不锈钢选材与应用方案.docx
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不锈钢选材与应用方案
不锈钢选材与应用蓝宝书
一、不锈钢基础知识
1.不锈钢定义
2.不锈钢的种类
3.不锈钢合金元素作用
4.不锈钢的标准
5.不锈钢的特性
二、不锈钢腐蚀及防护
1．不锈钢腐蚀机理
2．不锈钢腐蚀类型
三、不锈钢的选材
1.材料选择要求
Ø防腐要求
Ø焊接要求
Ø设备工艺要求
Ø表面粗糙度要求
Ø加工要求
2.不锈钢成本
Ø节约采购成本
Ø提高材料利用率
Ø新材料及替代材料的使用
四、不锈钢的应用及维护
1.各主要钢种具体应用领域
2.不锈钢（设备）维护
3.P287各种不锈钢的耐腐蚀性能和防护方法
Ø表面清洗方法
Ø表面钝化处理
3.不锈钢的保管及运输
Ø不锈钢的保管
Ø不锈钢的运输
五、不合理选材和使用案例
一、不锈钢基础知识
1、不锈钢定义
不锈钢是约含12%Wt以上Cr（铬）成分的铁基合金钢，具有表面华丽、耐腐蚀性强的特点，在不经任何涂料、刷漆等表面处理情况下广泛使用，代表钢种是13cr钢、18cr钢、18cr-8Ni钢。
一般情况下，把含铬量超过12%的铁基合金都称为不锈钢。
含铬量超过30%的一般称为耐热合金钢。
从金相角度分析，不锈钢的主要成分Cr在钢表面形成薄而致密的钝化保护膜，防止外界氧进入金属基体内，因此具备不易生锈的特性。
不锈钢是如何耐腐蚀的（图）
钢+>12%铬
钝化氧化保护膜
不锈钢
铬——不锈钢的基石，形成了保护性氧化膜
2、不锈钢的种类
不锈钢大体上按化学成分和金相组织分类，按化学成分可以分为Fe-Cr系和Fe-Cr-Ni系，按金相组织可以分为奥氏体系、铁素体系、马氏体系、双相系以及析出硬化系。
（1）铁素体系不锈钢
体心立方体结构
体心立方结构，耐蚀性不如奥氏体不锈钢，但其抵抗应力腐蚀开裂（SCC）的性能优越于奥氏体不锈钢；常温下具有强磁性，热处理不能硬化，具有优秀的冷延加工性（冷轧）。
铁素体不锈钢–400系列—Fe-Cr
（2）奥氏体系不锈钢
Ø优异的韧性，在低温冷冻条件下仍保持优异的塑性和成形性
Ø良好的焊接性
Ø较高热膨胀
Ø导热率较低
Ø易于冷作硬化
Ø无磁性
面心立方结构
面心立方结构，热处理不能硬化，但通过冷加工可以硬化。
代表钢种是304，18Cr-8Ni是其基本组成。
常温、高温下都为奥氏体组织，无不定性。
304钢种从熔融状态凝固成固相时，优先析出S-铁素体、常温下应该存在完全的奥氏体相组织，但是，由于成份偏析而形成部分S-铁素体，它有害于热加工。
但是加工后，由于冷加工导致形变马氏体的产生，所以经冷加工的材料，会产生部分磁性，而且随着硬化程度的增加，磁性增加。
300系列奥氏体不锈钢Fe-Cr-Ni，Fe-Cr-Ni-Mo
（3）双相不锈钢
常温下具有奥氏体和铁素体混合相，强度高，铁素体组织起着抑制应力腐蚀开裂（SCC）作用。
双相不锈钢（铁素体-奥氏体）的特性
Ø高强度
Ø良好的耐氯离子、应力腐蚀断裂性能
Ø较好的耐冲蚀腐蚀性能
Ø良好的成形性和焊接性
Ø有磁性
（4）马氏体系不锈钢
马氏体不锈钢常温下强磁性，一般来讲其耐蚀性不突出，但强度高，适用于高强度结构用钢。
高温下具有稳定的奥氏体组织，空冷或油冷条件下转变成马氏体相，常温时具有完全的马氏体组织。
400系列的另一部分，代表性牌号有410，410，431等
（5）沉淀硬化系不锈钢
