不銹鋼基本組成元素有碳、鉻、鎳，有的還加入鉬、銅、氮等合金元素。碳和合金成分的含量、種類與不銹鋼的相組織構(gòu)成有著密切的關(guān)系。判定某一具體成分的不銹鋼會(huì)具有何種組織結(jié)構(gòu)，一種較簡(jiǎn)單的方法是借助于Schaeffler圖。

這個(gè)圖可以比較近似地表示出不銹鋼化學(xué)成分與具有的金相組織之間的關(guān)系。這個(gè)圖最初是為了估算不銹鋼焊縫金屬組織而制訂的，后來(lái)推廣到可變形的不銹鋼中。建立這個(gè)圖時(shí)，通常把存在于不銹鋼中的合金元素分為穩(wěn)定奧氏體的元素和穩(wěn)定鐵素體的元素，并把它們的相應(yīng)作用程度按重量百分?jǐn)?shù)表示出來(lái)，即折合成鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量的形式。這種當(dāng)量可以用公式計(jì)算出來(lái)。Schaeffler圖出現(xiàn)后，在實(shí)踐中不斷地被修改完善，圖1－1便是一個(gè)常見的、基本形式的Schaeffler圖。

使用這個(gè)圖時(shí)，所用的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量計(jì)算分別見公式1－1和公式1－2。

鉻當(dāng)量:Cr eq=Cr%+Mo%+1. 5×Si%+0. 5×Nb%　　1－1

鎳當(dāng)量:Ni e q=Ni%+ 3 0×C%+ 0. 5×Mn%　　　　　 1－2

圖1－1　Schaeffler圖

例如:某一爐號(hào)鋼的化學(xué)成分如表1－1所示，估算其相組成。

表1－1　化學(xué)成分(質(zhì)量%)

按公式1－1計(jì)算鉻當(dāng)量:

Creq= 23.00+ 1.10+ 1.5×0.60= 25.00

按公式1－2計(jì)算鎳當(dāng)量:

Nieq=5.50+30×0.07+ 0.5×0.80=8.00

按圖1－1可估算，當(dāng)Creq= 25.00(橫坐標(biāo))、Nieq= 8.00(縱坐標(biāo))時(shí)，該鋼具有70%左右的鐵素體，30%左右的奧氏體。屬鐵素體－奧氏體雙相不銹鋼。

不同研究者還考慮其他合金元素對(duì)組織的影響情況，對(duì)Schaeffler圖作出修訂，不同資料可能提供不同形式的相圖，所以，使用這類相圖時(shí)，應(yīng)注意使用條件和鉻當(dāng)量、鎳當(dāng)量的計(jì)算方法。

不銹鋼的主要組成元素

一、鉻

在不銹鋼的合金元素中，鉻是最重要的元素。

由于鉻形成的致密、穩(wěn)定的Cr₂O₃薄膜的保護(hù)，阻止了介質(zhì)對(duì)金屬基體的繼續(xù)滲入腐蝕，所以，鋼中如果含鉻量達(dá)5%，就顯示出一定的耐腐蝕作用。但不是所有含鉻的鋼都可以作不銹鋼使用，經(jīng)過(guò)多年的研究和實(shí)踐，人們發(fā)現(xiàn)，依據(jù)腐蝕的電化學(xué)理論，為了提高鋼的電極電位，把鉻加入到鐵基固溶體中時(shí)，只有鉻含量達(dá)到一定濃度，即當(dāng)鉻的原子比達(dá)到1/8、2/8、3/8、…n/8，鐵基固溶體的電極電位才會(huì)跳躍式地增高，腐蝕也因此而減弱，鋼的耐腐蝕性能才會(huì)明顯地提高，見圖1－2和圖1－3。

圖1－2　鐵－鉻合金在1N的FeSO₄溶液中與甘汞電極的比較電位以及在3N的HNO₃中的腐蝕率

圖1－3　鉻鋼在海水中的腐蝕速度與含鉻量的關(guān)系

鉻原子引起鋼的電極電位第一次突變?cè)龈呤倾t占1/8原子比，即12.5%原子比時(shí)，如果折算成質(zhì)量百分?jǐn)?shù)則為:

這個(gè)11.7%的鉻含量就是構(gòu)成不銹鋼中的含鉻量的最低界限，亦即鋼中鉻含量高于這個(gè)界限才可稱為不銹鋼。

當(dāng)然，隨著腐蝕介質(zhì)條件的不同，有時(shí)鋼中的鉻含量還要提高，如在氧化性較強(qiáng)的介質(zhì)中，鉻含量要高于16%的鋼才會(huì)有明顯的鈍化能力。工業(yè)中應(yīng)用的不銹鋼的鉻含量一般在12%～30%。可以說(shuō)，幾乎沒(méi)有一種不銹鋼不含鉻，所以說(shuō)，鉻是不銹鋼中最重要的、起決定性作用的合金元素。

