不锈钢中几种重要元素的作用

【碳(C)在不锈钢中的作用】

碳在奥氏体和铁素体不锈钢中以间隙元素存在于固溶体中，是奥氏体不锈钢中最有效地固溶强化元素;在高碳马氏体不锈钢中，会有共晶碳化物和其他碳化物生成，对硬度及耐磨性非常有利，适合于生产各类刀具。

经固溶处理的奥氏体不锈钢中，碳以固溶体存在，当C>0.03%时，若将钢置于538~815℃的温度范围内，碳可能以碳化物形式在晶界析出，同时形成贫铬(Cr)区(焊接时最易产生的现象)，这种现象成为敏化析出(Susceptibility)，使不锈钢增加了晶界腐蚀的敏感性;铁素体不锈钢亦会产生铬的碳化物而引起晶界腐蚀现象。

目前的技术手段，只有在奥氏体不锈钢中把碳元素含量将至0.03%以下，或通过加入钛(Ti)或Nb(铌)元素以形成稳定的碳化物，来避免敏化及防止出现贫铬(Cr)区(Poor - Cr Zone)及避免焊接时产生的刀状腐蚀。

名词解释(Terms’Definition)

1.间隙元素(interstitial element)：是指在金属中熔质原子(碳，氧，氮等原子)填入溶剂金属点阵中的间隙位置，所形成的一种固溶体的一种补充元素，起到稳定其金属原子晶格形式的作用。

2.固溶体(solid solution)：是金属物在一定结晶构造位置上离子的互相置换，而不改变整个晶体的结构及对称性;固溶体分为三种：替代式固溶体、填隙式固溶体和缺位式固溶。

3.敏化析出(sensitization)：不锈钢钢中的碳(通常含0.03%)与铬结合，在热处理过程中或在焊接过程中在晶界析出;形成的碳化物使晶界出现贫铬，发生局部的晶界腐蚀，降低了材料的耐应力腐蚀性。

4.贫铬区(Poor - Cr Zone)：是指不锈钢中的碳元素与晶界处的铬结合，使晶界处的铬含量降低并析出; .造成不锈钢表面或内部局部铬含量低于平均含量的区域。贫铬区的出现，通常是碳化铬析出的结果。

5.刀状腐蚀(Knife Line Attack)：简称刀蚀。在含有稳定元素的奥氏体不锈钢中(如1Cr18Ni9Ti，Cr18Ni12Mo3Ti等)，焊接热影响区的过热区在腐蚀介质作用下，发生沿熔合线走向的深沟状似刀痕的腐蚀，称为刀状腐蚀。

【铬(Cr)在不锈钢中的作用】

铬是不锈钢中不可缺少的元素，不锈钢的耐蚀性和抗氧化性都由随着的Cr含量的增加而增加;因为Cr在不锈钢表面形成一层薄的氧化膜，阻碍或防止不锈钢的进一步氧化和腐蚀，在氧化环境中这层膜得到了强化。

在Fe-Cr系中，在所有温度下当Cr含量超过12%，均体现为铁素体;但高温情况下可能产生一下奥氏体组织，其原因是因为含有一定量的C和N元素的缘故。

名词解释

1.间隙相：当非金属原子半径与金属原子半径比值小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相;当比值大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。

2.中间相：两组元A和B组成合金时，除了可形成以A为基体或以B为基体的固溶体外(端际固溶体)外，还可能形成晶体结构与A,B两组元均不相同的新相。

3.空淬效应：钢在一定条件下淬火时获得淬硬层(马氏体层)深度。它是衡量各个不同钢种接受淬火能力的重要指标之一;淬透性主要取决于其临界冷却速度的大小，而临界冷却速度则主要取决于过冷奥氏体的稳定性。

【镍(Ni)在不锈钢中的作用】

最近镍价一直上涨，影响了不锈钢价格的波动。但镍对于不锈钢有什么影响?

镍是不锈钢中仅次于铬的重要合金元素。为了耐还原性酸和碱介质的腐蚀，钢中仅含铬是不够的，铬必须加入镍。镍促进不锈钢钝化膜的稳定性，提高不锈钢的热力学稳定性。因此，不锈钢中铬和镍共存，可显著强化不锈钢的不锈性和耐蚀性。镍对不锈钢的高温抗氧性有益，但对高温抗硫化性有害。因为镍与硫作用易形成低熔点硫化物。而低熔点硫化物的形成会显著降低钢的热加工性。

镍与铬组合能显著提高奥氏体不锈钢在苛性介质(例如NaOH)中的耐蚀性，镍还提高18-8不锈钢耐氯化物应力腐蚀的性能。虽然在耐点蚀、耐缝隙腐蚀的PRE值(Cr+3.3Mo+16N，此值越大，耐点蚀、耐缝隙腐蚀性能越强)中并没有镍的作用在内，但在低铬、钼的通用铬镍奥氏体不锈钢中，镍的作用还是有益的。

镍是奥氏体形成的稳定元素，若含Ni量约为8%时，Fe-Ni系中在室温下为奥氏体组织，具有很好的可成型性，更好地焊接性，优异的韧性。Ni对高温性能，特别是强度，冶金稳定性和保护性氧化膜的稳定性都有明显地提高。

