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合金元素对锅炉防磨导流板的组织和性能影响

丰链防磨技术    2021-09-02    123

循环流化床锅炉水冷壁防磨,丰智链防磨数智化工艺方案中,其中针对材质各元素的优质化精细配比,如前所述,是极为讲究。合金元素Cr、Ni含量的微精量搭配,以及铸造工艺的纯净化控制,特别对于碳C含量的精微控制,对于合金导流板的高硬度、耐高温、耐腐蚀,以及焊接后的长周期常低温转换和高温常态化运行,防脱落,都有着精益求精的把控。

不锈钢的分类

1、按化学成分可分为:铬不锈钢、铬镍不锈钢、铬锰不锈钢、铬镍钼不锈钢以及超低碳不锈钢、高钼不锈钢、高纯不锈钢等。

2、按金相组织可分为:马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体一铁素体不锈钢等。

3、按钢的性能特点和用途分:如耐硝酸(硝酸级)不锈钢、耐硫酸不锈钢、耐点蚀不锈钢、耐应力不锈钢、高强度不锈钢等。

4、按钢的功能特点分:如低温不锈钢、无磁不锈钢、易切削不锈钢,超塑性不锈钢等。

不锈钢钢种的发展过程如下图所示

不锈钢钢种的发展过程

合金元素对不锈钢组织和性能的影响

合金元素对不锈钢组织和性能的影响

注:口——强作用,⚪——中等作用,▲——弱作用

提高不锈钢的耐蚀性的途径

(1)使不锈钢对具体使用的介质具有稳定钝化区的阳极极化曲线。

(2)提高不锈钢基体的电极电位,降低腐蚀原电池的电动势。

(3)使钢具有单相组织,减少微电池的数量。

(4)在钢表面生成稳定的保护膜,如钢中加硅、铝、铬等,在许多腐蚀和氧化的场合能形成致密的保护膜,提高钢的耐蚀性。

(5)减少或消除钢中各种不均匀现象也是提高钢耐蚀性的重要措施。

在钢中加入合金元素是实现提高耐腐蚀性的主要方法,加入不同的合金元素,可以通过一条途径或几条途径同时产生作用,使钢的耐腐蚀性提高。

合金元素对铁的极化和电极电位的影响

合金元素的种类及含量直接影响不锈钢的耐腐蚀性,合金元素的作用首先是对铁的极化性能和电极电位的影响。

合金元素对铁的极化性能的影响

常用的Fe、Cr、Ni、Ti等金属的阳极极化过程具有独特的极化形式。阳极通路后,阳极电位升高,阳极电流(腐蚀速度)随之变化,几乎有着相同的规律,极化曲线的典型形式如下图所示。随着阳极极化电位的升高,腐蚀电流不是均匀的降低,而是先增加,然后减少到最小,并保持这个电流经一定的电位升高阶段,然后电流再增加。这类极化曲线称为具有活化、钝化转变的阳极极化曲线,并把这类曲线分为3个区域:活化区(A)、钝化区(B)、过钝化区(T)。

具有活化、钝化转变金属的阳极极化曲线

具有活化、钝化转变金属的阳极极化曲线

极化作用对提高金属的耐腐蚀性意义很大,增强阳极极化或阴极极化的因素,都能提高金属的耐腐蚀性;去阳极极化或去阴极极化的因素,都将降低金属的耐腐蚀性。不同的合金元素对铁的极化性能影响不同。扩大钝化区的元素,即降低Ecp、P区电位和升高Er点电位的元素都提高钢的耐蚀性;凡使钝化性能增强,即Icp、I1点位置左移的元素,都会减小腐蚀电流,改善耐蚀性。凡使Er点电位升高的元素都有降低点腐蚀倾向,因为Er点电位低时,当电位在过钝化电位附近波动时,容易导致钝化膜局部击穿,产生点蚀。钢中常用的合金元素中,Cr元素能够强烈地提高纯铁的钝化性能,可以使Ecp、Ep、Er点电位升高,Icp、I1点位置左移,Cr是改善铁的耐蚀性最有效的元素。合金元素Ni、Si、Mo等也能不同程度的扩大钝化区,增强钝化性能。Mo不仅能增强铁的钝化性能,还能升高Er点的电位,从而提高铁的抗点蚀性能。