基体组织可为不同种类–马氏体,铁素体，半奥氏体等；经适当热处理，在基体上通过析出碳化物和金属间化合物而不是淬火使钢强化；高硬度、高强度、低塑性；耐腐蚀能力有时接近于304不锈钢,通常较之低得多；代表性牌号17-4PH。
3、不锈钢合金元素作用
铁素体、奥氏体还是双相不锈钢？
影响不锈钢组织的两大类合金元素
奥氏体形成元素
铬、钼、硅、铌、钨
铁素体形成元素
镍、氮、锰、碳、铜
Ø形成奥氏体的能力：
Nie=%Ni+30x%C+0.5x%Mn+26x%N-0.02+2.77
Ø形成铁素体的能力：
Cre=%Cr+1.5%Si+1.4%Mo+%Nb-4.99
合金元素
作用
铬
+是形成不锈钢最重要的元素，是不锈钢表面保护性氧化膜的主要元素，没有铬就没有不锈钢。
+耐腐蚀，特别是在氧化性介质中
+显著提高高温抗氧化性和高温强度
-强碳化物和氮化物形成元素-金属间相的主要成份
镍
+促进奥氏体结构的形成，使奥氏体结构稳定化，使不锈钢具有优异的成形性、焊接性和韧性
+促进不锈钢钝化膜的稳定性，强化不锈钢的不锈耐蚀性，降低点蚀和缝隙腐蚀的扩散速率
+耐还原性酸和碱介质
+对高温抗氧化性能有益
钼
+增强不锈钢钝化膜的稳定性，提高在还原性介质如还原性酸中的耐腐蚀性
+提高在氯离子环境中的耐腐蚀性，如耐点蚀、缝隙腐蚀和氯离子应力腐蚀开裂的能力
+提高高温强度
-增加金属间相的形成
氮
+形成奥氏体
+提高耐点蚀/缝隙腐蚀能力
+提高室温和高温强度
+减小形成金属间相的倾向
-在铁素体相中形成氮化铬
铜
+提高在硫酸介质中的耐腐蚀性
+改善冷成型性
+析出硬化元素，表面抗菌性
-降低热塑性
碳
+提高高温强度
-形成碳化铬
-降低塑韧性
硫
+提高切削加工性
-由于热脆性造成的裂纹
钛、铌
+可与碳结合，防止碳化铬形成
锰
+增加氮溶解度
+抑制硫的有害作用，防止热脆性
-对不锈钢的不锈耐蚀性有负面影响
-不利于高温氧化性能
-降低钢的塑韧性
4、不锈钢标准
国标
07版国标
美标
日标
欧标
钢种
标准
钢种
钢种
标准
钢种
标准
钢种
标准
0Cr18Ni9
GB4237-92热/GB3280-92冷
06Cr18Ni10
304
ASTMA240/
ASMESA240
SUS304
JISG4305
1.4301
EN10028-7
00Cr19Ni10
GB4237-92热/GB3280-92冷
022Cr19Ni10
304L
ASTMA240/ASMESA240
SUS304L
JISG4305
1.4307
EN10028-7
1Cr18Ni9Ti
GB4237-92热/GB3280-92冷
321
ASTMA240/ASMESA240
1.4541
EN10028-7
0Cr18Ni10Ti
GB4237-92热/GB3280-92冷
06Cr18Ni11Ti
SUS321
JISG4305
00Cr17Ni14Mo2
GB4237-92热/GB3280-92冷
022Cr17Ni12Mo2
316L
ASTMA240/ASMESA240
SUS316L
JISG4305
1.4404
EN10028-7
00Cr22Ni5Mo3N
企标Q太新002-2006
022Cr22Ni5Mo3N
S31803
ASTMA240/ASMESA240
329J3L
JISG4304
1.4462
EN10028-7
0Cr25Ni20
GB4237-92热/GB3280-92冷