二、鎳

鎳是優(yōu)良的耐腐蝕材料，但是，因價(jià)格昂貴以及其他一些因素的限制，在工業(yè)上很少應(yīng)用純鎳，常常是作為一個(gè)重要的合金元素加入鐵碳合金中來(lái)發(fā)揮作用。鎳是形成和穩(wěn)定奧氏體的元素，但是，在低碳的鎳鋼中要獲得純奧氏體組織，鎳含量要達(dá)到24%以上，而含鎳量達(dá)到27%才能使鋼在某些介質(zhì)中改善耐蝕性，見圖1－4。

圖1－4　鎳對(duì)0.2%～0.3%碳的鋼在10%硫酸中耐腐蝕性能的影響

可是，當(dāng)鎳與鉻共同存在于鋼中時(shí)，鎳的作用會(huì)發(fā)生很大的變化。比如，在含17%鉻的鐵素體不銹鋼中，加入2%左右的鎳以后，變成了馬氏體不銹鋼。鐵素體不銹鋼強(qiáng)度低，抗拉強(qiáng)度不足400N/mm²，不能通過(guò)熱處理方法

強(qiáng)化，而變成馬氏體不銹鋼后，在加熱和冷卻時(shí)會(huì)發(fā)生相變，就可以用熱處理方法來(lái)調(diào)整性能，如1Cr17Ni2鋼，經(jīng)980～1020℃加熱油淬后，再經(jīng)不同溫度的回火，其抗拉強(qiáng)度可在600～1100N/mm²之間調(diào)整，以滿足使用要求。再比如，當(dāng)把鎳含量繼續(xù)提高到8%左右時(shí)，一般情況下可獲得單相奧氏體組織，即被廣泛應(yīng)用的18－8奧氏體不銹鋼，其比相同含鉻量的鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼有更優(yōu)良的耐腐蝕性能，而且，加工性能、焊接性能、低溫下的塑性和沖擊韌性更好。

由此可見，鎳在不銹鋼中的應(yīng)用主要是配合鉻才能更好地發(fā)揮作用，才能改變不銹鋼的組織，從而使不銹鋼的力學(xué)性能、加工性能和在某些腐蝕介質(zhì)中的耐腐蝕性能得到很大的改善。

三、碳

碳是鋼的主要組成元素，碳在鋼中的含量及分布形式?jīng)Q定了鋼的組織和性能。碳在不銹鋼中對(duì)組織、力學(xué)性能、耐腐蝕性能有很大的影響，可以說(shuō)是起主導(dǎo)作用的。

碳是一種強(qiáng)烈擴(kuò)大奧氏體區(qū)域和穩(wěn)定奧氏體組織的元素，其作用程度大約是鎳的30倍，所以，碳含量對(duì)不銹鋼組織、性能的影響是明顯的。典型的例子，含鉻為17%的不銹鋼，當(dāng)含碳量不足0.12%時(shí)是鐵素體不銹鋼，無(wú)相變，不能用熱處理方法強(qiáng)化，退火使用的硬度不足200HB;而當(dāng)含碳量增加到0.7%以上時(shí)，則成為馬氏體不銹鋼，淬火、回火后硬度可大于50HRC。再比如，含鉻為13%的不銹鋼，隨著含碳量的增加，熱處理后的硬度有明顯的提高。見圖1－5。

圖1－5　含碳量對(duì)13%鉻鋼調(diào)質(zhì)后的硬度影響(980℃油淬，650℃回火)

從以上兩例可見，碳在不銹鋼中對(duì)改善組織和力學(xué)性能的作用是有益的。這種作用為不銹鋼在有高強(qiáng)度、高硬度要求的零件上的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

但是，也應(yīng)該看到，碳和鉻的親合力很大，極易與不銹鋼中的鉻結(jié)合形成碳－鉻化合物，碳越多，被結(jié)合的鉻也越多，這必然使固溶體中的鉻減少，從而使鋼的耐腐蝕能力受到影響，特別是這種鉻的碳化物沿晶粒界析出時(shí)，會(huì)引起該處產(chǎn)生貧鉻區(qū)，引起晶間腐蝕。從這方面看，碳對(duì)不銹鋼的耐腐蝕性能起到有害的作用。見圖1－6。所以，隨著冶金技術(shù)的進(jìn)步，根據(jù)對(duì)不銹鋼耐腐蝕性能的需求，出現(xiàn)了越來(lái)越多的低碳、超低碳的新的不銹鋼鋼種。

圖1－6　含碳量對(duì)18Cr－8Ni鋼晶間腐蝕深度影響(敏化處理1000h在H₂?SO₄－Cu-SO₄中試驗(yàn))

