鎳鉻鋼

鎳鉻鋼俗稱不鏽鋼。實際套用中，常將耐弱腐蝕介質腐蝕的鋼稱為不鏽鋼，而將耐化學介質腐蝕的鋼稱為耐酸鋼。由於兩者在化學成分上的差異，前者不一定耐化學介質腐蝕，而後者則一般均具有不銹性。不鏽鋼的耐蝕性取決於鋼中所含的合金元素。鉻是使不鏽鋼獲得耐蝕性的基本元素。

基本介紹

• 中文名：鎳鉻鋼
• 別名：不鏽鋼
• 時間：19世紀初
• 用途：社會各個領域

歷史起源

不鏽鋼的發明和使用，要追溯到第一次世界大戰時期。英國科學家亨利·布雷爾利受英國政府軍部兵工廠委託，研究武器的改進工作。那時，士兵用的步槍槍膛極易磨損，布雷爾利想發明一種不易磨損的合金鋼。布雷爾利發明的不鏽鋼於1916年取得英國專利權並開始大量生產，至此，從垃圾堆中偶然發現的不鏽鋼便風靡全球，亨利·布雷爾利也被譽為“不鏽鋼之父”。第一次世界大戰時，英國在戰場上的槍枝，總是因槍膛磨損不能使用而運回後方。軍工生產部門命令布雷爾利研製高強度耐磨合金鋼，專門研究解決槍膛的磨損問題。布雷爾利和其助手蒐集了國內外生產的各種型號的鋼材，各種不同性質的合金鋼，在各種不同性質的機械上進行性能實驗，然後選擇出較為適用的鋼材製成槍枝。一天，他們實驗了一種含大量鉻的國產合金鋼，經耐磨實驗後，查明這種合金並不耐磨，說明這不能製造槍枝，於是，他們記錄下實驗結果，往牆角一扔了事。幾個月後的一天，一位助手拿著一塊鋥光瓦亮的鋼材興沖沖跑來對布雷爾利說：“先生，這是我在清理倉庫時發現的毛拉先生送來的合金鋼，您是否實驗一下，看它到底有什麼特殊作用！”“好！”布雷爾利看著光亮耀眼的鋼材，高興地說。實驗結果證明：它是一塊不怕酸、鹼、鹽的不鏽鋼。這種不鏽鋼是德國的毛拉在1912年發明的，然而，毛拉卻並不知道這種不鏽鋼有什麼用途。布雷爾利心裡盤算道：“這種不耐磨卻耐腐蝕的鋼材，不能制槍枝，是否可以做餐具呢？”他說乾就乾，動手製作了不鏽鋼的水果刀、叉、勺、果盤及摺疊刀等。

作用

19世紀初發明不鏽鋼以來，不鏽鋼就把現代材料的形象和建築套用中的卓越聲譽集於一身，使其競爭對手羨慕不已。不鏽鋼不會產生腐蝕、點蝕、鏽蝕或磨損。不鏽鋼還是建築用金屬材料中強度最高的材料之一。由於不鏽鋼具有良好的耐腐蝕性，所以它能使結構部件永久地保持工程設計的完整性。含鉻不鏽鋼還集機械強度和高延伸性於一身，易於部件的加工製造，可滿足建築師和結構設計人員的需要。

耐腐蝕性

所有金屬都和大氣中的氧氣進行反應，在表面形成氧化膜。不幸的是，在普通碳鋼上形成的氧化鐵繼續進行氧化，使鏽蝕不斷擴大，最終形成孔洞。可以利用油漆或耐氧化的金屬（例如，鋅，鎳和鉻）進行電鍍來保證碳鋼表面，但是，正如人們所知道的那樣，這種保護僅是一種薄膜。如果保護層被破壞，下面的鋼便開始鏽蝕。不鏽鋼的耐腐蝕性取決於鉻，但是因為鉻是鋼的組成部分之一，所以保護方法不盡相同。在鉻的添加量達到10.5%時，鋼的耐大氣腐蝕性能顯著增加，但鉻含量更高時，儘管仍可提高耐腐蝕性，但不明顯。原因是用鉻對鋼進行合金化處理時，把表面氧化物的類型改變成了類似於純鉻金屬上形成的表面氧化物。這種緊密粘附的富鉻氧化物保護表面，防止進一步地氧化。這種氧化層極薄，透過它可以看到鋼表面的自然光澤，使不鏽鋼具有獨特的表面。而且，如果損壞了表層，所暴露出的鋼表面會和大氣反應進行自我修理，重新形成這種"鈍化膜"，繼續起保護作用。因此，所有的不鏽鋼都具有一種共同的特性，即鉻含量均在10.5%以上。

