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鎳在不銹鋼中的作用

信息來源：求和不銹鋼時間：2018-11-28 09:55:19 瀏覽次數:-

在不銹鋼的應用中對不銹鋼結構進行焊接和切割是不可避免的。在不銹鋼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、可焊接性和韌性等不銹鋼的屬性，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不銹鋼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=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%
    中華不銹鋼網小編獲悉: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不銹鋼中，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，只能在不銹鋼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不銹鋼中，而氮正是一種非常強的奧氏體形成元素。在200系列的不銹鋼中，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，所需要加入的錳和氮數量就越高。例如在201型不銹鋼中，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系列不銹鋼的形成原理。在有些不符合標準的200系列不銹鋼中，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，這必然導致了不銹鋼抗腐蝕能力的下降。鋼管,北京鋼管,石家莊鋼管
    在不銹鋼中，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，所以鉻在不銹鋼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系列不銹鋼是完全鐵素體不銹鋼，具有磁性。在把奧氏體形成元素-鎳加入到鐵-鉻不銹鋼的過程中，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系列不銹鋼。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不銹鋼。
    400系列不銹鋼是一種鐵、碳合鉻的合金。這種不銹鋼具有馬氏體結構和鐵元素，因此具有正常的磁特性。400系列不銹鋼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系列不銹鋼都可以進行熱處理。
    300系列不銹鋼是一種含有鐵、碳、鎳和鉻的合金材料，一種無磁性不銹鋼材料，比400系列不銹鋼具有更好的可鍛特性。由于300系列不銹鋼的奧氏體結構，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。由于不銹鋼本身所具有的特性，與普碳鋼相比不銹鋼的焊接及切割有著其特殊性，更易在其焊接接頭及熱影響區(HAZ)產生各種缺陷。焊接時要特別注意不銹鋼的物理性質。例如奧氏體型不銹鋼的熱膨脹系數是低碳鋼和高鉻系不銹鋼的1.5倍；導熱系數約是低碳鋼的1/3，而高鉻系不銹鋼的導熱系數約是低碳鋼的1/2；比電阻是低碳鋼的4倍以上，而高鉻系不銹鋼是低碳鋼的3倍。這些條件加上金屬的密度、表面張力、磁性等條件都對焊接條件產生影響。
中華不銹鋼網小編獲悉:馬氏體型不銹鋼一般以13%Cr鋼為代表。它進行焊接時，由于熱影響區中被加熱到相變點以上的區域發生γ—α(M)相變，因此存在低溫脆性、低溫韌性惡化、伴隨硬化產生的延展性下降等問題。因而對于一般馬氏體型不銹鋼焊接時需進行預熱，但碳、氮含量低的和使用丁系焊接材料時可不需預熱。焊接熱影響區的組織通常又硬又脆。對于這個問題，可通過進行焊后熱處理使其韌性和延展性得到恢復。另外碳、氮含量最低的牌號，在焊接狀態下也有一定的韌性。
鐵素體型不銹鋼以18%Cr鋼為代表。在含碳量低的情況下有良好的焊接性能，焊接裂紋內敏感性也較低。但由于被加熱至900℃以上的焊接熱影響區晶粒顯著變粗，使得在室溫下缺少延伸性和韌性，易發生低溫裂紋。也就是說，一般來講鐵素體型不銹鋼有475℃脆化、700—800℃長時間加熱下發生“相脆性、夾雜物和晶粒粗化引起的脆化、低溫脆化、碳化物析出引起耐蝕性下降以及高合金鋼中易發生的延遲裂紋等問題。通常應在焊接時進行焊前預熱和焊后熱處理，并在具有良好韌性的溫度范圍進行焊接。
奧氏體型不銹鋼以18%Cr—8%Ni鋼為代表。原則上不須進行焊前預熱和焊后熱處理。一般具有良好的焊接性能。但其中鎳、鉬含量高的高合金不銹鋼進行焊接時易產生高溫裂紋。另外還易發生σ相脆化，在鐵素體生成元素的作用下生成的鐵素體引起低溫脆化，以及耐蝕性下降和應力腐蝕裂紋等缺陷。經焊接后，焊接接頭的力學性能一般良好，但當在熱影響區中的晶界上有鉻的碳化物時會極易生成貧鉻層，而貧鉻層的出現將在使用過程中易產生晶間腐蝕。為避免問題的發生，應采用低碳(C≤0.03%)的牌號或添加鈦、鈮的牌號。為防止焊接金屬的高溫裂紋，通常認為控制奧氏體中的δ鐵素體肯定是有效的。一般提倡在室溫下含5%以上的δ鐵素體。對于以耐蝕性為主要用途的鋼，應選用低碳和穩定的鋼種，并進行適當的焊后熱處理；而以結構強度為主要用途的鋼，不應進行焊接后熱處理，以防止變形和由于析出碳化物和發生σ相脆化。

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