奥氏体不锈钢中合金元素的作用

钼的知识

奥氏体不锈钢中合金元素的作用

化学成分对钢的金相组织、机械性能、物理性能和耐蚀性能的影响很大。不管是有意添加的，还是炼钢时无意带入的合金元素，都会对这些性能产生影响。

铬、钼、镍等合金元素在晶格中位于替换位置。即它们可替换奥氏体晶格顶角和立方体六面中心的铁。碳和氮由于体积小，位于晶格原子之间的空隙(间隙位置)，在晶格中产生巨大的应变，因此成为有效的硬化元素。合金元素对钢的性能产生不同的影响，有时是有益的，有时是有害的。选择某个钢的成分或牌号经常需要设计师或材料工程师牺牲一部分某种性能来换取另一种性能的最大化。奥氏体不锈钢的主要合金元素具有如下功能：

铬(Cr)

铬是一种可以使不锈钢 “不生锈” 的合金元素。至少需要添加10.5%的铬，才可以形成不锈钢所特有的表面钝化膜。该钝化膜可以使不锈钢有效地抵御腐蚀性水、多种酸溶液甚至强氧化性高温气体的腐蚀。当铬含量超过10.5%的阈值时，面对各种环境的耐蚀性都有所增强。因此，很多牌号的铬含量远远高于这个值。比如说，304不锈钢的铬含量为18%，高性能奥氏体不锈钢的铬含量高达20%-28%。

镍(Ni)

镍的主要作用是形成并稳定奥氏体相。如果没有8%Ni，304就不会成为奥氏体不锈钢，也不具备奥氏体应有的机械性能。那样的话，它就是强度和韧性不在同一级别的铁素体不锈钢。当更多的铬或其他铁素体形成元素添加到钢中时，需要增加镍来保持奥氏体结构。高性能奥氏体不锈钢含有高铬和高钼，镍含量要达到20%左右才能保证奥氏体结构。镍可以改善对某些还原性酸的耐蚀性，镍含量大于约20%时，提高了耐应力腐蚀断裂性能。镍还可以降低冷变形过程中的加工硬化率，因此，用于深冲、旋压和冷镦的合金，其镍含量普遍较高。

钼(Mo)

钼提高不锈钢在氯化物环境中的抗点蚀和缝隙腐蚀性能。钼与铬、特别是氮共同作用，提高材料在这些环境中的性能。这种协同作用使高性能奥氏体不锈钢具有很强的耐点蚀和缝隙腐蚀性能。钼还能提高不锈钢在盐酸和稀硫酸等还原性环境中的耐蚀性。奥氏体不锈钢的最低钼含量为2%左右，如316不锈钢。合金含量最高的高性能奥氏体不锈钢的钼含量高达7.5%。

钼有助于铁素体相的形成，会对相平衡产生影响。它参与几种有害二次相的形成，而且会形成不稳定的高温氧化物，对耐高温氧化性能产生不利影响。在使用含钼不锈钢时必须考虑到这些因素。

碳(C)

碳对奥氏体相起到稳定和强化作用，所以，对于锅炉管等高温环境使用的不锈钢，碳是有用的合金元素。除此之外，碳没有其他的有用功能，而且在某些情况下，会对耐蚀性能产生有害影响。大多数奥氏体不锈钢的碳含量通常都限定在实际可达到的最低水平。用于焊接的标准低碳牌号(304L、201L和316L)的碳含量限制在0.030%。一些高合金高性能牌号的碳含量甚至限制在0.020%。

氮(N)

氮稳定和强化奥氏体相，并且可以减缓二次相的形成。标准牌号奥氏体不锈钢和高性能奥氏体不锈钢都含有氮。在低碳标准牌号(L)中，添加少量的氮(最高0.1%)可以补偿由于碳含量低而导致的强度损失。无论是标准牌号还是高性能奥氏体不锈钢，氮都可以提供强度，减缓碳化物敏化和二次相形成。氮还有助于提高耐氯化物点蚀和耐缝隙腐蚀性能，所以，一些耐蚀性最好的高性能奥氏体不锈钢的氮含量可高达0.5%。

锰(Mn)

钢厂用锰进行钢水脱氧，所以，所有的不锈钢中都残存少量的锰。锰也可以稳定奥氏体相，提高氮在不锈钢中的溶解度。因此，在200系不锈钢中，可用锰替代部分镍，来增加氮含量，提高强度和耐腐蚀性能。有些高性能奥氏体不锈钢中添加锰也是为了达到同样的效果。

铜(Cu)

铜可提高不锈钢在还原性酸中的耐蚀性能，例如某些硫酸和磷酸的混合溶液。一些专门用于这些环境的高性能奥氏体不锈钢可将铜作为合金元素。

硅(Si)

总的来说，硅是奥氏体不锈钢的有益元素，因为它可以提高钢在浓酸环境和高度氧化性环境中的耐腐蚀性能。有报道称，UNS S30600等高硅特种不锈钢具有较高的耐点蚀性能。硅和锰一样，也可用于钢水脱氧，因此，钢中总会残留少量含有硅、锰和其他脱氧元素的氧化物夹杂。如果夹杂物数量太多，会对产品的表面质量和抛光性产生不利影响。

铌(Nb)和钛(Ti)

这两种元素是非常强的碳化物形成元素，可用来代替低碳牌号，减轻敏化作用。碳化铌和碳化钛可以提高高温强度。含有Nb和Ti的347和321不锈钢常用于锅炉和精炼设备，满足高温强度和焊接性的要求。它们还用于一些脱氧工艺，成为高性能奥氏体不锈钢中的残留元素。

硫(S)和磷(P)

硫对不锈钢性能的影响利弊参半。最重要的有益作用是提高切削加工性能，主要危害是降低热加工性，增加硫化锰夹杂物的数量，导致不锈钢耐点蚀性能降低。高性能奥氏体不锈钢本身就很难进行热加工，因此硫含量应尽可能控制在最低水平，约0.001%。通常情况下，硫不会作为合金元素添加到高性能奥氏体不锈钢中。但是，标准牌号不锈钢的硫含量常常较高 (0.005%～0.017%)，目的是提高自熔焊的焊缝熔深，改善切削性能。

磷是一种有害元素，会对锻造和热轧的热加工性能产生不利影响。焊后冷却过程中，它还会促使热开裂的发生。因此，磷含量应控制在最低水平。