияние легирующих элементов на коррозионную стойкость и структуру матрицы нержавеющей стали

Матричная структура нержавеющей стали имеет решающее значение для достижения желаемых механических и технологических свойств, а также для обеспечения превосходной коррозионной стойкости.

Два типа нержавеющих сталей - однофазная ферритная и однофазная аустенитная - демонстрируют превосходную коррозионную стойкость.

Влияние легирующих элементов на структуру матрицы в первую очередь зависит от того, выступают ли они в качестве стабилизаторов феррита (α) или аустенит (γ) стабилизаторов.

Если стабилизирующий элемент доминирует, можно получить однофазную α-нержавеющую сталь; в противном случае получается однофазная γ-нержавеющая сталь.

1. Влияние элементов сплава на коррозионную стойкость нержавеющей стали

1. Хром

Хром - основной элемент, определяющий коррозионную стойкость нержавеющей стали. Когда содержание хрома (атомное соотношение) достигает от 1/8 до 2/8, электродный потенциал железа подскакивает, что приводит к повышению коррозионной стойкости стали. Хром также является стабилизирующим элементом, который помогает повысить общую долговечность материала.

Одна из причин этого заключается в том, что оксид хрома относительно плотный и может образовывать защитную пленку, которая противостоит коррозии.

2. Углерод и азот

Углерод играет важную роль в производстве нержавеющей стали, так как он сильно стабилизирует аустенитСтабилизирующая способность углерода примерно в 30 раз выше, чем у никеля. Кроме того, углерод является основным элементом, используемым для упрочнения нержавеющей стали. Однако углерод также может образовывать с хромом ряд карбидов, что может существенно повлиять на коррозионную стойкость нержавеющей стали. Кроме того, углерод может ухудшить качество обработки и сварки свойства нержавеющей стали и вызывают хрупкость ферритной нержавеющей стали.

Поэтому очень важно тщательно контролировать и применять углерод в процессе производства и разработки нержавеющей стали. Сочетание углерода и хрома оказывает значительное влияние на формирование структуры нержавеющей стали, как показано на рисунке ниже.

На рисунке видно, что когда содержание углерода при низком содержании углерода и высоком содержании хрома образуется ферритная структура, а при высоком содержании углерода и низком содержании хрома образуется мартенситная структура.

В хромистой нержавеющей стали увеличение содержания углерода приводит к образованию мартенсит когда содержание хрома ниже 17%. С другой стороны, низкое содержание углерода и содержание хрома 13% приведет к образованию ферритная нержавеющая сталь.

По мере увеличения содержания хрома с 13% до 27% способность стабилизировать феррит возрастает, что, в свою очередь, приводит к увеличению содержания углерода (с 0,05% до 0,2%). Несмотря на увеличение содержания углерода, ферритная матрица по-прежнему сохраняется.

Рис. Влияние углерода и хрома на микроструктуру нержавеющей стали

3. Никель

Никель - один из трех важных элементов в нержавеющей стали, поскольку он способен повысить коррозионную стойкость материала. Как элемент, стабилизирующий γ-фазу, никель является основным компонентом, необходимым для получения однофазного аустенита и стимулирования его образования в нержавеющей стали.

Одним из ключевых преимуществ никеля является то, что он способен эффективно снижать Мисс ПойнтВ результате аустенит остается стабильным при очень низких температурах (-50 ℃), не подвергаясь мартенситному превращению. Однако увеличение содержания никеля снижает растворимость углерода и азота в аустенитной стали, тем самым увеличивая склонность этих соединений к десольватации и выпадению в осадок.

С увеличением содержания никеля критическое содержание углерода межкристаллитная коррозия уменьшается, делая сталь более восприимчивой к этому виду коррозии. Однако влияние никеля на стойкость к точечной и щелевой коррозии аустенитной нержавеющей стали незначительно.

Помимо коррозионной стойкости, никель также способен повысить устойчивость аустенитной нержавеющей стали к высокотемпературному окислению. В основном это связано со способностью никеля улучшать состав, структуру и свойства пленки оксида хрома. Однако стоит отметить, что присутствие никеля может снизить стойкость стали к высокотемпературной вулканизации.

