Der Einfluss verschiedener Elemente auf Edelstahl

Derzeit sind mehr als 100 chemische Elemente bekannt, und etwa 20 chemische Elemente können in Stahlmaterialien angetroffen werden, die üblicherweise in der Industrie verwendet werden. Für die Spezialstahl In der Edelstahlserie, die durch den langjährigen Kampf der Menschen gegen Korrosion entstanden ist, werden häufig mehr als ein Dutzend Elemente verwendet. Neben den Grundelementen von Stahl hat Eisen den größten Einfluss auf die Leistung und Struktur von Edelstahl.

Die Elemente sind Kohlenstoff, Chrom, Nickel, Mangan, Silizium, Molybdän, Titan, Niob, Titan, Mangan, Stickstoff, Kupfer, Kobalt usw. Mit Ausnahme von Kohlenstoff, Silizium und Stickstoff gehören alle diese Elemente zur Übergangsgruppe von das Periodensystem der chemischen Elemente.

Tatsächlich besteht der in der Industrie verwendete Edelstahl aus mehreren oder sogar einem Dutzend Elementen gleichzeitig. Wenn mehrere Elemente in der Einheit von Edelstahl koexistieren, ist ihr Einfluss viel komplizierter als wenn sie einzeln existieren. Unter diesen Umständen muss nicht nur die Rolle jedes Elements selbst berücksichtigt werden, sondern auch deren gegenseitige Beeinflussung. Daher wird die Struktur von Edelstahl durch die Summe des Einflusses verschiedener Elemente bestimmt.

1. Die entscheidende Rolle von Chrom in Edelstahl

Es gibt nur ein Element, das die Eigenschaften von Edelstahl bestimmt, und das ist Chrom. Jede Edelstahlsorte enthält eine bestimmte Menge Chrom. Bisher gibt es keinen chromfreien Edelstahl. Der Hauptgrund dafür, dass Chrom zum Hauptelement geworden ist, das die Leistung von rostfreiem Stahl bestimmt, liegt darin, dass die Zugabe von Chrom als Legierungselement zu Stahl dessen innere widersprüchliche Bewegung fördert und so Korrosionsschäden verhindert. Diese Änderung lässt sich aus folgenden Aspekten erklären:

① Chrom erhöht das Elektrodenpotential einer festen Lösung auf Eisenbasis

②Chrom absorbiert Eisenelektronen, um Eisen zu passivieren

Passivierung ist ein Phänomen, bei dem die Korrosionsbeständigkeit von Metallen und Legierungen durch die Verhinderung einer Anodenreaktion verbessert wird. Es gibt viele Theorien zur Passivierung von Metallen und Legierungen, darunter hauptsächlich die Filmtheorie, die Adsorptionstheorie und die Theorie der Elektronenanordnung.

2. Die Dualität von Kohlenstoff in Edelstahl

Kohlenstoff ist eines der Hauptelemente von Industriestahl. Die Leistung und Struktur von Stahl werden weitgehend durch den Gehalt und die Verteilung des Kohlenstoffs im Stahl bestimmt. Besonders groß ist der Einfluss von Kohlenstoff in Edelstahl. Der Einfluss von Kohlenstoff auf die Struktur von Edelstahl zeigt sich hauptsächlich in zwei Aspekten. Einerseits ist Kohlenstoff ein Element, das Austenit stabilisiert und eine große Wirkung hat (etwa 30-mal so viel wie Nickel). Andererseits bildete sich aufgrund der Affinität von Kohlenstoff und Chrom mit Chrom eine Reihe komplexer Karbide. Daher ist die Rolle von Kohlenstoff in Edelstahl hinsichtlich Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit widersprüchlich.

Wenn wir das Gesetz dieses Einflusses kennen, können wir Edelstahl mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt für unterschiedliche Anwendungsanforderungen auswählen.

Zum Beispiel der am weitesten verbreitete und einfachste Edelstahl der Industrie – der Standard-Chromgehalt der fünf Stahlsorten 0Crl3~4Cr13 wird mit 12~14% festgelegt, was den Faktor Kohlenstoff und Chrom in Chrom umrechnen soll Karbid. Zweck der Entscheidung ist, dass nach der Verbindung von Kohlenstoff und Chrom zu Chromcarbid der Chromgehalt im Mischkristall den Mindestchromgehalt von 11.7 % nicht unterschreiten darf.

