铁素体不锈钢厚壁管中合金元素的作用

超纯铁素体不锈钢厚壁管是现代铁素体不锈钢厚壁管研究的主要对象。通过一定比例的合金设计,超纯铁素体不锈钢厚壁管在室温使用环境下都为铁素体组织,在钢种的开发设计过程中发现,不同的合金元素的添加对其性能和特征都会起到相应的作用。

1C在铁素体不锈钢厚壁管中的作用

碳是钢的主要元素之一,钢的性能在很大程度上取决于碳在钢中的含量及存在形式。由于碳和铬的亲和力很大,能形成一系列复杂的碳化物,会降低铬在基体中的含量,从而降低不锈钢厚壁管的耐蚀性[19]。目前工业中应用的不锈钢厚壁管的含碳量都较低,现代研究表明,碳含量的降低除了能提高其耐蚀性之外也还有益于不锈钢厚壁管的焊接性能及成形性能等[20]

2Cr元素在铁素体不锈钢厚壁管中的作用

决定不锈钢厚壁管属性的元素只有一种,这就是铬,每种不锈钢厚壁管都含有一定数量的铬。迄今为止,还没有不含铬的不锈钢厚壁管。铬之所以成为决定不锈钢厚壁管性能的主要元素,根本的原因是向钢中添加铬作为合金元素以后,促使其内部的矛盾运动向有利于抵抗腐蚀破坏的方面发展。这种变化可以从以下方面得到说明:

①铬使铁基固溶体的电极电位提高

②铬吸收铁的电子使铁钝化

钝化是由于阳极反应被阻止而引起金属与合金耐腐蚀性能被提高的现象。构成金属与合金钝化的理论很多,主要有薄膜论、吸附论及电子排列论。对于热端用钢,Cr元素可以在高温下优先于Fe原子与O原子结合成铬氧化物,这一次致密的铬氧化物保护膜紧紧的粘附于材料基体的表面上,一方面可以有效的组织基体与氧化物质进行反应,另一方面,当氧化膜遭到破坏时,致密的铬氧化物保护膜能够迅速的自我修复。Cr元素的含量可以对不Fe-Cr不锈钢厚壁管的组织进行有效的调控,根据研究表明,当铬元素的含量超过14%时,Fe-Cr系合金可以保证材料内部在全温度阙都保持以铁素体单相组织的形式存在。

3N元素在铁素体不锈钢厚壁管中的作用

N原子在基体中的固溶度很低,在冷加工过程中,N作为间隙原子会对滑移产生一定的钉扎作用而阻碍其发生,因此会降低铁素体不锈钢厚壁管的成形性能。除此之外,N还会对铁素体不锈钢厚壁管的耐一般腐蚀、耐点蚀、耐应力腐蚀等性能产生有害的影响。

4Mo元素在铁素体不锈钢厚壁管中的作用

钼是铁素体形成元素,能力相当于铬。在铁素体不锈钢厚壁管中,钼除了提高其耐蚀性之外,还能提高钢的强度和硬度,增强钢的二次硬化效应。这种作用对不锈钢厚壁管的使用会产生极大的益处。除此之外,钼还可以扩大钢在还原介质中的钝化范围,提高钝化膜的强度和耐蚀性,也可以提高钢对氯化物的应力腐蚀断裂能力。利用固溶强化的方法,钼可以析出FeaMo2等来提高铁素体不锈钢厚壁管的强度和抗回火能力,并提高钢的高温强度和抗蠕变性能。

5Ti元素在铁素体不锈钢厚壁管中的作用

钛与碳的亲和力仅次于锯,能显著的降低铁素体不锈钢厚壁管的含碳量。Ti元素会优先于C元素结合形成TiC,这种特性可以避免由于碳与铬化合而形成贫铬区,防止晶间腐蚀,另外钛元素还能提高不锈钢厚壁管的焊接性和成形性。

6Nb元素在铁素体不锈钢厚壁管中的作用

Ti元素一样,Nb元素也会优先于C元素结合形成NbC,这种特性可以避免由于碳与铬化合而形成贫铬区,防止晶间腐蚀[31]。锯元素可以提高不锈钢厚壁管的强度,高温热蠕变性能以及耐晶间腐蚀能力。另外,锯与钛还具有双稳定化效应。