06Cr25Ni20
310S
ASTMA240/ASMESA240
SUS310S
JISG4305
1.4951
EN10028-7
0Cr23Ni13
GB4237-92热/GB3280-92冷
06Cr23Ni13
309S
ASTMA240/ASMESA240
SUS309S
JISG4305
1.4950
EN10028-7
00Cr19Ni13Mo3
GB4237-92热/GB3280-92冷
022Cr19Ni13Mo3
317L
ASTMA240/ASMESA240
SUS317L
JISG4305
1.4438
EN10028-7
1Cr17
GB4237-92热/GB3280-92冷
10Cr17
430
ASTMA240/ASMESA240
SUS430
JISG4305
1.4016
EN10028-7
00Cr12Ti
企标Q/TX3115-2005
409L
ASTMA240/ASMESA240
SUH409L
JISG4305
1.4512
EN10028-7
00Cr17Mo
GB3280-92冷
SUS436L
JISG4305
00Cr18Mo2
GB3280-92冷
0Cr19Mo2NbTi
444
ASTMA240/ASMESA240
SUS444
JISG4305
1.4521
EN10028-7
0Cr13
GB4237-92热/GB3280-92冷
06Cr13
410S
ASTMA240/ASMESA240
SUS410S
JISG4305
1Cr13
GB4237-92热/GB3280-92冷
12Cr13
410
ASTMA240/ASMESA240
SUS410
JISG4305
2Cr13
GB4237-92热/GB3280-92冷
20Cr13
420
ASTMA240/ASMESA240
SUS420J1
JISG4305
1.4021
EN10028-7
3Cr13
GB4237-92热/GB3280-92冷
30Cr13
SUS420J2
JISG4305
1.4028
EN10028-7
00Cr12
GB4237-92热/GB3280-92冷
022Cr12
SUS410L
JISG4305
5、不锈钢的特性
1）一般特性
不锈钢的特性可以分为物理性能，包括耐蚀性、焊接性、蠕变强度（Creep）、成型加工性，其中尤其重要的耐蚀性机理与一般碳素钢不同，它主要靠不锈钢表面形成的钝化膜来保持其表面不被锈蚀。
Cr含量达到10%以上时耐蚀性变良好。
一般来讲，奥氏体系钢种的耐蚀性最好，其次是铁素体和马氏体。
2）品质特性
A.表面品质
不锈钢薄板价格昂贵，客户对它的表面要求非常高。
但不锈钢薄板在制造过程中不可避免会出现各种各样的缺陷，如划伤、麻点、折痕、辊印、裂纹、污染等，从而影响其表面质量。
a.划伤、折痕等缺陷不管是用于餐具、锅等的高级材，还是用于钢管的低级材，表面一般都不允许存在这种缺陷。
b.麻点、辊印等缺陷由于这类缺陷在抛光时很难去掉，所以一般表面不允许出现麻点、辊印等缺陷，但这些轻微的缺陷经过研磨后可以用于建筑装饰、厨具等。
c.表面污染、色差等由于这类缺陷是表面性的，抛光后可以方便地去除，因此那些加工后需要抛光的产品不会影响其质量，像锅、钢管等用途。
d.裂纹、疤痕等缺陷由于是深度及内部的缺陷，拉伸后易开裂，因此用于变形较大的深加工用途时，这种缺陷不允许存在。
B.抛光性能（BQ性）
