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鎳在不銹鋼中的作用

2020-03-04 10:59:41      點擊:

鎳在不銹鋼中的主要作用在于它改變了鋼的晶體結構。在不銹鋼中增加鎳的一個主要原因就是形成奧氏體晶體結構,從而改善諸如可塑性、可焊接性和韌性等不銹鋼的屬性,所以鎳被稱為奧氏體形成元素。

普通碳鋼的晶體結構稱為鐵氧體,呈體心立方(BCC)結構,加入鎳,促使晶體結構從體心立方(BCC) 結構轉變為面心立方(FCC)結構,這種結構被稱為奧氏體。然而,鎳并不是唯一具有此種性質的元素。常見的奧氏體形成元素有:鎳、碳、氮、錳、銅。這些元素在形成奧氏體方面的相對重要性對于預測不銹鋼的晶體結構具有重要意義。

目前,人們已經研究出很多公式來表述奧氏體形成元素的相對重要性,最著名的是下面的公式: 奧氏體形成能力=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%  從這個等式可以看出:碳是一種較強的奧氏體形成元素,其形成奧氏體的能力是鎳的30倍,但是它不能被添加到耐腐蝕的不銹鋼中,因為在焊接后它會造成敏化腐蝕和隨后的晶間腐蝕問題。氮元素形成奧氏體的能力也是鎳的30倍,但是它是氣體,想要不造成多孔性的問題,只能在不銹鋼中添加數量有限的氮。添加錳和銅會造成煉鋼過程中耐火生命減少和焊接的問題。 

從鎳等式中可以看出,添加錳對于形成奧氏體并不非常有效,但是添加錳可以使更多的氮溶解到不銹鋼中,而氮正是一種非常強的奧氏體形成元素。

在200系列的不銹鋼中,正是用足夠的錳和氮來代替鎳形成100%的奧氏體結構,鎳的含量越低,所需要加入的錳和氮數量就越高。例如在201型不銹鋼中,只含有4.5%的鎳,同時含有0.25%的氮。由鎳等式可知這些氮在形成奧氏體的能力上相當于7.5%的鎳,所以同樣可以形成100%奧氏體結構。

這也是200系列不銹鋼的形成原理。在有些不符合標準的200系列不銹鋼中,由于不能加入足夠數量的錳和氮,為了形成100%的奧氏體結構,人為的減少了鉻的加入量,這必然導致了不銹鋼抗腐蝕能力的下降。 

在不銹鋼中,有兩種相反的力量同時作用:鐵素體形成元素不斷形成鐵素體,奧氏體形成元素不斷形成奧氏體。最終的晶體結構取決于兩類添加元素的相對數量。鉻是一種鐵素體形成元素,所以鉻在不銹鋼晶體結構的形成上和奧氏體形成元素之間是一種競爭關系。因為鐵和鉻都是鐵素體形成元素,所以400系列不銹鋼是完全鐵素體不銹鋼,具有磁性。

在把奧氏體形成元素-鎳加入到鐵-鉻不銹鋼的過程中,隨著鎳成分增加,形成的奧氏體也會逐漸增加,直至所有的鐵素體結構都被轉變為奧氏體結構,這樣就形成了300系列不銹鋼。如果僅添加一半數量的鎳,就會形成50%的鐵素體和50%的奧氏體,這種結構被稱為雙相不銹鋼。 

400系列不銹鋼是一種鐵、碳合鉻的合金。這種不銹鋼具有馬氏體結構和鐵元素,因此具有正常的磁特性。400系列不銹鋼具有很強的抗高溫氧化能力,而且與碳鋼相比,其物理特性和機械特性都有進一步的改善。大多數400系列不銹鋼都可以進行熱處理。 

300系列不銹鋼是一種含有鐵、碳、鎳和鉻的合金材料,一種無磁性不銹鋼材料,比400系列不銹鋼具有更好的可鍛特性。由于300系列不銹鋼的奧氏體結構,因此它在許多環境中具有很強的抗腐蝕性能,具有很好的抗金屬超應力引起的腐蝕所造成的斷裂的性能,而且其材料特性不受熱處理的影響。

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