維修及清理

和其它曝露於大氣中的材料一樣，不鏽鋼也會髒。在雨水沖刷，人工沖洗和已髒表面之間還存在著一種相互關係。通過把相同的板條直接放在大氣中和放在有棚的地方確定了雨水沖刷的效果。人工沖洗的效果是通過人工用海綿沾上肥皂水每隔六個月擦洗每塊板條的右邊來確定的。結果發現，與放在有棚的地方和不被沖洗的地方的板條相比，通過雨水沖刷和人工擦洗去除表面的灰塵和淤積對表面情況有良好的作用。而且還發現，表面加工的狀況也有影響，表面平滑的板條比表面粗糙的板條效果要好。因此洗刷的間隔時間受多種因素影響，主要的影響因素是所要求的審美標準。雖然許多不鏽鋼幕牆僅僅是在擦玻璃時才進行沖洗，但是，一般來講，用於外部的不鏽鋼每年洗刷兩次。

用途

大多數的使用要求是長期保持建築物的原有外貌。在確定要不鏽鋼產品選用的不鏽鋼類型時，主要考慮的是所要求的審美標準、所在地大氣的腐蝕性以及要採用的清理制度。然而，其它套用越來越多的只是尋求結構的完整性或不透水性。例如，工業建築的屋頂和側牆。在這些套用中，物主的建造成本可能比審美更為重要，表面不很乾淨也可以。在乾燥的室內環境中使用304不鏽鋼效果相當好。但是，在鄉村和城市要想在戶外保持其外觀，就需經常進行清洗。在污染嚴重的工業區和沿海地區，表面會非常髒，甚至產生鏽蝕。但要獲得戶外環境中的審美效果，就需採用含鎳不鏽鋼。所以，304不鏽鋼廣泛用於幕牆、側牆、屋頂及其它建築用途，但在侵蝕性嚴重的工或海洋大氣中，最好採用316不鏽鋼。有幾種設計準則中包括了304和316不鏽鋼。因為"雙相"不鏽鋼2205已把良好的耐大氣腐蝕性能和高抗拉強度及彈限強度融為一體，所以，歐洲準則中也包括了這種鋼。產品形狀，實際上，不鏽鋼是以全標準的金屬形狀和尺寸生產製造的，而且還有許多特殊形狀。最常用的產品是用薄板和帶鋼製成的，也用中厚板生產特殊產品，例如，生產熱軋結構型鋼和擠壓結構型鋼。而且還有圓型、橢圓型、方型、矩型和六角型焊管或無縫鋼管及其它形式的產品，包括型材、棒材、線材和鑄件。為了滿足建築師們美學的要求，已開發出了多種不同的商用表面加工。3d列印領域不鏽鋼本身具有耐腐蝕性能好，在高溫下不鏽鋼仍能保持其優良的物理機械性能等特點，在3d列印領域也被廣泛使用。

影響因素

不論不鏽鋼板還是耐熱鋼板，奧氏體型的鋼板的綜合性能最好，既有足夠的強度，又有極好的塑性同時硬度也不高，這也是它們被廣泛採用的原因之一。奧氏體型不鏽鋼同絕大多數的其它金屬材料相似，其抗拉強度、屈服強度和硬度，隨著溫度的降低而提高；塑性則隨著溫度降低而減小。其抗拉強度在溫度15~80°C範圍內增長是較為均勻的。更重要的是：隨著溫度的降低，其衝擊韌度減少緩慢，並不存在脆性轉變溫度。所以不鏽鋼在低溫時能保持足夠的塑性和韌性。不鏽鋼的耐熱性能是指高溫下，既有抗氧化或耐氣體介質腐蝕的性能即熱穩定性。