目前不锈钢制品在生产时一般都经过抛光这一工序（只有少数用途如热水器、饮水机内胆等不需要抛光）因此，这就要求原料具有良好的抛光性能。
影响不锈钢抛光性能的主要因素有：
a.原料表面粗度不锈钢原料表面粗度由热卷原料表面粗度、冷轧工艺、轧辊材质等因素决定。
原料粗度越大，则抛光性能越差，粗度越小，则抛光性能越好。
b.原料表面缺陷如划伤、麻点、过酸洗等，对抛光性能有不利影响。
c.原料晶粒若晶粒尺寸太大，不均匀，在深拉伸时表面易出现桔皮现象，从而影响BQ性，若晶粒尺寸小，均匀，则表面不易出现桔皮，BQ性相对好。
C.力学性能:
这里的材质是指不锈钢的力学性能，主要指硬度、屈服强度、抗拉强度、延伸率等指标。
见下表（JIS标准）：
区分
屈服强度
抗拉强度
延伸率
硬度
YS（N/mm2）
TS（（N/mm2）
EI（%）
HV
304
≥205
≥520
≥40
≤200
304L
≥175
≥480
≥40
≤200
316
≥520
≥40
≤200
316L
≥175
≥480
≥40
≤200
430
≥205
≥450
≥22
≤200
按照硬度的不同要求区分为：
DDQ材、硬材、一般材。
区分
DDQ材
一般材
硬材
EL（%）
≥53%
≥50%
≥45%
硬度
≤170
≤175
≤180
主要用途
二类餐具，保温杯，锅类等
流通用途，容器等
研磨材，钢管，机械构件等
1）.DDQ（deepdrawingquality）材
是指用于深拉（冲）用途的材料，也就是大家所说的软材，它的主要特点是延伸率较高（≥53%），硬度较低（≤170），晶粒度G/S7.0-8.0），深冲性能极佳。
目前许多生产保温瓶、二类餐具、洗涤槽等制品的企业，其产品的加工比一般都较高，有时加工比达1.98左右，SUS304DDQ材就是用于这些要求高加工比用途的产品。
当然加工比1.9以上的产品一般都需要经过几道次的拉伸才能完成，如果硬度值太高，延伸率太低的话，在加工深拉制品时产品极易开裂，影响成品合格率。
2）.硬材
是指用于钢管、研磨、机械构件等用途，硬度相对较高的材料。
这种材料的特点是延伸率相对较低（≥45%），硬度较高（≤HV180），晶粒度G/S8.5-9.0。
它主要用于不需伸拉或较小拉伸就能得到的制品。
它与DDQ材相比有一个优点，就是BQ性相对较好。
3）.一般材
主要是指硬度介于DDQ材和硬材的材料，一般使用于流通用途、电器、容器等用途。
其延伸率≥50%，硬度HV≤175，晶粒度G/S8.5左右。
a）.形状
所谓形状是指钢板的平坦度。
用途不同，对平坦度的要求也不一样，像深拉伸制品,一般对形状要求不高，平坦度≤6mm即可，而像研磨品等，则对形状要求相对较高，要求平坦度≤4mm。
JIS标准规定不锈钢不平度的最大值为20mm。
b）.厚度公差
一般来说不锈钢制品的不同，要求原料的厚度公差也各不相同，像餐具、保温杯等，由于它在加工时变形量极大，要求厚度值大一些，所以厚度公差一般要求较小，为5%左右，市场流通用途一般考虑到各方面需要，约在8%左右。
同时不锈钢制品销售对象的不同，也会导致客户对原料厚度公差要求不同。
一般出口产品客户的厚度公差要求较小，而且公差范围较窄，以保证制品质量，有的企业甚至要求为2%----3%，而内销企业相对要求厚度公差较大一些，部分客户甚至要求15%。
c）.焊接性
产品用途的不同对焊接性能的要求也各不相同。