Bei diesen fünf Stahlsorten sind aufgrund des unterschiedlichen Kohlenstoffgehalts auch die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit unterschiedlich. Die Korrosionsbeständigkeit von 0Cr13~2Cr3-Stahl ist besser, aber die Festigkeit ist geringer als die von 3Cr3- und 4Cr13-Stahl. Es wird hauptsächlich zur Herstellung von Strukturteilen verwendet. Die beiden Stahlsorten können aufgrund ihres hohen Kohlenstoffgehalts eine hohe Festigkeit erreichen und werden hauptsächlich bei der Herstellung von Federn, Messern und anderen Teilen verwendet, die eine hohe Festigkeit und Verschleißfestigkeit erfordern.

Um beispielsweise die interkristalline Korrosion von 18-8 Chrom-Nickel-Edelstahl zu überwinden, kann der Kohlenstoffgehalt des Stahls auf weniger als 0.03 % oder auf ein Element (Titan oder Niob) mit einer höheren Affinität als Chrom und Kohlenstoff reduziert werden kann hinzugefügt werden, um eine Karbonisierung zu verhindern.

Chrom beispielsweise, wenn hohe Härte und Verschleißfestigkeit zu den Hauptanforderungen werden, können wir den Kohlenstoffgehalt von Stahl erhöhen und gleichzeitig den Chromgehalt entsprechend erhöhen, um die Anforderungen an Härte und Verschleißfestigkeit zu erfüllen, aber auch feste Faktoren berücksichtigen Die Korrosionsbeständigkeitsfunktion von Edelstahl 9Cr18 und 9Cr17MoVCo, die in der Industrie als Lager, Messwerkzeuge und Klingen verwendet werden, garantiert trotz des Kohlenstoffgehalts von 0.85 bis 0.95 %, da ihr Chromgehalt entsprechend erhöht wurde, dennoch Korrosionsbeständigkeit. Erfordern.

Im Allgemeinen ist der Kohlenstoffgehalt des derzeit in der Industrie verwendeten Edelstahls relativ niedrig. Die meisten rostfreien Stähle haben einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0.1 % und 0.4 %, und säurebeständige Stähle haben einen Kohlenstoffgehalt von 0.1 % bis 0.2 %. Edelstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 0.4 % macht nur einen kleinen Teil der gesamten Stahlsorten aus. Dies liegt daran, dass der Hauptzweck von Edelstahl unter den meisten Einsatzbedingungen immer die Korrosionsbeständigkeit ist. Darüber hinaus ist der geringere Kohlenstoffgehalt auch auf bestimmte technologische Anforderungen zurückzuführen, beispielsweise auf die einfache Schweißbarkeit und Kaltverformung.

3. Die Rolle von Nickel in Edelstahl spielt sich erst ab, nachdem es mit Chrom zusammenwirkt

Nickel ist ein hervorragend korrosionsbeständiges Material und ein wichtiges Legierungselement für legierten Stahl. Nickel ist ein Element, das in Stahl Austenit bildet. Damit kohlenstoffarmer Nickelstahl jedoch eine reine Austenitstruktur erhält, muss der Nickelgehalt 24 % erreichen. Und erst ab einem Nickelgehalt von 27 % ist der Stahl gegen bestimmte Medien beständig. Das Korrosionsverhalten verändert sich deutlich. Daher kann Nickel allein kein rostfreier Stahl sein. Wenn jedoch gleichzeitig Nickel und Chrom in Edelstahl vorhanden sind, weist nickelhaltiger Edelstahl viele wertvolle Eigenschaften auf.

Basierend auf der obigen Situation besteht die Rolle von Nickel als Legierungselement in Edelstahl darin, dass es die Struktur von Stahl mit hohem Chromgehalt verändert, sodass die Korrosionsbeständigkeit und Prozessleistung von Edelstahl verbessert werden können.

4. Mangan und Stickstoff können Nickel in Chrom-Nickel-Edelstahl ersetzen

Obwohl der austenitische Chrom-Nickel-Stahl in den letzten Jahrzehnten viele Vorteile bietet, ist dies auf die groß angelegte Entwicklung und Anwendung von hitzebeständigen Legierungen auf Nickelbasis und hitzefesten Stählen mit weniger als 20 % Nickel sowie der zunehmenden Entwicklung zurückzuführen In der chemischen Industrie ist die Nachfrage nach Edelstahl gestiegen. Je größer die Größe, desto kleiner sind die Nickelvorkommen und die Konzentrationsverteilung in einigen wenigen Gebieten, sodass ein Widerspruch zwischen Angebot und Nachfrage von Nickel auf der Welt besteht.