 对铁的电极电位的影响

一般金属固溶体的电极电位总是比其他化合物的电极电位低,所以在腐蚀过程中,金属固溶体总是作为阳极而被腐蚀。提高铁的电极电位,即可提高耐蚀性。

研究表明,当Cr加入铁中形成固溶体时,铁固溶体的电极电位能显著提高,如下图所示。材料电极电位的提高,可使材料的耐蚀性得到明显改善。

铬对Fe-Cr合金电极电位的影响

铬对Fe-Cr合金电极电位的影响

由于铬对铁钝化性能和电极电位的良好作用,使铬成为各种不锈钢的主要合金化元素。

合金元素对不锈钢耐蚀性和基体组织的影响

不锈钢的基体组织是获得所需力学性能和工艺性能的保证,而更重要的是具有良好的耐蚀性的保证。单相铁素体钢、单相奥氏体钢是不锈钢中耐蚀性较好的两类钢。合金元素对基体组织的影响首先取决于合金元素是铁素体(α)稳定剂还是奥氏体(γ)稳定剂。α稳定剂的元素占优势可获得单相α不锈钢;反之则获得单相γ不锈钢。

合金元素对不锈钢耐腐蚀性的影响

铬是决定不锈钢耐蚀性的主要元素,当铬含量(原子比)达到1/8、2/8….时,铁的电极电位就跳跃式地增加,耐蚀性也随之提高。铬元素是α稳定化元素。铬的氧化物比较致密,可形成耐蚀的保护膜。

碳能强烈地稳定奥氏体,稳定奥氏体的能力约为Ni的30倍;同时,又是不锈钢强化的主要元素;碳与铬能形成一系列碳化物,使不锈钢的耐蚀性受到严重影响;同时碳会使不锈钢的加工性能和焊接性能变坏,使铁素体不锈钢变脆,因此在不锈钢的生产中和开发中,碳的应用和控制是一项重要的工作。

碳和铬的配合对形成不锈钢组织的影响如下图所示。图中表明,在含碳量较低,含铬量较高时,会获得铁素体组织;当含碳量较高,含铬量较低时,会得到马氏体组织。在铬不锈钢中,当含铬量在17%以下时,随着含碳量的增加,可以获得基体为马氏体的不锈钢。当含碳量较低,含铬量在13%时,就可以获得铁素体不锈钢。当含铬量从13%增加到27%时,由于铬含量增加,稳定铁素体的能力增加,钢中碳含量相应的增加(从0.05%到0.2%),仍能保持铁素体基体。

碳和铬的配合对不锈钢组织的影响

碳和铬的配合对不锈钢组织的影响

镍是不锈钢中3个重要元素之一,镍能够提高不锈钢的耐蚀性;镍还是γ相稳定化元素,是不锈钢中获得单相奥氏体和促进奥氏体形成的主要元素。镍能有效地降低Ms点,使奥氏体能保持到很低的温度(-50℃以下)不发生马氏体转变。

镍含量的增加会降低C、N在奥氏体钢中的溶解度,从而使碳氮化合物脱溶析出的倾向增加。随着镍含量的提高,产生晶间腐蚀的临界含碳量降低,即钢的晶间腐蚀敏感性增加。镍对奥氏体不锈钢的耐点腐蚀及缝隙腐蚀的影响并不显著。此外,镍还可以提高奥氏体不锈钢的高温抗氧化性能,这主要与镍改善铬的氧化膜的成分、结构和性能有关,但镍的存在会降低钢的抗高温硫化性能。

锰是比较弱的奥氏体形成元素,但具有强烈稳定奥氏体组织的作用。锰在奥氏体不锈钢中部分替代Ni,2%Mn相当1%Ni。锰也能提高铬不锈钢在有机酸如醋酸、甲酸和乙醇酸中的耐蚀性,而且比镍更有效。当钢中Cr含量大于14%时,仅靠加入Mn无法获得单一的奥氏体组织。由于不锈钢中Cr含量大于17%时才有比较好的耐蚀性,因此工业上已应用的Mn代Ni的奥氏体不锈钢主要是Fe-Cr-Mn-Ni-N型钢,如12Cr18Mn9Ni5N等,而无镍的Fe-Cr-Mn-N奥氏体不锈钢的用量较少。

