形成不锈钢管的性能和组织,主要是由各种元素决定的。目前,已知的化学元素有100余种,对不锈钢管的性能与组织影响最大的元素有:碳、铬、镍、锰、氮、钛、铌、钼、铜、铝、硅、钒、钨、硼等十多种。由于这些元素的加入,导致钢的内部组织发生变化,从而使钢具有特殊的性能。为了加深对不锈钢管的理解,我们有必要先了解一下各种元素对不锈钢管的性能和组织的影响。

(1)铬—是构成不锈钢管的基本元素

铬是决定不锈钢管耐腐蚀性能的最基本元素。在氧化性介质中,铬能使钢的表面很快形成一层实际为腐蚀介质不能透过和不溶解的富铬的氧化膜,这层氧化膜很致密,并与金属基体结合得很牢固,保护钢免受外界介质进一步氧化浸蚀;铬还能有效地提高钢的电极电位。当含铬量不低于12.5%原子时,可使钢的电极电位发生突变,由负电位升到正的电极电位。因而可显著提高钢的耐蚀性。铬的含量越高,钢的耐蚀性能越好。当含铬量达到25%37.5%原子时,会发生第二次、第三次的突变,使钢具有更高的耐腐蚀性能。

(2)镍—单独不能构成不锈钢管

镍对不锈钢管耐腐蚀的影响,只有它与铬配合时才能充分显示出来。因为,低碳镍钢要获得纯奥氏体组织,含镍量需达24%;要使钢在某些介质中的耐腐蚀性能显著改变,含镍量需在27%以上。所以,镍不能单独构成不锈钢管。而在含铬18%的钢中加入9%的镍,就能使钢在常温下获得单一奥氏体组织,并可以提高钢对非氧化性介质(如:稀硫酸、盐酸、磷酸等)的耐蚀性,并能改善钢的焊接和冷弯等的工艺性能。

(3)锰和氮—可代替铬镍不锈钢管中的镍

锰和氮在不锈钢管中有镍相仿的作用。锰的稳定奥氏体作用为镍的二分之一,而氮的作用比镍大很多,约为镍的40倍左右,因而锰和氮可代镍获得单一的奥氏体组织,但锰的加入会使含铬低的不锈钢管耐蚀性降低,同时,高锰奥氏体钢不易加工。因此,在不锈钢管中不单独使用锰,只用部分代替镍。

(4)碳—在不锈钢管中具有两重性

碳在不锈钢管中的含量及其分布的形式,在很大程度上左右着不锈钢管的性能和组织:一方面碳是稳定奥氏体元素,并且作用的程度很大,约为镍的30倍,含碳量高的(马氏体)不锈钢管,完全可以接受淬火强化,从而在机械性能方面可大大提高它的强度;另一方面由于碳和铬的亲和力很大,在不锈钢管中要占用十七倍碳量的铬与它结合成碳化铬。随着钢中含碳量的增加,则与碳形成碳化物的铬越多,从而显著降低钢的耐蚀性。所以,从强度与耐腐蚀性能两方面来看,碳在不锈钢管中的作用是互相矛盾的。在实际应用中,为了达到耐腐蚀的目的,不锈钢管的含碳量一般较低,大多在0.1%左右,为了进一步提高钢的耐腐蚀能力,特别是抗晶间腐蚀的能力,常采用超低碳的不锈钢管,含碳量在0.03%甚至更低;但用于制造滚动轴承、弹簧、工具等不锈钢管,由于要求有高的硬度和耐磨性,因而含碳量较高,一般均在0.85~1.00%之间,如9Cr18钢等。

(5)钛和铌—能防止不锈钢管的晶间腐蚀

不锈钢管加热到450~800℃时,常常由于在晶界析出铬的碳化物而使晶界附近的含铬量下降形成贫铬区,导致晶界附近的电极电位下降,从而引起电化学腐蚀。这种腐蚀叫做晶间腐蚀。常见的如在焊缝附近的热影响区内发生的晶间腐蚀。而钛和铌是强碳化物形成元素,它与碳的亲和力比铬大得多,钢中加入钛或铌,就能使钢中的碳首先与钛或铌形成碳化物,而不与铬形成碳化物,从而保证晶界附近不致因贫铬而产生晶间腐蚀。因此,钛和铌常用来固定钢中的碳,提高不锈钢管抗晶间腐蚀的能力,并改善钢的焊接性能。

钛或铌的加入量要根据含碳量而定,一般为:钛的加入量为含碳量的5倍,铌为碳的8倍。

(6)钼和铜—能提高某些不锈钢管对某些介质的耐腐蚀性能

钼和铜能提高不锈钢管对硫酸、醋酸等腐蚀介质的耐蚀能力。钼还能显著提高对含氯离子的介质(如盐酸)以及有机酸中的耐蚀能力。但含钼的不锈钢管不宜在硝酸中应用,含钼的不锈钢管在沸腾的65%硝酸中的腐蚀速度比不含钼的增加一倍;铜加入铬锰氮不锈钢管中,会加速不锈钢管的晶间腐蚀。

钼对不锈钢管获得单一奥氏体组织有不利影响,因此在含钼钢中,为了使钢在热处理后具有单一的奥氏体组织。镍和锰等元素的含量要相应的提高。

(7)硅和铝—能提高不锈钢管的抗氧化能力

硅对提高铬钢抗氧化能力的作用很显著,含5%铬及1%硅的钢,抗氧化的能力可与12%铬钢相等。如使钢在1000℃能抵抗氧化,含0.5%硅时需要22%的铬,如加入2.5~3%的硅以后,只需要12%的铬就可以了。有资料还介绍,向Cr15Ni20的铬镍钢中加2.5%的硅,抗氧化性能可相当Cr15Ni60的铬镍合金。SiAl元素在材料洁净过程中可与NiNbC等元素形成金属间化合物,这些化合物在晶界上析出,对晶界起钉扎作用,可以阻止晶界扩张,防止晶粒过渡长大,从而影响材料的磁性能[6]。向高铬钢中加铝也能使抗氧化性能显著提高,它的作用与加硅的功能相仿。向高铬钢中加硅和铝的目的:一是为了进一步提高钢的抗氧化性能,二是为了节约用铬。

硅和铝对提高铬钢抗氧化性能的作用虽然很大,但也有很多缺点。最主要的是它使钢的晶粒粗化和脆性倾向增大。

(8)钨和钒加入钢中,其主要作用是提高钢的热强性。

(9)硼:高铬铁素体不锈钢管Cr17Mo2Ti)中加0.005%的硼,可使钢在沸腾的65%醋酸中的耐腐蚀性能提高;奥氏体不锈钢管中加入微量(0.0006~0.0007%)的硼,可使钢的热态塑性改善;硼对提高钢的热强性有良好的作用,可使不锈钢管的热强性显著提高;含硼的铬镍奥氏体不锈钢管在原子能工业中有着特殊的用途。但不锈钢管中含硼会使钢的塑性和冲击韧性降低。

(10)除以上元素外,有些不锈钢管中还分别加入稀有金属元素和稀土元素以改善钢的性能。稀土对铁素体不锈钢管凝固组织的改善作用已经得到证实。