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            厚壁不銹鋼管主要元素對其性能和組織的影響與作用

            鉻在厚壁不銹鋼管中的決定作用:決定厚壁不銹鋼管性屬的元素只有一種,這就是鉻,每種厚壁不銹鋼管都含有一定數量的鉻。迄今為止,還沒有不含銘的厚壁不銹鋼管。鉻之所以成為決定厚壁不銹鋼管性能的主要元素,根本的原因是向鋼中添加鉻作為合金元素以后,促使其內部的矛盾運動向有利于抵抗腐蝕破壞的方面發展。這種變化可以從以下方面得到說明:

            鉻使鐵基固溶體的電極電位提高

            鉻吸收鐵的電子使鐵鈍化

            鈍化是由于陽極反應被阻止而引起金屬與合金耐腐蝕性能被提高的現象。構成金屬與合金鈍化的理論很多,主要有薄膜論、吸附論及電子排列論。

            碳在厚壁不銹鋼管中的兩重性

            碳是工業用鋼的主要元素之一,鋼的性能與組織在很大程度上決定于碳在鋼中的含量及其分布的形式,在厚壁不銹鋼管中碳的影響尤為顯著。碳在厚壁不銹鋼管中對組織的影響主要表現在兩方面,一方面碳是穩定奧氏體的元素,并且作用的程度很大(約為鎳的30倍),另一方面由于碳和鉻的親和力很大,與鉻形成一系列復雜的碳化物。所以,從強度與耐腐燭性能兩方面來看,碳在厚壁不銹鋼管中的作用是互相矛盾的。

            鎳在厚壁不銹鋼管中的作用是在與鉻配合后才發揮出來的鎳是優良的耐腐蝕材料,也是合金鋼的重要合金化元素,鎳在鋼中是形成奧氏體的元素,但低碳鎳鋼要獲得純奧氏體組織,含鎳量要達到24%;而只有含鎳27%時才使鋼在某些介質中的耐腐蝕性能顯著改變。所以鎳不能單獨構成厚壁不銹鋼管。但是鎳與鉻同時存在于厚壁不銹鋼管中時,含鎳的厚壁不銹鋼管卻具有許多可貴的性能。

            基于上面的情況可知,鎳作為合金元素在厚壁不銹鋼管中的作用,在于它使高鉻鋼的組織發生變化,從而使厚壁不銹鋼管的耐腐蝕性能及工藝性能獲得某些改善。

            鎳在厚壁不銹鋼管中的主要作用在于它改變了鋼的晶體結構。在厚壁不銹鋼管中增加鎳的一個主要原因就是形成奧氏體晶體結構,從而改善諸如可塑性、可焊接性和韌性等厚壁不銹鋼管的屬性,所以鎳被稱為奧氏體形成元素。普通碳鋼的晶體結構稱為鐵氧體,呈體心立方(BCC)結構,加入鎳,促使晶體結構從體心立方(BCC)結構轉變為面心立方(FCC)結構,這種結構被稱為奧氏體。然而,鎳并不是唯一具有此種性質的元素。常見的奧氏體形成元素有:鎳、碳、氮、錳、銅。這些元素在形成奧氏體方面的相對重要性對于預測厚壁不銹鋼管的晶體結構具有重要意義。目前,人們已經研究出很多公式來表述奧氏體形成元素的相對重要性,最著名的是下面的公式:

            奧氏體形成能力=1Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25C4%

            從這個等式可以看出:碳是一種較強的奧氏體形成元素,其形成奧氏體的能力是鎳的30倍,但是它不能被添加到耐腐蝕的厚壁不銹鋼管中,因為在焊接后它會造成敏化腐蝕和隨后的晶間腐蝕問題。氮元素形成奧氏體的能力也是鎳的30倍,但是它是氣體,想要不造成多孔性的問題,只能在厚壁不銹鋼管中添加數量有限的氮。添加錳和銅會造成煉鋼過程中耐火生命減少和焊接的問題。

            從鎳等式中可以看出,添加錳對于形成奧氏體并不非常有效,但是添加錳可以使更多的氮溶解到厚壁不銹鋼管中,而氮正是一種非常強的奧氏體形成元素。在200系列的厚壁不銹鋼管中,正是用足夠的錳和氮來代替鎳形成100%的奧氏體結構,鎳的含量越低,所需要加入的錳和氨數量就越高。例如在201厚壁不銹鋼管中,只含有4.5%的鎳,同時含有0.25%的氮。由鎳等式可知這些氮在形成奧氏體的能力上相當于7.5%的鎳,所以同樣可以形成100%奧氏體結構。這也是200系列厚壁不銹鋼管的形成原理。在有些不符合標準的200系列厚壁不銹鋼管中,由于不能加入足夠數量的錳和氮,為了形成100%的奧氏體結構,人為的減少了鉻的加入量,這必然導致了厚壁不銹鋼管抗腐蝕能力的下降。

            厚壁不銹鋼管中,有兩種相反的力量同時作用:鐵素體形成元素不斷形成鐵素體,奧氏體形成元素不斷形成奧氏體。最終的晶體結構取決于兩類添加元素的相對數量。鉻是一種鐵素體形成元素,所以鉻在厚壁不銹鋼管晶體結構的形成上和奧氏體形成元素之間是一種競爭關系。因為鐵和鉻都是鐵素體形成元素,所以400系列厚壁不銹鋼管是完全鐵素體厚壁不銹鋼管,具有磁性。在把奧氏體形成元素-鎳加入到鐵-厚壁不銹鋼管的過程中,隨著鎳成分增加,形成的奧氏體也會逐漸增加,直至所有的鐵素體結構都被轉變為奧氏體結構,這樣就形成了300系列厚壁不銹鋼管。如果僅添加一半數量的鎳,就會形成50%的鐵素體和50%的奧氏體,這種結構被稱為雙相厚壁不銹鋼管。

            400系列厚壁不銹鋼管是一種鐵、碳合鉻的合金。這種厚壁不銹鋼管具有馬氏體結構和鐵元素,因此具有正常的磁特性。400系列厚壁不銹鋼管具有很強的抗高溫氧化能力,而且與碳鋼相比,其物理特性和機械特性都有進一步的改善。大多數400系列厚壁不銹鋼管都可以進行熱處理。

            300系列厚壁不銹鋼管是一種含有鐵、碳、鎳和鉻的合金材料,一種無磁性厚壁不銹鋼管材料,比400系列厚壁不銹鋼管具有更好的可鍛特性。由于300系列厚壁不銹鋼管的奧氏體結構,因此它在許多環境中具有很強的抗腐蝕性能,具有很好的抗金屬超應力引起的腐蝕所造成的斷裂的性能,而且其材料特性不受熱處理的影響。

            錳和氮可以代替鉻鎳厚壁不銹鋼管中鎳,厚壁不銹鋼管中加鈦或鈮是為了防止晶間腐蝕,鉬和銅可以提高某些厚壁不銹鋼管的耐腐蝕性能。

            文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|不銹鋼換熱管

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