氮元素在早期主要用于Cr-Mn-N和Cr-Mn-Ni-N奥氏体不锈钢中,以节约Ni元素。近年来氮已经成为Cr-Ni奥氏体不锈钢的重要合金元素。

在奥氏体不锈钢中加入氮,可以稳定奥氏体组织,提高强度、耐腐蚀性能,特别是局部耐腐蚀性能,如耐晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等。在普通低碳、超低碳奥氏体不锈钢中,可以改善抗晶间腐蚀性能,其原因是氮影响敏化处理时碳化铬的析出过程,提高了晶界的铬浓度。在高纯奥氏体不锈钢中,没有碳化铬的沉淀析出。此时氮的作用有:一是氮增加钝化膜的稳定性,降低平均腐蚀率;二是含氮高的钢中虽有氮化铬析出,但氮化铬的沉淀速度很慢,敏化处理不会造成晶间贫铬,对晶间腐蚀影响很小。氮对磷在晶界偏聚有抑制作用,可以提高钢的耐晶间腐蚀作用。

目前应用的含氮奥氏体不锈钢主要以耐腐蚀为主,同时具有较高的强度;可以分为控氮型、中氮型和高氮型3种类型。控氮型是在超低碳(C≤0.02%~0.03%)Cr-Ni奥氏体不锈钢中加入0.05%~0.10%N,用以提高钢的强度,同时优化钢的耐晶间腐蚀和耐应力腐蚀性能;中氮型含有0.10%~0.50%N,在正常大气压条件下冶炼和浇注;高氮型氮含量在0.40%以上,一般在增加压力的条件下冶炼和浇注,主要在固溶态或半冷加工态下使用,既具有高强度,又有耐腐蚀性。目前氮含量达到0.8%~1.0%水平的高氮奥氏体钢已获得实际应用并开始工业化生产。

钛、铌、钼及稀土元素

钛和铌是强碳化物形成元素,可优先于铬同碳形成碳化物,防止晶间腐蚀,提高耐蚀性。钛和铌的加入必须与钢中的碳保持一定的比例。

钼能提高不锈钢的钝化能力,扩大其钝化介质范围,如在热硫酸、稀盐酸、磷酸和有机酸中。含钼的钝化膜在许多介质中具有很高的稳定性,不易溶解。可防止Cl-对钝化膜的破坏,所以含钼不锈钢具有抗点腐蚀的能力。

稀土元素如Ce、La、Y等加入到不锈钢中,可以微量固溶在基体中,净化晶界,变质夹杂物,均匀组织,减少析出物的析出及在晶界的偏聚,从而改善钢的耐腐蚀性和力学性能。

合金元素对不锈钢组织的影响

合金元素对不锈钢基体组织的影响可分为两大类:铁素体形成元素,如铬、铂、硅、钛、铌等;奥氏体形成元素,如碳、氮、镍、锰、铜等。当这两类作用不同的元素同时加入钢中时,不锈钢的组织就取决于它们的综合作用。为简单处理,将铁素体形成元素的作用折算成铬的作用,称为铬当量[Cr],而把奥氏体形成元素折成镍的作用,称为镍当量[Ni]。根据铬当量[Cr]和镍当量[Ni]制成图来表示钢的实际成分和所得到的组织状态,如下图所示。

不锈钢组织状态图

图 不锈钢组织状态图

由图可以看出12Cr18Ni9钢处于A相区,是奥氏体不锈钢;Cr28不锈钢处于铁素体相区,是铁素体不锈钢;30Cr13不锈钢处于马氏体相区,是马氏体不锈钢。要获得单相奥氏体组织,这两类合金元素必须达到某种平衡,否则钢中就会出现一定量的铁素体组织,成为复相组织。

