En la actualidad, se conocen más de 100 elementos químicos y hay alrededor de 20 elementos químicos que se pueden encontrar en los materiales de acero comúnmente utilizados en la industria. Para el acero especial serie de acero inoxidable formada por la lucha a largo plazo de las personas contra la corrosión, hay más de una docena de elementos de uso común. Además de los elementos básicos del acero, el hierro tiene el mayor impacto en el rendimiento y la estructura del acero inoxidable.
Los elementos son carbono, cromo, níquel, manganeso, silicio, molibdeno, titanio, niobio, titanio, manganeso, nitrógeno, cobre, cobalto, etc. A excepción del carbono, silicio y nitrógeno, estos elementos son todos elementos del grupo de transición de la tabla periódica de elementos químicos.
De hecho, el acero inoxidable utilizado en la industria tiene varios o incluso una docena de elementos al mismo tiempo. Cuando conviven varios elementos en la unidad del acero inoxidable, su influencia es mucho más complicada que cuando existen solos. Dadas las circunstancias, no solo debe considerarse el papel de cada elemento en sí, sino también su influencia mutua. Por lo tanto, la estructura del acero inoxidable está determinada por la suma de la influencia de varios elementos.
El papel decisivo del cromo en el acero inoxidable
Solo hay un elemento que determina las propiedades del acero inoxidable y es el cromo. Cada tipo de acero inoxidable contiene una cierta cantidad de cromo. Hasta ahora, no existe acero inoxidable libre de cromo. La razón fundamental por la que el cromo se ha convertido en el elemento principal que determina el desempeño del acero inoxidable es que la adición de cromo como elemento de aleación al acero promueve su movimiento interno contradictorio para ayudar a resistir el daño por corrosión. Este cambio se puede explicar a partir de los siguientes aspectos:
① El cromo aumenta el potencial del electrodo de una solución sólida a base de hierro
② El cromo absorbe electrones de hierro para pasivar el hierro
La pasivación es un fenómeno en el que se mejora la resistencia a la corrosión de metales y aleaciones debido a la prevención de la reacción del ánodo. Hay muchas teorías que constituyen la pasivación de metales y aleaciones, principalmente la teoría de la película, la teoría de la adsorción y la teoría de la disposición de los electrones.
La dualidad del carbono en el acero inoxidable
El carbono es uno de los principales elementos del acero industrial. El rendimiento y la estructura del acero están determinados en gran medida por el contenido y la distribución de carbono en el acero. La influencia del carbono en el acero inoxidable es particularmente significativa. El efecto del carbono sobre la estructura del acero inoxidable se manifiesta principalmente en dos aspectos. Por un lado, el carbono es un elemento estabilizador de la austenita y tiene un gran efecto (unas 30 veces el del níquel). Por otro lado, debido a la afinidad del carbono y el cromo, Large, se formó con el cromo, una serie de carburos complejos. Por lo tanto, en términos de resistencia y resistencia a la corrosión, el papel del carbono en el acero inoxidable es contradictorio.
Conociendo la ley de esta influencia, podemos elegir acero inoxidable con diferente contenido de carbono de diferentes requisitos de uso.
Por ejemplo, el acero inoxidable más utilizado y más básico en la industria: el contenido estándar de cromo de los cinco grados de acero 0Crl3 ～ 4Cr13 está estipulado en 12 ～ 14%, que es tomar el factor de carbono y cromo en cromo. carburo. El propósito de la decisión es que, una vez que el carbono y el cromo se combinan para formar carburo de cromo, el contenido de cromo en la solución sólida no debe ser inferior al contenido mínimo de cromo del 11.7%.
Para estos cinco grados de acero, debido al diferente contenido de carbono, la fuerza y la resistencia a la corrosión también son diferentes. La resistencia a la corrosión del acero 0Cr13 ～ 2Crl3 es mejor pero la resistencia es menor que la del acero 3Crl3 y 4Cr13. Se utiliza principalmente para fabricar piezas estructurales. Los dos grados de acero pueden obtener una alta resistencia debido a su alto contenido de carbono y se utilizan principalmente en la fabricación de resortes, cuchillos y otras piezas que requieren alta resistencia y resistencia al desgaste.