由上可見，碳在不銹鋼中發(fā)揮著有益和有害的兩個(gè)方面的作用，這一點(diǎn)應(yīng)是選擇和使用不銹鋼及制訂正確熱處理方法時(shí)予以注意的。

四、鉬

鉬是形成鐵素體的元素，如果要使鋼獲得奧氏體組織，應(yīng)考慮鋼中鉬的影響。因此，含鉬的奧氏體不銹鋼中都適當(dāng)?shù)靥岣吡随嚨暮浚云胶忏f的作用。在馬氏體不銹鋼中含有鉬時(shí)，熱處理應(yīng)適當(dāng)提高淬火溫度，以保證含鉬的碳化物充分溶解。

鉬加入不銹鋼中，可增強(qiáng)鋼的鈍化作用，從而提高鋼的耐腐蝕性能。如高鉻鐵素體不銹鋼加入2%～3%鉬，可提高在有機(jī)酸中的耐腐蝕性。鉬加入雙相不銹鋼后，使鋼在含氯離子介質(zhì)中的抗孔蝕能力顯著提高。見圖1－7。

圖1－7　鉬含量對(duì)孔蝕腐蝕速率的影響(試驗(yàn)溫度150℃)

介質(zhì): 50g/L FeCl₃+ 1/20M HCl

○: 25Cr—(7～10) Ni—N

×: 20Cr—(4～6) Ni—N

有人認(rèn)為，鉬在鋼中是富集在靠近鋼基體的鈍化膜中，提高了鈍化膜的穩(wěn)定性。但鉬的存在會(huì)促進(jìn)鋼中σ相等金屬間相的形成，有使鋼材脆性增加的可能。

五、銅

銅是形成奧氏體的元素，但作用效果不大，對(duì)組織無(wú)顯著影響。銅能提高奧氏體的穩(wěn)定性。不銹鋼中加入銅，主要是提高在硫酸中的抗腐蝕能力，特別是與鉬一起加入，效果更顯著，這可能與其在硫酸中有較高的穩(wěn)定性有關(guān)。銅在沉淀硬化不銹鋼中，因時(shí)效處理析出富銅的強(qiáng)化相而使鋼強(qiáng)化。

六、鈦和鈮

鈦和鈮都是強(qiáng)烈形成碳化物的元素，都比鉻更容易形成碳化物，鈦和鈮存在于不銹鋼中，會(huì)使鋼中的碳盡可能地與鈦或鈮結(jié)合，這樣，就會(huì)使鋼中的鉻能盡量穩(wěn)定地存在于固溶體中，使固溶體中有足以保證耐腐蝕性能的鉻的含量，保證鉻不沿晶界析出，也就保證了在晶界處不存在貧鉻區(qū)，即可有效地防止不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕。

當(dāng)然，加入鈦或鈮的含量應(yīng)根據(jù)鋼中碳的含量來(lái)確定。一般來(lái)說(shuō)，不銹鋼中鈦或鈮的加入量與鋼中碳的含量的關(guān)系可大致按下面的公式計(jì)算:

T i=［(C－0. 0 2)×5］%～0. 8%　　　　　　　　1－3

N b= 1 0×C%　　　　　　　　　　　　　　　　1－4

為保證不產(chǎn)生晶間腐蝕，除保證鋼中有足夠量的鈦或鈮外，還應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚猿浞职l(fā)揮鈦或鈮的作用。

不銹鋼加入鈦或鈮后，應(yīng)注意的一個(gè)問(wèn)題是，它們都是形成鐵素體的元素，有可能使奧氏體鋼中產(chǎn)生少許鐵素體，如果熱處理或使用不當(dāng)，有形成σ相的可能，引起脆性，對(duì)加工性能產(chǎn)生不利的影響。

七、氮

氮是一種強(qiáng)烈擴(kuò)大奧氏體區(qū)和穩(wěn)定奧氏體組織的元素，其作用效果相當(dāng)于鎳的25～30倍。所以，有的奧氏體鋼，如1Cr17Mn6Ni4N，由于加入了氮，與錳共同作用取代了一部分鎳，達(dá)到了節(jié)約鎳的效果。

對(duì)于雙相不銹鋼來(lái)說(shuō)，有意識(shí)地加入氮是為了提高鋼的耐腐蝕性，特別是提高在含有氯離子介質(zhì)中的耐點(diǎn)(孔)腐蝕和耐縫隙腐蝕性能。盡管對(duì)氮提高不銹鋼耐腐蝕性能的機(jī)制有不同的解釋，但對(duì)氮在不銹鋼中所發(fā)揮的作用都是一致肯定和重視的。