7W元素在铁素体不锈钢厚壁管中的作用

钨的碳化物形成倾向比较强,和钼一样,形成的碳化物在加工时可以阻碍晶粒长大,钨还能提高不锈钢厚壁管的蠕变强度,对钢的力学性能及热强性的影响与钼相似。W是铁素体形成元素,通过置换的方式溶解在铁素体中的W能够起到稳定铁素体的作用。另外W还会起到提高扩散激活能,降低铬元素的高温扩散行为。

(8)稀土元素在铁素体不锈钢厚壁管中的作用

稀土元素常被称作“工业点金石”,由于其特殊的电子层结构,能起到精炼、脱气、脱硫和消除其他有害杂质的作用,进而改善夹杂物的形态和分布,改善钢的铸态组织和性能,提高钢的质量。

现代超纯铁素体不锈钢厚壁管在室温使用条件直至液化的温度范围下基本上都不会发生相变,因此,要想提高铁素体不锈钢厚壁管的强度和塑性等性能,晶粒细化是非常好的手段。当钢中加入了稀土元素的时候,钢液在凝固过程中等轴晶区会被扩大,晶粒的长大也会被抑制,因此添加了稀土元素之后铁素体不锈钢厚壁管的晶粒度会得到一定的提高。除此之外,稀土Ce的添加能够促进铬元素的扩散,降低三氧化二铬形成所需要的临界铬浓度。

稀土能跟钢中的氧和硫等元素形成稀土硫氧化物,通过这个过程,钢中夹杂物有所减少B9],另外,稀土参与复合形成的稀土夹杂物的形态也会发生改变,有研究表面,添加了稀土之后,钢中的夹杂物的形状变得规则化,并逐渐转变成接近球形的规则形状。这样可以降低材料的各向异性,并且对钢的强塑性提高都有益处。

稀土元素的添加会引起一种被称为“活性元素效应”的现象,从而降低钢的氧化速度并且提高其抗氧化性能。稀土元素添加进铁素体不锈钢厚壁管之后,一方面稀土元素会伴随并促进Cr元素在氧化层反应界面附近的基体处富集,另一方面,少量铬元素会进入氧化层中,参与并促进对铁素体不锈钢厚壁管抗氧化性起到巨大作用的三氧化二铬的形成。

9)其他元素的作用

其他与铁素体不锈钢厚壁管组织和性能相关的元素包括SiAlCuNiMn等,这些元素添加进铁素体不锈钢厚壁管中往往会给铁素体不锈钢厚壁管的各项性能带来双重作用,即一方面会给材料的某些性能带来提升,另一方面也会对一部分性能造成影响。

一般认为,铝元素的添加能够改善合金的抗高温氧化能力。硅元素的添加能够在一定温度范围内对材料的抗高温氧化性能起到与铬元素类似的作用,但是硅元素对材料抗高温氧化性能的提高没有铬元素那么明显,但是过量的硅元素会导致材料的耐蚀性能降低并且对材料的冲击韧性和焊接性能都有一定的影响。铜元素能够在铁素体不锈钢厚壁管表面形成沉淀物,由于铁素体不锈钢厚壁管的表面被这些附着的沉淀物影响,还原性环境中材料表面阳极溶解现象被抑制,不锈钢厚壁管的表面钝性得到改善。

另外微量铜元素的添加可以一定程度上降低材料的加工硬化率。

锰元素可以对不锈钢厚壁管的氧化层粘附能力产生作用,一方面锰元素会与氧结合,这部分氧化物的热膨胀系数在铬氧化物和不锈钢厚壁管基体之间,因此锰氧化物与铬氧化物复合形成的氧化层,可以更大程度的与基体材料保持相近的热膨胀系数,防止因氧化层严重剥落而导致氧化物保护层变得不完整。另一方面锰元素与氧的结合可以降低氧化过程中铬元素的过量消耗,降低因为铬元素过量消耗而形成贫铬区的趋势。但是需要注意的是,锰元素一旦超过一定量之后,不锈钢厚壁管很容易发生异常氧化,使得表面完整性被严重破坏。

镍元素是不锈钢厚壁管常用的元素,镍元素的添加可以对材料产生许多好处,比如让材料在酸性液体中迅速产生钝化膜防止反应继续从而提高材料的耐酸蚀能力、提高不锈钢厚壁管的延展性和塑性等。但是镍的储备量较少,大量使用不利于全球资源可持续发展,另外镍元素会降低材料的耐应力腐蚀能力,因此,当今社会以锰代镍的相关研究蓬勃发展。

文章作者:不锈钢管|304不锈钢无缝管|316L不锈钢厚壁管|不锈钢小管|大口径不锈钢管|不锈钢换热管

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