合金元素在不鏽鋼中的作用

合金元素指的是在煉金屬的時候加入一定量一種或多種的金屬或非金屬元素可以獲得材料的特殊性能，如提高強度、改善抗氧化性能、提高塑性和工藝性能等。而這些加進去的輔助性元素材料就叫作合金元素。各種元素對不鏽鋼的性能和組織的影響和作用 如下：

1.鉻（Cr）在不鏽鋼中的決定作用：決定不鏽鋼性屬的元素隻有一種，這就是鉻，每種不鏽鋼都含有一定數量的鉻。由于鉻形成的緻密、穩定的三氧化二鉻，阻止了介質對金屬機體的繼續深入腐蝕。迄今為止，還沒有不含鉻的不鏽鋼。鉻之所以成為決定不鏽鋼性能的主要元素，根本的原因是向鋼中添加鉻作為合金元素以後，促使其材料機體向有利于抵抗腐蝕破壞的方面發展。這種變化可以從以下方面得到說明：

①鉻使鐵基固溶體的電極電位提高

②鉻吸收鐵的電子使鐵鈍化，鈍化是由于陽極反應被阻止而引起金屬與合金耐腐蝕性能被提高的現象。

2.碳（C）在不鏽鋼中的兩重性

碳是工業用鋼的主要元素之一，鋼的性能與組織在很大程度上決定于碳在鋼中的含量及其分布的形式，在不鏽鋼中碳的影響尤為顯著。碳在不鏽鋼中對組織的影響主要表現在兩方面，一方面碳是穩定奧氏體的元素，并且作用的程度很大（約為鎳的30倍），另一方面由于碳和鉻的親和力很大，與鉻形成—系列複雜的碳化物。所以，從強度與耐腐燭性能兩方面來看，碳在不鏽鋼中的作用是互相矛盾的。認識了這一影響的規律，我們就可以從不同的使用要求出發，選擇不同含碳量的不鏽鋼。

例如工業中應用最廣泛的，也是最起碼的不鏽鋼——0Crl3~4Cr13這五個鋼号的标準含鉻量規定為12~14％，就是把碳要與鉻形成碳化鉻的因素考慮進去以後才決定的，目的即在于使碳與鉻結合成碳化鉻以後，固溶體中的含鉻量不緻低于11.7％這一最低限度的含鉻量。

同時，含碳量不同，強度與耐腐蝕性能也是有區别的，0Cr13~2Crl3鋼的耐腐蝕性較好但強度低于3Crl3和4Cr13鋼，多用于制造結構零件，後兩個鋼号由于含碳較高而可獲得高的強度多用于制造彈簧、刀具等要求高強度及耐磨的零件。

為了克服18－8鉻鎳不鏽鋼的晶間腐蝕，可以将鋼的含碳量降至0.03％以下，或者加入比鉻和碳親和力更大的元素（钛或铌），使之不形成碳化鉻，再如當高硬度與耐磨性成為主要要求時，我們可以在增加鋼的含碳量的同時适當地提高含鉻量，做到既滿足硬度與耐磨性的要求，又兼顧—定的耐腐蝕功能，工業上用作軸承、量具與刃具有不鏽鋼9Cr18和9Cr17MoVCo鋼，含碳量雖高達0.85~0.95％，由于它們的含鉻量也相應地提高了，所以仍保證了耐腐蝕的要求。

總的來講，目前工業中獲得應用的不鏽鋼的含碳量都是比較低的，大多數不鏽鋼的含碳量在0.1~0.4％之間，耐酸鋼則以含碳0.1~0.2％的居多。含碳量大于0.4％的不鏽鋼僅占鋼号總數的一小部分，這是因為在大多數使用條件下，不鏽鋼總是以耐腐蝕為主要目的。此外，較低的含碳量也是出于某些工藝上的要求，如易于焊接及冷變形等。

碳（C）

3.鎳（Ni）在不鏽鋼中的作用是在與鉻配合後才發揮出來的。

鎳是優良的耐腐蝕材料，也是合金鋼的重要合金化元素。鎳在鋼中是形成奧氏體的元素，但低碳鎳鋼要獲得純奧氏體組織，含鎳量要達到24％；而隻有含鎳27％時才使鋼在某些介質中的耐腐蝕性能顯著改變。所以鎳不能單獨構成不鏽鋼。但是鎳與鉻同時存在于不鏽鋼中時，含鎳的不鏽鋼卻具有許多可貴的性能。

基于上面的情況可知，鎳作為合金元素在不鏽鋼中的作用，在于它使高鉻鋼的組織發生變化，從而使不鏽鋼的耐腐蝕性能及工藝性能獲得某些改善。

4.錳（Mn）是穩定奧氏體組織元素，錳在不鏽鋼中穩定奧氏體的作用僅為鎳的二分之一。錳對于奧氏體的作用與鎳相似。但說得确切一些，錳的作用不在于形成奧氏體，而是在于它降低鋼的臨界淬火速度，在冷卻時增加奧氏體的穩定性，抑制奧氏體的分解，使高溫下形成的奧氏體得以保持到常溫。在提高鋼的耐腐蝕性能方面，錳的作用不大，如鋼中的含錳量從0到10.4%變化，也不使鋼在空氣與酸中的耐腐蝕性能發生明顯的改變。這是因為錳對提高鐵基固溶體的電極電位的作用不大，形成的氧化膜的防護作用也很低，所以工業上雖有以錳合金化的奧氏體鋼，但它們不能作為不鏽鋼使用。