一类餐具对焊接性能一般要求不高，但是绝大多数产品都需要原料焊接性能好，像二类餐具、保温杯、钢管、饮水机等。
SUS304钢的焊接性能能满足所有用途的需要。
d）.耐腐蚀性
绝大多数不锈钢制品要求耐腐蚀性能好，像一、二类餐具、厨具、热水器、饮水机、发酵罐等。
不经过抛光就使用的容器一般不得存在酸洗残留、氧化皮残留等缺陷。
一般304不锈钢的耐腐蚀性能较好，能满足正常用途需要。
e）.不锈钢各成分特性
区分
特性
C
晶间腐蚀敏感性增强
Si
强度、硬度增强、延伸率减少
Mn
软性和铸造性增强
P
在常温下发脆
S
拉伸强度和延伸率减少，切削性增加
Ni
耐腐蚀性和延伸率增强
Cr
耐腐蚀性增强
M0
高温强度和耐晶间腐蚀性增强
分类不锈钢的基本性能总结
（不锈钢手册P70-73）
5、腐蚀类型及其原因
影响不锈钢发生各类腐蚀的类型及其原因主要有以下几点：
（1）全面腐蚀（均匀腐蚀）
这种类型的腐蚀通常均匀地发生在与腐蚀性介质接触的整个金属表面。
基本上是由于不锈钢的性能不足以抵抗化学溶液的腐蚀，通俗地讲，就是不锈钢的“牌号”不够。
要想防止这样全面腐蚀，只能更换这种接触介质，但是对于一个成熟的工艺，这是不现实的。
因此，一般都是使用较高“牌号”的不锈钢，顺序一般为304、304L、321、316、316L。
（2）晶间腐蚀
这种形式的腐蚀最典型的实例是焊接区晶间腐蚀。
在金属焊接处开始破裂并呈龟裂纹样。
奥氏体在焊接中被加热到450-900℃时，晶间内的铬容易与碳一起沉淀出来形成碳化铬。
由于碳和铬的亲和力很大，要占用含碳量17倍的铬形成碳化物，从而显著降低不锈钢的耐腐蚀性。
为达到耐腐目的，必须控制不锈钢中的含碳量。
随着不锈钢冶炼技术的提高，可控的碳含量越来越低，一般情况下，304、316的含碳量在0.08%以下；304L、316L的含量在0.03%以下。
目前国内知名的不锈钢加工中心，可以实现对304L、316L的更精细检测，筛选出碳含量可达0.02%的材料，大幅度提升抗晶间腐蚀能力。
另外也可以使用添加对碳的亲和力比铬更强的钛（铌）的不锈钢如321，以增强铬元素的稳定性，从而提高抗晶间腐蚀能力。
（3）应力腐蚀裂纹
应力腐蚀裂纹在印染机械上并不常见，但是如果有一定的腐蚀性成分及适当的温度条件，那么在受到应力时或者残余的拉伸应力作用时，在不锈钢表面产生应力腐蚀开裂的风险就非常大了。
原因之一是大部分高温设备的内表面在加工制造后尚有一些残余内应力。
如果仅有拉伸应力而无压应力，那么随着应力的存在就会发生腐蚀裂纹。
氯化物、烧碱溶液及硫酸钠、含有一定氯离子含量的自来水都是工业上常用的溶剂，也是不锈钢的常见“杀手”。
不高于60℃的氯化钠溶液就足以在应力区域引起裂纹，而烧碱溶液中只需要20%的氢氧化钠溶液在130℃便可促使裂纹出现。
对于机械制造而言，特别是在压力容器上完全消除拉伸应力是不可能的。
因此在实际操作过程中，控制临界温度是极其重要的，消除或不使用产生氯离子的高温印染助剂是防止应力腐蚀裂纹的重要措施。
这几年，双相钢的冶炼技术突飞猛进，具备了与奥氏体同样优秀的防腐特性，已经在印染行业中加以利用。
由于双相钢具有优于奥氏体天然的强度高、应力低的特性，在某些环境下，应用双相钢可以大幅度减少应力腐蚀现象的发生，同时由于双相钢的强度较高可以降低材料的使用厚度。
（4）点腐蚀
点腐蚀是在不锈钢材料与腐蚀介质直接接触的情况下，最为常见的腐蚀类型，因此也是印染机械中最为常见的腐蚀类型。
