鎳與不銹鋼基礎(chǔ)知識(shí) — 鎳在不銹鋼中的作用
作者： 日期：2020-10-16 來源： 關(guān)注：655
鎳在不銹鋼中的主要作用在于它改變了鋼的晶體結(jié)構(gòu)。在不銹鋼中增加鎳的一個(gè)主要原因就是形成奧氏體晶體結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)稱為鐵氧體，呈體心立方(BCC)結(jié)構(gòu)，加入鎳，促使晶體結(jié)構(gòu)從體心立方(BCC) 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎?/span>(FCC)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)被稱為奧氏體。然而，鎳并不是唯一具有此種性質(zhì)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(duì)重要性對(duì)于預(yù)測(cè)不銹鋼的晶體結(jié)構(gòu)具有重要意義。
目前，人們已經(jīng)研究出很多公式來表述奧氏體形成元素的相對(duì)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%
從這個(gè)等式可以看出：碳是一種較強(qiáng)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?yàn)樵诤附雍笏鼤?huì)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(shù)量有限的氮。添加錳和銅會(huì)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(duì)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(qiáng)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(jié)構(gòu)，鎳的含量越低，所需要加入的錳和氮數(shù)量就越高。例如在201型不銹鋼中，只含有4.5%的鎳，同時(shí)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(dāng)于7.5%的鎳，所以同樣可以形成100%奧氏體結(jié)構(gòu)。這也是200系列不銹鋼的形成原理。在有些不符合標(biāo)準(zhǔn)的200系列不銹鋼中，由于不能加入足夠數(shù)量的錳和氮，為了形成100%的奧氏體結(jié)構(gòu)，人為的減少了鉻的加入量，這必然導(dǎo)致了不銹鋼抗腐蝕能力的下降。
在不銹鋼中，有兩種相反的力量同時(shí)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(jié)構(gòu)取決于兩類添加元素的相對(duì)數(shù)量。鉻是一種鐵素體形成元素，所以鉻在不銹鋼晶體結(jié)構(gòu)的形成上和奧氏體形成元素之間是一種競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。因?yàn)殍F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(huì)逐漸增加，直至所有的鐵素體結(jié)構(gòu)都被轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體結(jié)構(gòu)，這樣就形成了300系列不銹鋼。如果僅添加一半數(shù)量的鎳，就會(huì)形成50%的鐵素體和50%的奧氏體，這種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和鐵元素，因此具有正常的磁特性。400系列不銹鋼具有很強(qiáng)的抗高溫氧化能力，而且與碳鋼相比，其物理特性和機(jī)械特性都有進(jìn)一步的改善。大多數(shù)400系列不銹鋼都可以進(jìn)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(jié)構(gòu)，因此它在許多環(huán)境中具有很強(qiáng)的抗腐蝕性能，具有很好的抗金屬超應(yīng)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。