4. Марганцовка

Марганец - относительно слабый аустенитообразующий элемент, но он играет важнейшую роль в стабилизации аустенитной структуры.

В аустенитной нержавеющей стали марганец частично заменяет никель, и 2% Mn эквивалентен 1% Ni.

Марганец также может повысить коррозионную стойкость хромистой нержавеющей стали в органических кислотах, таких как уксусная, муравьиная и гликолевая, и он более эффективен, чем никель.

Однако, когда содержание хрома в стали превышает 14%, добавление одного лишь марганца не может привести к образованию единой аустенитной структуры.

Поскольку аустенитная нержавеющая сталь обладает лучшей коррозионной стойкостью при содержании хрома выше 17%, в промышленности в основном используется Fe-Cr-Mn-Ni-N сталь, такая как 12Cr18Mn9Ni5N, в качестве замены никельсодержащих сплавов. Количество используемой аустенитной нержавеющей стали Fe-Cr-Mn-N без никеля относительно меньше.

5. Азот

На ранних этапах азот в основном использовался в аустенитных нержавеющих сталях Cr-Mn-N и Cr-Mn-Ni-N для экономии Ni. Однако в последние годы азот стал важным легирующим элементом для аустенитной нержавеющей стали Cr-Ni.

Добавление азота в аустенитную нержавеющую сталь может стабилизировать аустенитную структуру, улучшить прочность и повысить коррозионную стойкость, особенно при локальной коррозии, такой как межкристаллитная коррозияточечная коррозия и щелевая коррозия.

В обычной низкоуглеродистой и ультранизкоуглеродистой аустенитной нержавеющей стали может быть улучшена стойкость к межкристаллитной коррозии. Азот влияет на процесс осаждения карбида хрома во время сенсибилизационной обработки, увеличивая концентрацию хрома на границе зерен.

В высокочистой аустенитной нержавеющей стали, где не происходит осаждения карбида хрома, азот повышает стабильность пассивной пленки и снижает среднюю скорость коррозии. Хотя нитрид хрома выпадает в осадок в стали с высоким содержанием азота, скорость выпадения нитрида хрома медленная. Таким образом, сенсибилизирующая обработка не вызывает межкристаллитного дефицита хрома, оказывая незначительное влияние на межкристаллитную коррозию.

Азот также может препятствовать сегрегации фосфора на границе зерен и повышать устойчивость стали к межкристаллитной коррозии.

В настоящее время азотсодержащая аустенитная нержавеющая сталь в основном обладает высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Ее можно разделить на три типа: азотосодержащая, среднеазотосодержащая и высокоазотосодержащая.

Тип контроля азота предполагает добавление 0,05%~0,10%N в аустенитную нержавеющую сталь с ультранизким содержанием углерода (C ≤ 0,02%~0,03%) Cr Ni для повышения прочности, оптимизации сопротивления межкристаллитной коррозии и повышения коррозионной стойкости стали под напряжением.

Средний тип азота содержит 0,10%~0,50%N и выплавляется и разливается при нормальном атмосферном давлении. С другой стороны, содержание азота в высокоазотистом типе составляет более 0,40%.

Обычно его выплавляют и разливают в условиях повышенного давления. Это тип стали в основном используется в состоянии твердого раствора или полухолодного рабочего состояния, так как обладает высокой прочностью и коррозионной стойкостью.

В настоящее время высокоазотистая аустенитная сталь с содержанием азота от 0,8% до 1,0% успешно применяется на практике и запущена в промышленное производство.

6. Титанниобий, молибден и редкоземельные элементы

Титан и ниобий - элементы, способные образовывать карбиды, которые вступают в реакцию с углеродом в большей степени, чем с хромом, предотвращая тем самым межкристаллитную коррозию и повышая коррозионную стойкость стали.

При добавлении титана и ниобия в сталь важно соблюдать определенную пропорцию с содержанием углерода.

Молибден, с другой стороны, может повысить пассивирующую способность нержавеющей стали и расширить диапазон пассивирующих сред. Это означает, что он может выдерживать горячую серную кислоту, разбавленную соляную кислоту, фосфорную кислоту и органические кислоты. Пассивирующая пленка, созданная с помощью молибдена, очень стабильна в различных средах и менее склонна к растворению.