Por ejemplo, para superar la corrosión intergranular del acero inoxidable al cromo-níquel 18-8, el contenido de carbono del acero se puede reducir a menos del 0.03%, o un elemento (titanio o niobio) con mayor afinidad que el cromo y el carbono. se puede agregar para evitar que se forme carbonización.
El cromo, por ejemplo, cuando la alta dureza y la resistencia al desgaste se convierten en los requisitos principales, podemos aumentar el contenido de carbono del acero mientras aumentamos adecuadamente el contenido de cromo, para cumplir con los requisitos de dureza y resistencia al desgaste, pero también tener en cuenta: fijo La función de resistencia a la corrosión del acero inoxidable 9Cr18 y 9Cr17MoVCo utilizados como cojinetes, herramientas de medición y cuchillas en la industria, aunque el contenido de carbono es tan alto como 0.85 a 0.95% debido a que su contenido de cromo se ha aumentado en consecuencia, aún garantiza la resistencia a la corrosión. Exigir.
En general, el contenido de carbono del acero inoxidable que se utiliza actualmente en la industria es relativamente bajo. La mayoría de los aceros inoxidables tienen un contenido de carbono de entre 0.1% y 0.4%, y los aceros resistentes a los ácidos tienen un contenido de carbono de 0.1% a 0.2%. El acero inoxidable con un contenido de carbono superior al 0.4% solo representa una pequeña parte del total de grados de acero. Esto se debe a que, en la mayoría de las condiciones de uso, el acero inoxidable siempre tiene como objetivo principal la resistencia a la corrosión. Además, el menor contenido de carbono también se debe a ciertos requisitos tecnológicos, como la fácil soldadura y la deformación en frío.
El papel del níquel en el acero inoxidable solo se desempeña después de que coopera con el cromo.
El níquel es un material excelente resistente a la corrosión y un elemento de aleación importante para el acero de aleación. El níquel es un elemento que forma la austenita en el acero, pero para que el acero con bajo contenido de níquel en carbono obtenga una estructura de austenita pura, el contenido de níquel debe alcanzar el 24%; y solo cuando el contenido de níquel es del 27%, el acero puede ser resistente a ciertos medios. El comportamiento frente a la corrosión cambia significativamente. Por lo tanto, el níquel no puede constituir acero inoxidable solo. Pero cuando el níquel y el cromo existen en el acero inoxidable al mismo tiempo, el acero inoxidable que contiene níquel tiene muchas propiedades valiosas.
Con base en la situación anterior, el papel del níquel como elemento de aleación en el acero inoxidable es que cambia la estructura del acero con alto contenido de cromo para que se pueda mejorar la resistencia a la corrosión y el rendimiento del proceso del acero inoxidable.
El manganeso y el nitrógeno pueden reemplazar al níquel en el acero inoxidable al cromo-níquel.
Aunque hay muchas ventajas del acero austenítico de cromo-níquel, en las últimas décadas debido al desarrollo y la aplicación a gran escala de aleaciones resistentes al calor a base de níquel y aceros resistentes al calor que contienen menos del 20% de níquel, y al creciente desarrollo de industria química, la demanda de acero inoxidable ha aumentado. Cuanto mayor es el tamaño, más pequeños son los depósitos de níquel y la distribución de la concentración en unas pocas áreas, por lo que existe una contradicción entre la oferta y la demanda de níquel en el mundo.
Por lo tanto, en los campos del acero inoxidable y muchas otras aleaciones (como el acero para piezas grandes y forjadas, acero para herramientas, acero resistente al calor, etc.), especialmente en países donde los recursos de níquel son relativamente escasos, la ciencia del ahorro de níquel y La sustitución del níquel por otros elementos se ha llevado a cabo de forma extensa. En la práctica de investigación y producción, hay más investigaciones y aplicaciones en esta área que reemplazan el níquel en el acero inoxidable y el acero resistente al calor con manganeso y nitrógeno.