Daher ist in den Bereichen Edelstahl und viele andere Legierungen (wie Stahl für große Guss- und Schmiedeteile, Werkzeugstahl, warmfester Stahl usw.), insbesondere in Ländern mit relativ knappen Nickelressourcen, die Wissenschaft der Einsparung von Nickel und das Ersetzen von Nickel durch andere Elemente wurde umfassend durchgeführt. In Forschung und Produktionspraxis gibt es auf diesem Gebiet immer mehr Forschungen und Anwendungen, die Nickel in Edelstahl und hitzebeständigen Stählen durch Mangan und Stickstoff ersetzen.

Mangan wirkt auf Austenit ähnlich wie Nickel. Genauer gesagt besteht die Rolle von Mangan nicht darin, Austenit zu bilden, sondern die kritische Abschreckrate von Stahl zu reduzieren, die Stabilität des Austenits beim Abkühlen zu erhöhen, die Zersetzung von Austenit zu hemmen und ihn bei hohen Temperaturen bilden zu lassen. Der Austenit kann bei Raumtemperatur gehalten werden. Bei der Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von Stahl hat Mangan eine geringe Wirkung. Zum Beispiel ändert sich der Mangangehalt in Stahl von 0 auf 10.4 % und die Korrosionsbeständigkeit von Stahl in Luft und Säure ändert sich nicht wesentlich.

Dies liegt daran, dass Mangan nur einen geringen Einfluss auf die Erhöhung des Elektrodenpotentials einer festen Lösung auf Eisenbasis hat und die Schutzwirkung des gebildeten Oxidfilms ebenfalls sehr gering ist. Daher gibt es zwar mit Mangan legierte austenitische Stähle (wie 40Mn18Cr4, 50Mn18Cr4WN, ZGMn13). Stahl usw.) können sie nicht als Edelstahl verwendet werden. Die Rolle von Mangan bei der Stabilisierung von Austenit in Stahl ist etwa halb so groß wie die von Nickel, d. h. die Rolle von 2 % Stickstoff in Stahl stabilisiert auch Austenit, und diese Rolle ist größer als die von Nickel.

Um beispielsweise die austenitische Struktur von Stahl mit 18 % Chrom bei Raumtemperatur zu erhalten, werden in der Industrie rostfreier Stahl mit niedrigem Nickelgehalt und Mangan und Stickstoff anstelle von Nickel und nickelfreiem Chrom-Mangan-Stickstoff-Edelstahl verwendet vorhanden, und einige Es hat den klassischen 18-8 Chrom-Nickel-Edelstahl erfolgreich ersetzt.

5. Edelstahl wird Titan oder Niob zugesetzt, um interkristalline Korrosion zu verhindern.

6. Molybdän und Kupfer können die Korrosionsbeständigkeit bestimmter Edelstähle verbessern.

7. Der Einfluss anderer Elemente auf die Leistung und Organisation von Edelstahl

Die oben genannten neun Hauptelemente haben Einfluss auf die Leistung und Struktur von Edelstahl. Zusätzlich zu den Elementen, die einen größeren Einfluss auf die Leistung und Struktur von Edelstahl haben, enthält Edelstahl auch einige andere Elemente. Einige sind mit allgemeinem Stahl identisch, da sie Verunreinigungen enthalten, wie z. B. Silizium, Schwefel, Phosphor usw. Einige werden für bestimmte Zwecke hinzugefügt, beispielsweise Kobalt, Bor, Selen und Seltenerdelemente. Im Hinblick auf die Haupteigenschaften der Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl sind diese Elemente im Vergleich zu den neun besprochenen Elementen nicht wesentlich. Dennoch können sie nicht völlig ignoriert werden, da sie sich auch auf die Leistung und Organisation von Edelstahl auswirken. Beeinflussen.

„Silizium“ ist ein Element, das Ferrit bildet, und ein Verunreinigungselement, das häufig in allgemeinem Edelstahl vorkommt.

Kobalt wird nicht häufig als Legierungselement in Stahl verwendet. Dies ist auf den hohen Preis von Kobalt und seine Bedeutung in anderen Bereichen (wie Schnellarbeitsstahl, Hartlegierung, hitzebeständige Legierung auf Kobaltbasis, magnetischer Stahl oder hartmagnetische Legierung usw.) zurückzuführen. Es gibt nicht viele gängige Edelstahlbleche, denen Kobalt als Legierungselement zugesetzt ist. Häufig verwendete Edelstähle wie 9Crl7MoVCo-Stahl (mit 1.2–1.8 % Kobalt) enthalten Kobalt. Der Zweck besteht nicht darin, die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern, sondern die Härte zu erhöhen, da der Hauptzweck dieser Art von Edelstahl in der Herstellung von Schneidwerkzeugen für Schneidemaschinen, Scheren und chirurgischen Klingen usw. besteht.