Нержавеющая сталь, содержащая молибден, устойчива к точечной коррозии, так как может защитить пассивную пленку от повреждения Cl-.

При добавлении в нержавеющую сталь редкоземельных элементов, таких как Ce, La и Y, они могут слегка растворяться в матрице. Этот процесс помогает очистить границу зерен, модифицировать включения, гомогенизировать структуру, уменьшить выпадение осадков и сегрегацию на границе зерен. Это приводит к улучшению коррозионной стойкости и механических свойств стали.

2. Влияние легирующих элементов на микроструктуру нержавеющей стали

Влияние легирующих элементов на матричную структуру нержавеющей стали можно разделить на две категории:

  1. Ферритообразующие элементы, такие как хром, платина, кремний, титан, ниобий и др.
  2. Аустенитообразующие элементы, такие как углерод, азот, никель, марганец, медь и др.

Когда эти элементы с различными функциями добавляются в сталь одновременно, микроструктура нержавеющей стали зависит от их комплексного воздействия.

Для упрощения обработки влияние ферритообразующих элементов преобразуется в влияние хрома, известное как хромовый эквивалент [Cr], а влияние аустенитообразующих элементов преобразуется в никелевый эквивалент [Ni].

На основе хромового эквивалента [Cr] и никелевого эквивалента [Ni] строится диаграмма, отражающая фактический состав стали и полученное структурное состояние, как показано на следующем рисунке.

Рис. Схема конструкции из нержавеющей стали

На рисунке показано, что сталь 12Cr18Ni9 относится к семейству аустенитных нержавеющих сталей и находится в зоне фазы a.

С другой стороны, нержавеющая сталь Cr28 классифицируется как ферритная нержавеющая сталь и может находиться в зоне ферритной фазы.

Тем временем, 30Cr13 Нержавеющая сталь относится к категории мартенситных нержавеющих сталей и находится в зоне мартенситной фазы.

Для получения однофазной аустенитной структуры необходимо определенное соотношение элементов сплава. В противном случае в стали появится некоторое количество ферритной структуры, что приведет к образованию многофазной структуры.

Влияние состава и микроструктуры сплава на механические свойства нержавеющей стали

1. Механизм упрочнения нержавеющей стали

Упрочнение нержавеющей стали происходит по различным механизмам, включая упрочнение твердым раствором, упрочнение фазовыми превращениями, упрочнение второй фазой, упрочнение зернами, упрочнение осадками и упрочнение субструктурой.

На рисунке ниже показан вклад этих механизмов в предел текучести в аустенитной нержавеющей стали 8%~10%Ni.

Как показано на рисунке, хром, кремний и углерод обеспечивают упрочнение матрицы в твердом растворе, что приводит к увеличению предела текучести аустенитной матрицы в несколько раз.

Другим механизмом упрочнения является существование α-феррита в качестве второй фазы, наряду с уточнением размера зерна и выпадением осадков, что значительно повышает прочность аустенита.

Рисунок показывает, что в аустенитной нержавеющей стали упрочнение твердым раствором является важнейшим механизмом, а измельчение зерна вносит наибольший вклад в общую прочность.

Рис. Факторы, влияющие на прочность аустенитной нержавеющей стали

2. Прочность и пластичность различных нержавеющих сталей

Свойства различных нержавеющих сталей зависят от их состава и структуры.

Сравнение прочности и пластичности различных нержавеющих сталей приведено на рисунке ниже.

Рис. Сравнение прочности и пластичности различных нержавеющих сталей и чистого железа

Среди всех нержавеющих сталей аустенитная нержавеющая сталь обладает наилучшей пластичностью, а нержавеющая сталь, подвергнутая закалке осаждением, - наибольшей прочностью.

Мартенситная нержавеющая сталь обладает хорошими общими механическими свойствами, характеризуется высокой прочностью и некоторой степенью пластичности.

Дуплексная нержавеющая сталь, представляющая собой сочетание ферритной и аустенитной нержавеющих сталей, отличается повышенной прочностью и пластичностью.