合金成分、组织对不锈钢机械性能的影响

不锈钢的强化机制

不锈钢的强化机制广泛地采用固溶强化,此外还有相变强化、第二相强化、细化晶粒强化、沉淀强化和亚结构强化等。如下图所示为在8%~10%Ni奥氏体不锈钢中各种强化机制对屈服强度的贡献。

图中表面:铬、硅、碳提供了基体的固溶强化,使奥氏体基体的屈服应力提高数倍;其次是α铁素体第二相的存在和晶粒尺寸的细化、沉淀相析出,均使奥氏体获得大幅度强化。

图中显示了在奥氏体不锈钢中,固溶强化是重要的强化机制,而晶粒细化对强度的贡献最大。

影响奥氏体不锈钢强度的因素

图 影响奥氏体不锈钢强度的因素

各类不锈钢的强度和塑性

各类不锈钢由于成分和组织状态不同,性能也不同,各类不锈钢的强度和塑性比较如下图所示。

在所有的不锈钢中奥氏体不锈钢塑性最好,沉淀硬化不锈钢的强度最高。马氏体不锈钢具有较好的综合机械性能,即具有较高的强度和一定的延展性。

铁素体+奥氏体双相不锈钢的强度较高、延展性也较好;铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢的强度性能相近,但后者的延展性远较其他各类不锈钢为高。(图中为了比较还列有纯铁的曲线)。

腐蚀介质对不锈钢耐蚀性的影响

金属的耐蚀性不仅与金属材料本身有关,还与腐蚀介质的种类、浓度、温度及压力等腐蚀环境的条件有关。在实际的应用中,腐蚀介质的氧化能力影响最大,因此要根据工作介质的特点来正确选择使用不锈钢的钢种。

在大气、水、水蒸气等弱腐蚀介质中,只要不锈钢基体固溶的Cr含量大于13%,就能够保证不锈钢的耐蚀性。如水压机阀门、蒸汽发电机透平叶片、水蒸气管道等部件。

在氧化性介质中,如硝酸,硝酸的NO3-具有强的氧化性,不锈钢表面的氧化膜容易形成,钝化时间短。但酸中的H+是阴极去极化剂,随着H+浓度的增加,阴极的去极化作用加强,钝化所需要的铬含量也增加,因此只有含高铬的氧化膜在硝酸中才具有很好的稳定性。在沸腾的硝酸中,12Cr13不锈钢不耐蚀,铬含量为17%~30%的Cr17、Cr30钢在浓度为0%~65%范围内的硝酸中是耐蚀的。

在非氧化性介质中,如稀硫酸、盐酸、有机酸,这类腐蚀介质的含氧量低,钝化所需时间要延长。当介质中含氧量低到一定程度时,不锈钢就不能钝化。如在稀硫酸中,由于介质中SO42-不是氧化剂,且溶于介质中的氧含量比较低,基本上没有使钢钝化的能力,铬不锈 钢的腐蚀速度甚至比碳钢还快,所以一般的Cr不锈钢或Cr-Ni不锈钢难以达到钝化状态,因而不耐腐蚀。因此,在这类介质中工作的不锈钢需要加入提高钢钝化能力的元素,如钼、铜等元素。盐酸也是非氧化性酸,不锈钢在其中也不耐腐蚀,一般需采用Ni-Mo合金,在合金表面生成稳定的保护膜,保证合金不被腐蚀。

在强有机酸中,由于介质中氧含量低,同时又有H+存在,一般铬和铬镍不锈钢难以钝化,必须在钢中加入Mo、Cu、Mn等元素,提高不锈钢的钝化能力。所以选择Cr-Mn型不锈钢较好,在此基础上再加入一定量的Mo、Cu使钢容易钝化,耐腐蚀。

在含有Cl-的介质中,Cl-容易破坏不锈钢表面的氧化膜,穿过氧化膜并与钢表面起作用,使钢产生点腐蚀。因此海水对不锈钢有很大的腐蚀性。实际上,还没有哪一种不锈钢能够抵抗所有介质的腐蚀。所以必须根据具体的腐蚀环境,结合各类不锈钢的特点,综合考虑选择不锈钢。

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