El efecto del manganeso sobre la austenita es similar al del níquel. Pero para ser más precisos, el papel del manganeso no es formar austenita, sino reducir la velocidad crítica de enfriamiento del acero, aumentar la estabilidad de la austenita durante el enfriamiento, inhibir la descomposición de la austenita y hacer que se forme a altas temperaturas. La austenita se puede mantener a temperatura ambiente. Al mejorar la resistencia a la corrosión del acero, el manganeso tiene poco efecto. Por ejemplo, el contenido de manganeso en el acero cambia de 0 a 10.4% y no cambia significativamente la resistencia a la corrosión del acero en aire y ácido.
Esto se debe a que el manganeso tiene poco efecto sobre el aumento del potencial del electrodo de la solución sólida a base de hierro, y el efecto protector de la película de óxido formada también es muy bajo, por lo que aunque existen aceros austeníticos aleados con manganeso (como 40Mn18Cr4, 50Mn18Cr4WN, ZGMn13 acero, etc.), no se pueden utilizar como acero inoxidable. El papel del manganeso en la estabilización de la austenita en el acero es aproximadamente la mitad que el del níquel, es decir, el papel del 2% de nitrógeno en el acero también es estabilizar la austenita, y el papel es mayor que el del níquel.
Por ejemplo, para obtener la estructura austenítica del acero que contiene 18% de cromo a temperatura ambiente, en la industria se ha aplicado acero inoxidable con bajo contenido de níquel con manganeso y nitrógeno en lugar de acero inoxidable sin níquel y cromo-manganeso-nitrógeno sin níquel en la industria en presente, y algunos. Ha reemplazado con éxito al clásico acero inoxidable al cromo-níquel 18-8.
Se agrega titanio o niobio al acero inoxidable para evitar la corrosión intergranular.
El molibdeno y el cobre pueden mejorar la resistencia a la corrosión de ciertos aceros inoxidables.
La influencia de otros elementos en el rendimiento y la organización del acero inoxidable
Los nueve elementos principales anteriores tienen un impacto en el rendimiento y la estructura del acero inoxidable. Además de los elementos que tienen un mayor impacto en el rendimiento y la estructura del acero inoxidable, el acero inoxidable también contiene algunos otros elementos. Algunas son las mismas que el acero general en cuanto a impurezas, como silicio, azufre, fósforo, etc. Algunos se agregan para fines específicos, como cobalto, boro, selenio y elementos de tierras raras. En términos de la naturaleza principal de la resistencia a la corrosión del acero inoxidable, estos elementos no son esenciales en comparación con los nueve elementos discutidos. Aun así, no se pueden ignorar por completo porque también afectan el rendimiento y la organización del acero inoxidable. Influencia.
Silicio ”es un elemento que forma ferrita y es un elemento de impureza que a menudo se encuentra en el acero inoxidable en general.
El cobalto no se utiliza mucho como elemento de aleación en el acero. Esto se debe al alto precio del cobalto y su importancia en otros aspectos (como acero de alta velocidad, aleación dura, aleación resistente al calor a base de cobalto, acero magnético o aleación magnética dura, etc.). No hay muchas láminas de acero inoxidable comunes que agreguen cobalto como elemento de aleación. Los aceros inoxidables de uso común, como el acero 9Crl7MoVCo (que contiene 1.2-1.8% de cobalto) añaden cobalto. El propósito no es mejorar la resistencia a la corrosión sino aumentar la dureza, ya que la finalidad principal de este tipo de acero inoxidable es la fabricación de herramientas de corte de máquina rebanadora, tijeras y cuchillas quirúrgicas, etc.
