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鎳在不銹鋼中的作用

信息來源：求和不銹鋼時(shí)間：2018-11-28 09:55:19 瀏覽次數(shù):-

在不銹鋼的應(yīng)用中對(duì)不銹鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接和切割是不可避免的。在不銹鋼中增加鎳的一個(gè)主要原因就是形成奧氏體晶體結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)稱為鐵氧體，呈體心立方(BCC)結(jié)構(gòu)，加入鎳，促使晶體結(jié)構(gòu)從體心立方(BCC) 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎?FCC)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)被稱為奧氏體。然而，鎳并不是唯一具有此種性質(zhì)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(duì)重要性對(duì)于預(yù)測不銹鋼的晶體結(jié)構(gòu)具有重要意義。目前，人們已經(jīng)研究出很多公式來表述奧氏體形成元素的相對(duì)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%
    中華不銹鋼網(wǎng)小編獲悉:從這個(gè)等式可以看出：碳是一種較強(qiáng)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?yàn)樵诤附雍笏鼤?huì)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(shù)量有限的氮。添加錳和銅會(huì)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(duì)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(qiáng)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(jié)構(gòu)，鎳的含量越低，所需要加入的錳和氮數(shù)量就越高。例如在201型不銹鋼中，只含有4.5%的鎳，同時(shí)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(dāng)于7.5%的鎳，所以同樣可以形成100%奧氏體結(jié)構(gòu)。這也是200系列不銹鋼的形成原理。在有些不符合標(biāo)準(zhǔn)的200系列不銹鋼中，由于不能加入足夠數(shù)量的錳和氮，為了形成100%的奧氏體結(jié)構(gòu)，人為的減少了鉻的加入量，這必然導(dǎo)致了不銹鋼抗腐蝕能力的下降。鋼管,北京鋼管,石家莊鋼管
    在不銹鋼中，有兩種相反的力量同時(shí)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(jié)構(gòu)取決于兩類添加元素的相對(duì)數(shù)量。鉻是一種鐵素體形成元素，所以鉻在不銹鋼晶體結(jié)構(gòu)的形成上和奧氏體形成元素之間是一種競爭關(guān)系。因?yàn)殍F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(huì)逐漸增加，直至所有的鐵素體結(jié)構(gòu)都被轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體結(jié)構(gòu)，這樣就形成了300系列不銹鋼。如果僅添加一半數(shù)量的鎳，就會(huì)形成50%的鐵素體和50%的奧氏體，這種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和鐵元素，因此具有正常的磁特性。400系列不銹鋼具有很強(qiáng)的抗高溫氧化能力，而且與碳鋼相比，其物理特性和機(jī)械特性都有進(jìn)一步的改善。大多數(shù)400系列不銹鋼都可以進(jìn)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(jié)構(gòu)，因此它在許多環(huán)境中具有很強(qiáng)的抗腐蝕性能，具有很好的抗金屬超應(yīng)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。由于不銹鋼本身所具有的特性，與普碳鋼相比不銹鋼的焊接及切割有著其特殊性，更易在其焊接接頭及熱影響區(qū)(HAZ)產(chǎn)生各種缺陷。焊接時(shí)要特別注意不銹鋼的物理性質(zhì)。例如奧氏體型不銹鋼的熱膨脹系數(shù)是低碳鋼和高鉻系不銹鋼的1.5倍；導(dǎo)熱系數(shù)約是低碳鋼的1/3，而高鉻系不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)約是低碳鋼的1/2；比電阻是低碳鋼的4倍以上，而高鉻系不銹鋼是低碳鋼的3倍。這些條件加上金屬的密度、表面張力、磁性等條件都對(duì)焊接條件產(chǎn)生影響。
中華不銹鋼網(wǎng)小編獲悉:馬氏體型不銹鋼一般以13%Cr鋼為代表。它進(jìn)行焊接時(shí)，由于熱影響區(qū)中被加熱到相變點(diǎn)以上的區(qū)域發(fā)生γ—α(M)相變，因此存在低溫脆性、低溫韌性惡化、伴隨硬化產(chǎn)生的延展性下降等問題。因而對(duì)于一般馬氏體型不銹鋼焊接時(shí)需進(jìn)行預(yù)熱，但碳、氮含量低的和使用丁系焊接材料時(shí)可不需預(yù)熱。焊接熱影響區(qū)的組織通常又硬又脆。對(duì)于這個(gè)問題，可通過進(jìn)行焊后熱處理使其韌性和延展性得到恢復(fù)。另外碳、氮含量最低的牌號(hào)，在焊接狀態(tài)下也有一定的韌性。
鐵素體型不銹鋼以18%Cr鋼為代表。在含碳量低的情況下有良好的焊接性能，焊接裂紋內(nèi)敏感性也較低。但由于被加熱至900℃以上的焊接熱影響區(qū)晶粒顯著變粗，使得在室溫下缺少延伸性和韌性，易發(fā)生低溫裂紋。也就是說，一般來講鐵素體型不銹鋼有475℃脆化、700—800℃長時(shí)間加熱下發(fā)生“相脆性、夾雜物和晶粒粗化引起的脆化、低溫脆化、碳化物析出引起耐蝕性下降以及高合金鋼中易發(fā)生的延遲裂紋等問題。通常應(yīng)在焊接時(shí)進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理，并在具有良好韌性的溫度范圍進(jìn)行焊接。
奧氏體型不銹鋼以18%Cr—8%Ni鋼為代表。原則上不須進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理。一般具有良好的焊接性能。但其中鎳、鉬含量高的高合金不銹鋼進(jìn)行焊接時(shí)易產(chǎn)生高溫裂紋。另外還易發(fā)生σ相脆化，在鐵素體生成元素的作用下生成的鐵素體引起低溫脆化，以及耐蝕性下降和應(yīng)力腐蝕裂紋等缺陷。經(jīng)焊接后，焊接接頭的力學(xué)性能一般良好，但當(dāng)在熱影響區(qū)中的晶界上有鉻的碳化物時(shí)會(huì)極易生成貧鉻層，而貧鉻層的出現(xiàn)將在使用過程中易產(chǎn)生晶間腐蝕。為避免問題的發(fā)生，應(yīng)采用低碳(C≤0.03%)的牌號(hào)或添加鈦、鈮的牌號(hào)。為防止焊接金屬的高溫裂紋，通常認(rèn)為控制奧氏體中的δ鐵素體肯定是有效的。一般提倡在室溫下含5%以上的δ鐵素體。對(duì)于以耐蝕性為主要用途的鋼，應(yīng)選用低碳和穩(wěn)定的鋼種，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮负鬅崽幚?；而以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為主要用途的鋼，不應(yīng)進(jìn)行焊接后熱處理，以防止變形和由于析出碳化物和發(fā)生σ相脆化。

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