4.2.4　不锈钢

1. 分类

不锈钢既是耐蚀材料，又是耐热材料、耐湿材料、无磁材料和耐盐材料。不锈钢是高合金钢，其耐蚀性是由于大量合金元素加入而使组织、性能发生了根本的变化。不锈钢是具有抵抗大气、水、酸、碱、盐等腐蚀作用的合金的总称，应该强调的是，所谓“不锈”只是相对的。

不锈钢依据标准的不同可分为不同类型。

（1）按化学成分不同可分为铬钢、铬镍钢、铬锰钢、铬锰镍钢、铬锰氮钢。

（2）按显微组织不同可分为奥氏体钢、铁素体钢、奥氏体-铁素体钢、马氏体钢、铁素体-马氏体钢。

（3）按用途不同可分为耐海水腐蚀不锈钢、耐点蚀不锈钢、耐应力腐蚀不锈钢、耐浓硝酸腐蚀不锈钢、高强度不锈钢、易切削不锈钢、超塑性不锈钢。

2. 耐蚀机理

不锈耐酸钢之所以耐蚀主要靠钝化，当其钝态由于各种原因而受到破坏时，钢就会受到各种形式的腐蚀，因此，钝态的形成与破坏构成了不锈钢耐蚀与不耐蚀之间的矛盾转换。

不锈钢钝化膜具有如下特点：膜很薄，厚度为1～3nm；膜的成分中富含Cr；膜的结构为尖晶石结构，w(Cr)>12%时，尖晶石结构已不明显，w(Cr)>19%时，主要为非晶态结构，w(Cr)>28%时，完全为非晶态组织。

一般钢的腐蚀发生在与腐蚀介质接触的整个界面上，而不锈钢的腐蚀往往沿着晶粒界面（晶界）进行。腐蚀开始发生于钢的表面，然后沿着晶界发展，形成微裂纹，破坏晶粒连接，甚至造成钢的断裂。

不锈钢发生腐蚀最常见的原因是碳化物析出造成贫Cr层。因为不锈钢的碳化物中含有大量的Cr，如(Fe，Cr)7C3、(Fe，Cr)27C3等，当它们在晶界处析出后，使基体含Cr量下降，产生贫Cr层，从而使钝化保护膜受到破坏。

3. 耐蚀性

1）马氏体不锈钢的耐蚀性

马氏体不锈钢是指在室温下保持马氏体显微组织的一种铬不锈钢。设计此钢种就是利用了马氏体可通过热处理进行强化的优点，使钢材适用于制造既对强度、硬度、弹性和耐磨性等力学性能要求较高，又能兼有一定耐蚀性的零部件。在含铬量相当的各种不锈钢中，马氏体不锈钢的耐蚀性较差，定位在弱腐蚀性环境中使用。因此，其合金成分简单，除Cr含量较高外，添加的提高耐蚀性的元素种类和含量均很少。

在各类不锈钢中，此类钢焊接性能较差，因此，以制作单件零部件为主，用作焊接构件的少，虽然可焊，但工件焊前要预热，焊后要处理（退火）。

由于马氏体不锈钢不耐局部腐蚀，所以在具备产生局部腐蚀的环境中，将其选作工程材料时要谨慎，以防发生腐蚀事故而遭受损失。尤其要注意合理的热处理，不然会产生晶蚀和应力腐蚀开裂倾向。

马氏体不锈钢具备高强度和耐蚀性，主要用来制造力学性能要求高而耐蚀性要求不高的零部件，可以用来制造机器零件，如蒸汽涡轮的叶片、蒸汽设备的轴和拉杆，以及在腐蚀介质中工作的零件，如活门、螺栓等。含碳量较高的钢号则适用于制造测量用具、弹簧等。

马氏体不锈钢在普通大气中耐蚀；在湿热大气和海洋大气中腐蚀较严重；在有尘粒表面的腐蚀比清洁、光亮表面的腐蚀严重；腐蚀首先从钢材表面缺陷处或尘粒沉积处发生。

总的来说，在Cr、Ni含量相当的不锈钢中，马氏体不锈钢的耐蚀性最差，奥氏体不锈钢最好，铁素体不锈钢次之。其原因是含碳量高，易析出碳化物。

2）铁素体不锈钢的耐蚀性

铁素体不锈钢以Cr为主要合金元素（含量一般为12%～30%），含碳量不大于0.25%（多数在0.12%以下），室温下的组织为铁素体，是具有体心立方晶格结构的铁基合金，是应用较早的一种不锈钢。