Boro La adición de 0.005% de boro al acero inoxidable ferrítico con alto contenido de cromo Crl7Mo2Ti puede mejorar la resistencia a la corrosión en el ácido acético al 65% en ebullición. Agregar una pequeña cantidad de boro (0.0006 a 0.0007%) puede mejorar la plasticidad térmica del acero inoxidable austenítico. Una pequeña cantidad de boro forma un eutéctico de bajo punto de fusión, lo que aumenta la tendencia del acero austenítico a generar grietas calientes durante la soldadura, pero cuando contiene más boro (0.5 a 0.6%), puede prevenir la aparición de grietas calientes.
Porque cuando contiene 0.5 a 0.6% de boro, se forma la estructura bifásica de austenita-boruro, lo que reduce el punto de fusión de la soldadura. Cuando la temperatura de solidificación del baño fundido es más baja que la zona de semifusión, la tensión de tracción generada por el material base durante el enfriamiento estará en estado líquido. El metal de soldadura sólido no causará grietas en este momento. Incluso si se forma una grieta en el área cercana a la junta, se puede rellenar con metal de piscina líquido-sólido fundido. El acero inoxidable austenítico de cromo-níquel que contiene boro tiene aplicaciones especiales en la industria de la energía atómica.
El fósforo es un elemento de impureza en el acero inoxidable en general, pero su peligro en el acero inoxidable austenítico no es tan significativo como en el acero en general, por lo que se puede permitir que el contenido sea mayor si algunos datos sugieren que puede alcanzar el 0.06%. Favorece el control de la fundición. El contenido de fósforo de cada acero austenítico que contiene manganeso puede alcanzar el 0.06% (como el acero 2Crl3NiMn9) o incluso el 0.08% (como el acero Cr14Mnl4Ni). Usando fósforo para fortalecer el acero, el fósforo también se agrega como un elemento de aleación para el acero inoxidable endurecido por envejecimiento. El acero PH17-10P (que contiene 0.25% de fósforo) es acero PH-HNM (que contiene 0.30 fósforo) y así sucesivamente.
El azufre y el selenio también son elementos de impureza comunes en el acero inoxidable en general. Pero la adición de 0.2 a 0.4% de azufre al acero inoxidable puede mejorar el rendimiento de corte del acero inoxidable, y el selenio también tiene el mismo efecto. El azufre y el selenio mejoran el rendimiento de corte del acero inoxidable porque reducen la tenacidad del acero inoxidable. Por ejemplo, el valor de impacto del acero inoxidable al cromo-níquel 18-8 puede alcanzar los 30 kg / cm2. El valor de impacto del acero 18-8 con 0.31% de azufre (0.084% C, 18.15% Cr, 9.25% Ni) es 1.8 kg / cm²; 18 con 0.22% de selenio El valor de impacto del acero -8 (0.094% C, 18.4% Cr, 9% Ni) es 3.24 kg / cm². Tanto el azufre como el selenio reducen la resistencia a la corrosión del acero inoxidable, por lo que rara vez se utilizan como elementos de aleación de acero inoxidable.
Elementos de tierras raras Actualmente, la aplicación de elementos de tierras raras al acero inoxidable es principalmente para mejorar el rendimiento del proceso. Por ejemplo, agregar una pequeña cantidad de elementos de tierras raras al acero Crl7Ti y al acero Cr17Mo2Ti puede eliminar las burbujas causadas por el hidrógeno en el lingote de acero y reducir las grietas en la palanquilla. El acero inoxidable austenítico y austenítico-ferrítico con 0.02-0.5 % de elementos de tierras raras (aleación de cerio y lantano) puede mejorar significativamente el rendimiento de la forja. Solía haber acero austenítico que contenía 19.5% de cromo, 23% de níquel y molibdeno, cobre y manganeso. En el pasado, solo podía producir piezas fundidas debido al rendimiento del proceso de trabajo en caliente. Después de agregar elementos de tierras raras, podría enrollarse en varios perfiles.