近幾十年來由于鎳基耐熱合金與含鎳20％以下的熱強鋼的大量發展與應用，以及化學工業日益發展對不鏽鋼的需要量越來越大，而鎳的礦藏量較少且又集中分布在少數地區，因此在世界範圍内出現了鎳在供和需方面的矛盾。所以在不鏽鋼與許多其他合金領域（如大型鑄鍛件用鋼、工具鋼、熱強鋼等）中，特别是鎳資源比較缺乏的國家，廣泛地開展了節鎳和以其他元素代鎳的科學研究與生産實踐，在這方面研究和應用比較多的是以錳和氮來代替不鏽鋼與耐熱鋼中的鎳。

錳（Mn）

5钛（Ti）和铌（Nb）.不鏽鋼中加钛或铌是為了防止晶間腐蝕。 钛和铌都是強烈形成碳化物的元素，在不鏽鋼中會使鋼中的碳盡可能的與钛和铌結合，使碳盡量穩定地存在于固溶體中，使固溶體有足以保證耐蝕性能的鉻含量，保證鉻不沿晶界析出，也就保證了在晶界處不存在貧鉻區，有效防止不鏽鋼産生晶間腐蝕。

不鏽鋼中加入钛和铌，應注意的一個問題是，他們都是形成鐵素體元素，可能使奧氏體中産生少量鐵素體，如熱處理或使用不當，可能引起脆性，對加工性能産生不利影響。

钛（Ti）

6.钼（Mo）是形成鐵素體的元素，如果要是鋼獲得奧氏體組織，應當考慮鋼種钼的影響。因此，含钼的奧氏體不鏽鋼中都适當地提高了鎳的含量，以平衡钼的作用，在馬氏體不鏽鋼中含有钼時，熱處理應适當提高淬火溫度，以保證含钼的碳化物充分溶解。钼加入不鏽鋼中，可增強鋼的鈍化作用，從而提高鋼的耐腐蝕性能。

7.銅（Cu）是形成奧氏體的元素，但作用效果不大，對組織無顯著影響。銅能提高奧氏體的穩定性，不鏽鋼中加入銅，主要是提高在硫酸中的抗腐蝕能力，特别是與钼一起加入，效果更佳顯著。銅在沉澱硬化不鏽鋼中，因時效處理析出富銅的強化相而使鋼強化。

8.钴（Co）作為合金元素在鋼中應用不多，這是因為钴的價格高及其在其它方面（如高速鋼、硬質合金、钴基耐熱合金、磁鋼或硬磁合金等）有着更重要的用途。在一般不鏽鋼中加钴作合金元素的也不多，常用不鏽鋼如9Crl7MoVCo鋼（含1.2-1.8％钴）加钴，目的并不在于提高耐腐蝕性能而在于提高硬度，因為這種不鏽鋼的主要用途是制造切片機械刃具、剪刀及手術刀片等。

9.硼（B）：高鉻鐵素體不鏽鋼Crl7Mo2Ti鋼中加0．005％硼，可使在沸騰的65％醋酸中的耐腐蝕性能提高。加微量的硼（0.0006~0.0007％）可使奧氏體不鏽鋼的熱态塑性改善。少量的硼由于形成低熔點共晶體，使奧氏體鋼焊接時産生熱裂紋的傾向增大，但含有較多的硼（0．5~0．6％）時，反而可防止熱裂紋的産生。因為當含有0．5~0．6％的硼時，形成奧氏體－硼化物兩相組織，使焊縫的熔點降低。

10.磷（P）：在一般不鏽鋼中都是雜質元素，但其在奧氏體不鏽鋼中的危害性不像在一般鋼中那樣顯著，故含量可允許高一些，如有的資料提出可達0．06％，以利于冶煉控制。

磷（P）

11.硫（S）和硒（Se）：在一般不鏽鋼中也是常有雜質元素。但向不鏽鋼中加0.15~0.4％的硫，可提高不鏽鋼的切削性能。硫提高不鏽鋼的切削性能，是因為它們降低不鏽鋼的韌性，硫降低不鏽鋼的耐腐蝕性能，所以實際應用它們作為不鏽鋼的合金化元素的很少。

硫（S）

12氮（N）是強烈形成奧氏體的元素，可代替部分鎳。例如，在“Cr-Mn-N”系不鏽鋼中，當W(N)≦0.015%時，鋼的金屬相組織為鐵素體；W(N)=0.015%-0.33%時，鋼的金相組織為鐵素體和奧氏體，W(N)=0.58%時，則可獲得單一奧氏體，但在實際生産中，對鋼的氮的含量應嚴格控制。加氮超過一定數量時，在一般冶煉條件下，由于氮的析出和氮能促進氫的析出，使鑄件容易形成氣泡和疏松，通常氮的加入量是鋼中含Cr量的（1/75）-（1/100）。一般氮是以氮化鉻鐵或氮化錳鐵的形勢加入的。

結束語：在工業生産中常用的鋼鐵材料中可以由各種不同的化學元素約組成，對于人們在與腐蝕現象作長期鬥争的實踐而形成的不鏽鋼這一特殊鋼系列來說，最常用的元素有十幾種，除了組成鋼的基本元素鐵以外，對不鏽鋼的性能與組織影響最大的元素是：碳、鉻、鎳、錳、矽、钼、钛、铌、钛、錳、氮、銅、钴等。當各種元素共存于不鏽鋼這個統一體中時，它們的影響要比單獨存在時複雜得多，因為在這種情況下不僅要考慮各元素自身的作用，還要注意它們互相之間的影響，因此不鏽鋼的組織和性能取決于各種元素影響的總和。