過(guò)高的氮含量可能使不銹鋼鑄件產(chǎn)生氣孔等缺陷，所以，加入氮的量要合理控制，一般不超過(guò)0.2%。

八、錳

錳也是擴(kuò)大奧氏體區(qū)和穩(wěn)定奧氏體組織的元素，其作用效果相當(dāng)于鎳的1/2。錳在不銹鋼中的應(yīng)用主要是取代一部分鎳，特別是缺鎳的國(guó)家以錳代鎳生產(chǎn)奧氏體不銹鋼。

錳對(duì)不銹鋼耐腐蝕性作用不大，因?yàn)殄i對(duì)提高鐵基固溶體電極電位能力不大，形成氧化膜的防護(hù)作用也很低。

當(dāng)鋼中鉻含量大于15%時(shí)，若錳含量超過(guò)10%，則組織中會(huì)增加δ相含量，反而對(duì)鋼的耐腐蝕性能和力學(xué)性能產(chǎn)生不利作用，所以，還應(yīng)注意控制錳的加入量。

九、硅

硅也是鐵素體形成元素，能提高不銹鋼在氧化性介質(zhì)中的耐腐蝕性能、抗晶間腐蝕性能和抗點(diǎn)腐蝕性能。

硅的加入還可改善鋼的鑄造性能。

但硅含量太高又易促進(jìn)σ相形成，使鑄件脆化，降低鋼的力學(xué)性能。

十、鋁

鋁在不銹鋼中應(yīng)用較少，研究者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼中鋁達(dá)到一定含量時(shí)，可使鋼鈍化，提高在氧化性酸中的抗腐蝕性。

在一些沉淀硬化不銹鋼中加入鋁，是利用其在時(shí)效處理時(shí)能析出鎳－鋁金屬間化合物的特點(diǎn)，使鋼強(qiáng)化。

十一、硫和硒

在某些不銹鋼中有意識(shí)地提高硫(S)的含量或加入硒(Se)元素，主要是為提高不銹鋼，特別是奧氏體不銹鋼的切削性能。

硫和硒的加入會(huì)降低鋼的韌性，對(duì)耐腐蝕性也表現(xiàn)出不利作用。所以，一般很少使用。

十二、鎢

以前，在不銹鋼中很少應(yīng)用鎢(W)這個(gè)元素。隨著雙相不銹鋼的研究開發(fā)，發(fā)現(xiàn)鎢對(duì)雙相不銹鋼提高耐縫隙腐蝕的作用是明顯的。一般認(rèn)為，在不銹鋼中鎢的功能類似于鉬，可抑制金屬的再溶解，從而起到緩腐蝕作用，還有的研究認(rèn)為，一定含量的鎢可減少鋼的中溫脆化傾向，所以，在國(guó)內(nèi)外開發(fā)的雙相不銹鋼中，加入鎢元素已經(jīng)不少見了。

十三、其他元素

除了上述各元素外，有的為提高不銹鋼的某些性能還加入其他一些元素，如為提高不銹鋼的硬度加入鈷(Co)，為提高不銹鋼熱強(qiáng)性加入釩(V)，為改善工藝性能加入稀土元素(RE)等。

以上對(duì)每種合金元素在不銹鋼中的作用和影響進(jìn)行了說(shuō)明。需要指出的是，不銹鋼是多種元素共存的，這時(shí)它們的影響要比每個(gè)元素在不銹鋼中的單獨(dú)作用更復(fù)雜。所以，不僅要考慮每種元素的自身作用，還要考慮它們之間的相互作用和影響。

比如，在不銹鋼組織結(jié)構(gòu)方面，由于碳、鎳、錳、氮、銅是形成和穩(wěn)定奧氏體的元素，而鉻、鉬、鈦、鈮、釩、鎢、鋁是形成和穩(wěn)定鐵素體的元素，這兩類元素共存于不銹鋼時(shí)，不銹鋼的組織就決定于它們相互作用的結(jié)果。所以，有單相鐵素體不銹鋼或奧氏體不銹鋼，有雙相不銹鋼，有可以在加熱冷卻發(fā)生相變而通過(guò)熱處理方法調(diào)整性能的不銹鋼。

再比如，為了提高在某些還原性介質(zhì)中的耐腐蝕性加入鉬元素，而且又要保持奧氏體組織，就必須提高不銹鋼中的鎳含量，來(lái)平衡鉬的影響。

總之，在分析、使用不銹鋼，在確定不銹鋼熱處理規(guī)范時(shí)，都應(yīng)全面、綜合地考慮每種合金元素及其幾種合金元素的綜合作用。

上面談的是幾種合金元素在不銹鋼中的基本作用，每一種元素在不同類型的不銹鋼中的作用還有差異。這部分內(nèi)容將在具體的不銹鋼類型中予以說(shuō)明。