各类铁素体不锈钢的耐蚀性如下。

（1）Cr13型钢在含碳量低时耐蚀性好。一般在大气、淡水（自来水）、有机酸、过热蒸汽介质中是稳定的，在含有Cl-和还原性介质中的耐蚀性差，易产生局部腐蚀。

（2）Cr16～19型钢在氧化性环境中表面钝化态稳定，增加了对大气或海水的耐蚀性，所以多作为建筑材料和房屋的装饰。特点是焊接性能差（比Cr13型钢还要差）。

（3）Cr25～30型钢为纯铁素体组织，是Cr钢中耐酸腐蚀和耐热最好的钢。它易钝化，钝态更加稳定。其缺点是850℃以上晶粒急剧增大，脆性增加。

3）奥氏体不锈钢的耐蚀性

奥氏体不锈钢就是被镍或锰、氮充分合金化的，在室温下具有奥氏体组织的Fe-Cr合金。应用最为广泛的是以18-8型铬镍钢为基体的奥氏体不锈钢，占奥氏体不锈钢的70%，占全部不锈钢的50%。奥氏体不锈钢的优点是：无论在氧化性介质还是非氧化性介质中都具有很高的耐蚀性；优异的韧性、塑性和低温性能；良好的加工工艺性能；优良的焊接性能；具有非磁性；不能通过热处理（如淬火）强化，一般通过变形强化。缺点是：在含氯化物溶液中不耐应力腐蚀；易发生点蚀和缝隙腐蚀。

奥氏体不锈钢的耐蚀性主要取决于化学成分。

（1）在800℃以下，18-8型不锈钢具有很好的抗高温腐蚀性能。但是在含硫气氛中不稳定，400℃时，在含有H2S的潮湿气体中显著氧化；500～800℃时，在SO2气氛中，18-8型不锈钢容易发生晶间腐蚀。

（2）18-8型不锈钢在很宽的浓度、温度范围的硝酸中表现出很好的耐蚀性。在高浓度硝酸中是不耐蚀的，此时，该钢处于过钝化电位，发生过钝化溶解。

（3）一般奥氏体不锈钢耐稀硫酸的腐蚀，加入Mo、Cu、Si可提高钢在硫酸中的稳定性。奥氏体不锈钢在非常浓的硫酸——发烟硫酸中表现出良好的耐蚀性，因为此时浓硫酸为强氧化性酸，很容易使钢表面形成钝化膜。

（4）奥氏体不锈钢在碱中的耐蚀性相当好，而且随着镍含量的增加，其耐蚀性进一步提高。

4）奥氏体-铁素体双相不锈钢的耐蚀性

所谓双相不锈钢是指在其固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半，一般相含量少的也需要达到30%。在C含量较低的情况下，Cr含量为18%～28%，Ni含量为3%～10%，有些钢还含有Mo、Cu、Nb、Ti、N等合金元素。该类钢兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点，与铁素体不锈钢相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性，以及热导率高、具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀性能有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐点蚀性能。

双相不锈钢耐应力腐蚀性较高，且随铁素体量的增加而提高，含50%铁素体时，断裂敏感性最小。其原因是裂纹起源于奥氏体基体，一旦扩散到铁素体相时，在低压力下铁素体相内难以产生滑移，裂纹终止；但在高压力下裂纹容易贯穿，显不出双相组织的效果。奥氏体相分布在铁素体基体中时，由于存在闭锁效应，机械地阻止了裂纹的扩展。双相不锈钢焊缝区的耐蚀性主要看双相比例是否适当。如果铁素体过多，则耐缝隙腐蚀性能差。一般焊接后如果能保持奥氏体量约50%，则焊缝区耐蚀性就不会恶化。

5）沉淀硬化不锈钢的耐蚀性

沉淀硬化不锈钢分为马氏体型、半奥氏体型和奥氏体型三类。马氏体型中又分为马氏体沉淀硬化型和马氏体时效型两种，前者C含量<0.1%，加入Cu、Mo、Ti、Al等元素形成中间相或碳化物依靠时效处理产生晶格沉淀强化，Cr含量>17%、基体含有10%左右的б铁素体和少量残余奥氏体；后者要求C含量<0.03%，加入Ni、Co强化，Cr含量≥l2%，基体为高位。半奥氏体型含有大量马氏体，沉淀硬化的主要元素是A1，比马氏体沉淀硬化不锈钢有更好的综合性能；奥氏体型沉淀硬化不锈钢是用Ti、A1或Ti、P、Mo、V金属间化合物沉淀强化的。常用不锈钢的腐蚀特性如表4-7所示。