鉻的影響

鉻是奧氏體不鏽鋼中最主要的合金元素，奧氏體不鏽鋼的不銹性和耐蝕性的獲得主要是由於在會質作用下，鉻促進了鋼的鈍化並使鋼保持穩定鈍態的結果。○1鉻對組織的影響：在奧氏體不鏽鋼中，鉻是強烈形成並穩定鐵體的元素，縮小奧氏體區，隨著鋼中含量增加，奧氏體不鏽鋼中可出現鐵素體（δ）組織，研究表明，在鉻鎳奧氏體不鏽鋼中，當碳含量為0.1%，鉻含量為18%時，為獲得穩定的單一奧氏體組織，所需鎳含量最低，約為8%，就這一點而言，常用的18Cr—8Ni型鉻鎳奧氏體不鏽鋼是含鉻，鎳量配比最為適宜的一種。有奧氏體不鏽鋼中，隨著鉻含量的增加，一些金屬間相（比如δ相）的形成傾向增大，當鋼中含有鉬時，鉻含含量會增加還會χ相等的形成，如前所述，σ，χ相的析出不僅顯著降低鋼的塑性和韌性，而且在一些條件下還降低鋼的耐蝕性，奧氏體不鏽鋼中鉻含量的提高可使馬氏體轉烴溫度（Ms）下降，從而提高奧氏體基體的穩定性。因此高鉻（比如超過20%）奧氏體不鏽鋼即使經過冷加工和低溫處理也很難獲得馬氏體組織。

鉻是強碳化物形成元素，在奧氏體不鏽鋼中也不例外，奧氏體不鏽鋼中常見的鉻碳化物有Cr23C6；當鋼中含有鉬或鉻時，還可見到期Cr6C等碳化物，它們的形成在某些條件下對鋼的性能會產生重要影響。○2鉻對性能的影響：一般來說，只要奧氏體不鏽鋼保持完全奧氏體組織而沒有δ鐵素體等的形成，僅提高鋼中鉻含量不會對力學性能有顯著影響，鉻對奧氏體不鏽鋼性能影響最大的是耐蝕性，主要表現為：鉻提高鋼的耐氧化性介質和酸性氯化物介質的性能；在鎳以及鉬和銅複合作用下，鉻提高鋼耐一些還原性介質，有機酸，尿素和鹼介質的性能；鉻還提高鋼耐局部腐蝕，比如晶間腐蝕。點腐蝕，縫隙腐蝕以及某此條件下應力腐蝕的性能。對奧氏體不鏽鋼晶間腐蝕敏感性影響最大的因素是鋼中碳含量，其他元素對晶間腐蝕的作用主要視其對碳化物的溶解和沉澱行為的影響而定，在奧氏體不鏽鋼中，鉻能增大碳的溶解度而降低鉻的貧化度，因而提高鉻含量對奧氏體不鏽鋼的耐晶間腐蝕是有益，鉻非常有效地改善奧氏體不鏽鋼的耐點腐蝕及縫隙腐蝕性能，當鋼中同時有鉬或鉬及氮存在時，鉻的這種有效性大加強，雖然根據研究鉬的耐點腐蝕及縫隙腐蝕的能力為鉻的3倍左右，氮為鉻的30倍，但是大量研究，奧氏體不鏽鋼中如果沒有鉻或者鉻含量較低，鉬及氮的耐點腐蝕與縫隙腐蝕作用便會喪失或不夠顯著。鉻對奧氏體不鏽鋼的耐應力腐蝕性能的作用，隨實驗介質條件及實際使用環境而異，在MgCl2沸騰溶液中，鉻的作用一般是有害的，但是在含Cl-和氧的水介質，高溫高壓水以及點腐蝕為起源的應力腐蝕條件下，提高鋼中鉻含量則對耐應力腐蝕有利，同時，鉻還可防止奧氏體不鏽鋼及合金中由於鎳含量提高而容易出現的晶間型應力腐蝕的傾向，對開裂性（NaOH）應力腐蝕，鉻的作用也是有益的，鉻除對奧氏體不鏽鋼耐蝕性有重要影響外，還能顯著提高該類鋼的抗氧化，抗硫化和抗融鹽腐蝕等性能。