Ферритная и аустенитная нержавеющая сталь имеют схожие прочностные характеристики, но пластичность последней намного выше, чем у других видов нержавеющей стали. (Для сравнения на рисунке также приведена кривая чистого железа).

Влияние агрессивной среды на коррозионную стойкость нержавеющей стали

Коррозионная стойкость металла определяется не только его материалом, но и типом, концентрацией, температурой, давлением и другими условиями агрессивной среды.

В практическом применении наибольшее влияние на коррозию металла оказывает окислительная способность коррозионной среды. Поэтому при выборе марок нержавеющей стали для конкретных условий эксплуатации важно учитывать характеристики коррозионной среды.

В слабоагрессивных средах, таких как атмосфера, вода и пар, коррозионная стойкость нержавеющей стали может быть обеспечена при условии, что содержание Cr в твердом растворе в матрице нержавеющей стали превышает 13%. Это делает ее пригодной для использования в таких компонентах, как клапаны водяных компрессоров, лопатки турбин парогенераторов и паропроводы.

Однако в окислительных средах, таких как азотная кислота, ионы NO3- обладают сильной окислительной способностью. Это приводит к образованию оксидной пленки на поверхности нержавеющей стали с коротким временем пассивации, тем самым снижая ее коррозионную стойкость.

H+ в кислоте действует как катодный деполяризатор. С увеличением концентрации H+ деполяризация катода усиливается, и содержание хрома, необходимое для пассивации, также увеличивается. Поэтому только оксидная пленка с высоким содержанием хрома демонстрирует хорошую стабильность в азотной кислоте.

В кипящую азотную кислоту, 12Cr13 нержавеющая сталь не является коррозионностойкой. Однако стали Cr17 и Cr30 с содержанием хрома 17% - 30% устойчивы к коррозии в азотной кислоте с концентрацией 0% - 65%.

В неокисляющих средах, таких как разбавленная серная кислота, соляная кислота и органическая кислота, содержание кислорода в таких коррозионных средах низкое, и время пассивации должно быть увеличено. Когда содержание кислорода в среде низкое до определенной степени, нержавеющая сталь не может быть пассивирована. Например, в разбавленной серной кислоте SO42- в среде не является окислителем, и содержание кислорода, растворенного в среде, относительно низкое, что делает ее неспособной пассивировать сталь. Следовательно, скорость коррозии хромистой нержавеющей стали даже выше, чем углеродистой.

Таким образом, нержавеющая сталь Cr или нержавеющая сталь Cr Ni с трудом достигает состояния пассивации и не является коррозионностойкой при работе в такой среде. Чтобы улучшить пассивирующую способность стали, необходимо добавлять такие элементы, как молибден, медь и другие.

Соляная кислота - это неокислительная кислота, которая, как известно, вызывает коррозию нержавеющей стали. Для предотвращения коррозии необходим сплав Ni-Mo, образующий на поверхности сплава устойчивую защитную пленку.

В сильных органических кислотах пассивация хрома и хромоникелевой нержавеющей стали затруднена из-за низкого содержания кислорода в среде и присутствия H+. Добавление в сталь Mo, Cu, Mn и других элементов может улучшить ее пассивирующую способность. Поэтому нержавеющая сталь Cr-Mn считается лучшим вариантом.

Чтобы сделать сталь коррозионностойкой и легко пассивируемой, в нее добавляют определенное количество Mo и Cu.

В средах, содержащих Cl-, оксидная пленка на поверхности нержавеющей стали легко разрушается, что приводит к точечной коррозии стали. В результате морская вода является высококоррозионной для нержавеющей стали.

Важно отметить, что ни одна нержавеющая сталь не может противостоять коррозии во всех типах сред. Поэтому выбор нержавеющей стали должен основываться на конкретных условиях коррозии и характеристиках различных типов нержавеющей стали.

Насколько публикация полезна?

Нажмите на звезду, чтобы оценить!

Средняя оценка 0 / 5. Количество оценок: 0

Оценок пока нет. Поставьте оценку первым.

Так как вы нашли эту публикацию полезной...

Подписывайтесь на нас в соцсетях!

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Прокрутить вверх