Bor Der Zusatz von 0.005 % Bor zum ferritischen Edelstahl Crl7Mo2Ti mit hohem Chromgehalt kann die Korrosionsbeständigkeit in kochender 65 %iger Essigsäure verbessern. Die Zugabe einer kleinen Menge Bor (0.0006 bis 0.0007 %) kann die thermische Plastizität von austenitischem Edelstahl verbessern. Eine kleine Menge Bor bildet ein Eutektikum mit niedrigem Schmelzpunkt, was die Neigung von austenitischem Stahl zur Bildung von Heißrissen beim Schweißen erhöht. Wenn es jedoch mehr Bor (0.5 bis 0.6 %) enthält, kann es das Auftreten von Heißrissen verhindern.

Denn wenn es 0.5 bis 0.6 % Bor enthält, bildet sich das zweiphasige Austenit-Borid-Gefüge, das den Schmelzpunkt der Schweißnaht senkt. Wenn die Erstarrungstemperatur des Schmelzbades niedriger als die Halbschmelzzone ist, liegt die vom Grundmaterial beim Abkühlen erzeugte Zugspannung im flüssigen Zustand vor. Das feste Schweißgut verursacht zu diesem Zeitpunkt keine Risse. Selbst wenn sich im fugennahen Bereich ein Riss bildet, kann dieser mit flüssig-festem geschmolzenem Metall gefüllt werden. Der borhaltige austenitische Chrom-Nickel-Edelstahl findet spezielle Anwendungen in der Atomenergieindustrie.

Phosphor ist ein Verunreinigungselement in allgemeinem Edelstahl, seine Gefährdung ist jedoch in austenitischem Edelstahl nicht so groß wie in allgemeinem Stahl, daher kann der Gehalt höher sein, wenn einige Daten darauf hindeuten, dass er 0.06 % erreichen kann. Fördert die Schmelzkontrolle. Der Phosphorgehalt einzelner manganhaltiger austenitischer Stähle kann 0.06 % (z. B. 2Crl3NiMn9-Stahl) oder sogar 0.08 % (z. B. Cr14Mnl4Ni-Stahl) erreichen. Bei der Verwendung von Phosphor zur Verstärkung von Stahl wird Phosphor auch als Legierungselement für die Aushärtung von rostfreiem Stahl hinzugefügt. PH17-10P-Stahl (mit 0.25 % Phosphor) ist PH-HNM-Stahl (mit 0.30 Phosphor) und so weiter.

Schwefel und Selen sind ebenfalls häufige Verunreinigungselemente in allgemeinem Edelstahl. Aber auch die Zugabe von 0.2 bis 0.4 % Schwefel zu Edelstahl kann die Schneidleistung von Edelstahl verbessern, und auch Selen hat den gleichen Effekt. Schwefel und Selen verbessern die Schneidleistung von Edelstahl, da sie die Zähigkeit von Edelstahl verringern. Beispielsweise kann die Schlagfestigkeit von 18-8 Chrom-Nickel-Edelstahl 30 kg/cm2 erreichen. Der Schlagzähigkeitswert von 18-8-Stahl mit 0.31 % Schwefel (0.084 % C, 18.15 % Cr, 9.25 % Ni) beträgt 1.8 kg/cm²; 18 mit 0.22 % Selen Der Schlagzähigkeitswert von -8-Stahl (0.094 % C, 18.4 % Cr, 9 % Ni) beträgt 3.24 kg/cm². Sowohl Schwefel als auch Selen verringern die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl und werden daher selten als Legierungselemente für Edelstahl verwendet.

Seltenerdelemente Die Anwendung von Seltenerdelementen auf Edelstahl dient derzeit hauptsächlich der Verbesserung der Prozessleistung. Beispielsweise kann die Zugabe einer kleinen Menge seltener Erdelemente zu Crl7Ti-Stahl und Cr17Mo2Ti-Stahl die durch Wasserstoff verursachten Blasen im Stahlbarren beseitigen und die Risse im Barren reduzieren. Austenitischer und austenitisch-ferritischer Edelstahl mit 0.02–0.5 % Seltenerdelementen (Cer-Lanthan-Legierung) können die Schmiedeleistung deutlich verbessern. Früher gab es austenitischen Stahl mit 19.5 % Chrom, 23 % Nickel und Molybdän, Kupfer und Mangan. In der Vergangenheit konnten aufgrund der Leistung des Warmumformprozesses nur Gussteile hergestellt werden. Nach Zugabe von Seltenerdelementen konnte es in verschiedene Profile gewalzt werden.

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