鎳的影響

1 鎳對組織的影響

鎳是強烈穩定奧氏體且擴大奧氏體相區的元素，為了獲得單一的奧氏體組織，當鋼中含有0.1%碳和18%鉻時所需的最低鎳含量約為8%，這便是最著名18-8鉻鎳奧氏體不鏽鋼的基本分，奧氏體不鏽鋼中，隨著鎳含量的增加，殘餘的鐵素體可完全消除，並顯著降低σ相形成的傾向；同時馬氏體轉烴溫度降低，甚至可不出現λ→M相變，但是鎳含量的增加會降低碳在奧氏體不鏽鋼中的溶解度，從而使碳化物析出傾向增強。

2 鎳對性能的影響

鎳對奧氏體不鏽鋼特別是對鉻鎳奧氏體不鏽鋼力學性能的影響，主要是由鎳對奧氏體穩定性的影響來決定，在鋼中可能發生馬氏體轉變的鎳含量範圍內，隨著鎳含量的增加，鋼的強度降低而塑性提高，具有穩定奧氏體組織的鉻鎳奧氏體不鏽鋼韌性（包括極低溫韌性）非常優良，因而可作為低溫鋼使用，這是眾所周知的，對於具有穩定奧氏體組織的鉻錳奧氏體不鏽鋼，鎳的加入可進一步改善其韌性。鎳還可顯著降低奧氏體不鏽鋼的冷加工硬化傾向，這主要是由於奧氏體穩定性增大，減少以至消除了冷加工過程中的馬氏體轉變，同時對奧氏體本身的冷加工硬化作用不太明顯，不鏽鋼冷加工硬化傾向的影響，鎳降低奧氏體不鏽鋼冷加工硬化速率，與降低鋼的室溫及低溫強度，提高塑性的作用，決定了鎳含量的提高有利於奧氏體不銹的冷加工成形性能，提高鎳含量還可減少以至消除18-8和17-14-2型鉻鎳奧氏體不鏽鋼中的δ鐵素體，從而提高其熱加工性能，但是，δ鐵素體的減少對這些鋼種的可焊接性不利會增大焊接熱裂紋絲傾向，此外，鎳還可顯著提高鉻錳氮（鉻錳鎳氮）奧氏體不鏽鋼的熱加工性能，從而顯著提高鋼的成材率，在奧氏體不鏽鋼中，鎳的加入以及隨著鎳含量的提高，導致鋼的熱力學穩定性增加，因此奧氏體不鏽鋼具有更好的不銹性和耐氧化性介質的性能，且隨著鎳含量增加，耐還原性介質的性能進一步得到改善.值得指出，鎳還是提高奧氏體不銹耐許多介質穿晶型應力腐蝕的唯一重要元素，在各種酸介質中鎳對奧氏體不鏽鋼耐蝕性能的影響，需要指出，在高溫高壓水中的一些條件下，鎳含量的提高導致鋼和合金的晶間型應力腐蝕敏感性增加，但是這種不利作用會由於鋼及合金中鉻含量的提高而獲得減輕或受到抑制.隨磁卡奧氏體不鏽鋼中鎳含量的提高，其產生晶間腐蝕的臨界碳含量降低，即鋼的晶間腐蝕敏感性增加，至於對奧氏體不鏽鋼耐點腐蝕及縫隙腐蝕的性能，鎳的作用並不顯著，此外，鎳還提高奧氏體不鏽鋼的高溫抗氧化性能，這主要與鎳改善了鉻的氧化膜的成分，結構和性能降低，並且鎳含量越高越有害，這主要是由於鋼中晶界處低熔點硫化鎳所致，一般來說，簡單的鉻鎳（及鉻錳氮）奧氏體不鏽鋼僅用於要求不銹性和耐氧化性介質（比如硝酸等）的使用條件下，鉬作為奧氏體不鏽鋼中的重要合金元素加入到鋼中使其使用範圍進一步擴大，鉬的作用主要是提高鋼在還原性介質