在铁素体不锈钢中，加入Ni可提高韧性及弯曲性能，焊接性能及耐蚀性。在沉淀硬化不锈钢中，Ni是重要元素。在双相钢中，通过调整Cr和Ni的含量的变化，可改变铁素体的百分比，Ni还可以改善双相钢抗全面腐蚀和抗应力腐蚀性能。

Ni在奥氏体不锈钢中会降低其熔点，平均增加1%的镍含量，就可降低其4.4℃。随着Ni的增加而是δ相减少;但是热加工性，低温塑性和韧性可得到改善，其成型性能(深冲性能增加，加工硬化性能降低，还可增加在硫酸中的钝化(passivation)作用。

镍能显著改善不锈钢的塑、韧性，可使具有脆性转变温度的一些不锈钢的脆性温度下移。镍可提高一些不锈钢的冷成型性和焊接性，降低奥氏体不锈钢的冷加工硬化倾向。镍可提高一些不锈钢的冷成型性和焊接性，降低奥氏体不锈钢的冷加工硬化倾向。此外，Ni的另一方面的作用是表现了在其不锈钢及镍合金指数上不可替代的“王道”;一种足以让不锈钢和镍金属从业者们“HIGH”到极致的“摇头丸”;一种其金融属性已经远远超出其实际价值的“产业利益链”。

【锰(Mn)在不锈钢中的作用】

锰元素可形成无限固溶体，有着强烈稳定奥氏体不锈钢结构的作用;并且对于铁素体和奥氏体不锈钢均有较强的固溶强化作用，提高了不锈钢的硬度和强度。

Mn是不锈钢生产的重要合金元素，在CrNi系不锈钢生产中作为脱氧元素，一般加入1.5%Mn，在Cr-Mn-Ni-N ,Cr-Mn-N系不锈钢中作为重要的合金化元素，一般加入6—20%。和Cr-Ni奥氏体不锈钢相比，Cr-Mn-Ni-N奥氏体不锈钢最大的区别是大量地加入了合金元素Mn、N，从而带来了一系列的性能变化。

在奥氏体中，锰一般以合金形式存在，且含量小于2%;此含量对于不锈钢组织不会造成明显的影响。但是锰元素，在不锈钢生产过程中被视为脱氧作用的残留元素看待。锰元素在120℃以上温度，会随着温度的升高而产生一定的挥发现象。

1、Mn在不锈钢中的有益作用

(1)N在不锈钢中的溶解度公式：N=0.021(Cr+0.9Mn)-0.204wt%。因此，为了提高N的溶解度，Mn元素被大量加入。在节镍奥氏体不锈钢中，Mn是非常重要的合金元素，其主要作用是使氨在钢中的溶解度提高且提高钢的强韧性，是节镍奥氏体必不可少的元素。

(2)Mn是比较弱的奥氏体形成元素，但具有强烈稳定奥氏体的作用。Cr-Ni奥氏体不锈钢中，随着Mn含量增加强度提高。在无Ni的Cr-Mn-N奥氏体不锈钢中低温下会出现韧脆转变现象。

(3)Mn在不锈钢中的另一有益作用是形成MnS抑制钢中硫的有害作用，提高了钢的热敏性，在焊接材料中加入2%以上的锰，可提高奥氏体不锈钢焊缝的抗热裂纹敏感性。

2、Mn的不利影响

(1)Mn对不锈钢的不锈钢耐蚀性的影响，基本上都是负面的。随着锰量的增加，钢的耐点蚀性、耐缝隙腐蚀性能下降。这与锰和硫形成MnS，或随钢中锰量增加，MnS中的铬量降低所引起的MnS夹杂在腐蚀介质中的溶解，常常成为点蚀、缝隙腐蚀源。实验证明，当将18-8不锈钢中的锰量降到约0.1%，此钢的耐点蚀能力将达到含2%Mo的316的水平。

(2) Mn在不锈钢中还促进σ相等脆性相的析出，降低钢的塑、韧性，为锰的高铬、钼不锈钢中的应用带来不利影响。

以Mn, N代Ni的节镍和无镍奥氏体不锈钢，其耐蚀性主要取决于钢的Cr、Ni、Mo、N等元素的含量，而Mn的作用甚微。目前研制成熟的钢种主要有200系列以及Arlnco公司的Nitronic系列。还有一些钢种也在广泛研究中。

【磷(P)在不锈钢中的作用】

磷(P)在不锈钢中的存在不与碳元素形成碳化物，但是易造成不锈钢中的严重偏析现象，一般来说，磷在不锈钢冶炼和后续加工过程中都被认为有害元素，尤其在焊接时，会产生热裂焊缝现象

在奥氏体不锈钢中，磷被允许存在的含量约为0.03%~0.035%;此外，若不锈钢中因焊接而在焊缝处所产生的铁素体中，其磷元素被允许的最大含量约为0.03%。

磷元素对提高不锈钢的强度及冷作硬化作用强，但却会增加不锈钢的脆性(尤其是低温脆性)。

若磷与铜元素配合，可大大提高低合金钢的耐大气腐蚀的能力。

名词解释：

1.偏析现象：合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象称为偏析。

2.低温脆性：材料的冲击吸收功随温度降低而降低，当试验温度低于Tk(韧脆临界转变温度)时，冲击吸收功明显下降，材料由韧性状态变为脆性状态，这种现象称为低温脆性。金属的低温脆性是由于金属的屈服强度随温度降低而升高造成的。