它总是始于有氯元素存在的100℃以上温度中不锈钢钝化膜的细小破损。
一旦在不锈钢表面形成点腐蚀，隔绝了氧与金属的接触，阻止了铬的再钝化。
然后腐蚀就迅速扩散到不锈钢内部，点随之慢慢扩大，如果不加以控制，就是演变为全面腐蚀。
只要在130℃时，多达0.1克/升的氯化钠，点腐蚀就会在316不锈钢上发生。
目前国内的在染布过程中仍然会添加较多的工业氯化钠，这成为印染设备寿命较短的重要原因之一。
据笔者走访，国内采购的印染设备寿命一般为2-5年（核心部件损害），悬殊比较大，这个主要为设备使用环境不同所致。
当我们无法改善不锈钢材料的使用环境时,则从选择材料上来提高耐点蚀能力。
下面把不锈钢（有些国内尚未生产或正在试制中）按其耐点蚀能力由小到大排列起来大致可以得到下列顺序:
奥氏不锈钢:
0Cr18Ni9
0Cr18Ni10Ti
00Cr19Ni10
＜
0Cr18Ni12
Mo2Ti
0Cr17Ni12Mo2
00Cr17Ni14Mo2
0Cr17Ni12Mo2N
00Cr17Ni14Mo2N
0Cr18Ni14Mo2
Cu2N
＜
0Cr18Ni12
Mo3Ti
0Cr19Ni13
Mo3
00Cr19Ni13
Mo3
00Cr19Ni13
Mo3﹙N﹚
＜
00Cr25Ni22
Mo2N
00Cr18Ni16
Mo5﹙N﹚
00Cr20Ni25
Mo4.5Cu
＜
00Cr27Ni31
Mo4Cu
00Cr20Ni18
Mo6CuN
00Cr25Ni25
Mo5N
00Cr24Ni22Mo6
Mn3CuN
铁素体不锈钢：
0Cr13
＜
0Cr17
0Cr17Ti
＜
00Cr18Mo1
00Cr18Mo2
＜
00Cr26Mo1
＜
00Cr30Mo2
00Cr25Ni4Mo4Ti
00Cr29Ni2Mo4
α+r双相不锈钢：
00Cr18Ni5Mo3Si2
00Cr18Ni6Mo3Si2Nb（N）
＜
00Cr22Ni5Mo3N
＜
00Cr25Ni7Mo3N
00Cr25Ni7Mo3WCuN
（5）缝隙腐蚀
缝隙腐蚀是由最初形成的缝隙所引起的。
例如用螺栓将两片金属板栓接在一起，当接触到电解质溶液时，借助毛细管作用使电解质溶液吸附与两金属板之间，进而排斥了氧气。
最后腐蚀发生在缝隙之间。
如果电解质是氯化钠并被加热，那么腐蚀过程就会明显变快。
因此，在设备设计时就要避免采用存在缝隙的联结方式。
（6）电化腐蚀（电偶腐蚀）
当两种不用的金属接触在一起，并侵入电解质溶液中的时候，惰性较小的金属就成为阳极，惰性较大的金属成为阴极，而且阳极金属会不断产生离子移向阴极，使阳极金属本身被腐蚀。
（7）磨损腐蚀（P282）
二、不锈钢腐蚀及防护
1、不锈钢腐蚀机理——表面钝化膜的破坏
◆它们不像碳钢那样–不锈钢通常不会因均匀腐蚀而失效
◆它们的失效通常是特定条件下的局部腐蚀
◆“腐蚀余量”对不锈钢没有意义
不锈钢腐蚀类型
点蚀
◆不锈钢表面的小蚀坑；可由Cl-、Br-、I-引起；
◆易发生在表面缺陷处和夹杂物处等表面氧化膜的薄弱处；
◆由于蚀坑底部的环境不同于蚀坑外部环境，点蚀一旦开始常常会继续发展。
点蚀温度和氯化物浓度的影响（图）
耐点蚀当量数
以耐点蚀当量数PRE表示不锈钢耐点蚀和缝隙腐蚀能力:
PRE=%Cr+3.3X%Mo+30X%N–Mn
【注意】对于300系列不锈钢，该公式成立;对于双相不锈钢，N前面的系数是16;对于铁素体不锈钢,N是有害的；公式反映的是耐点蚀起始发生而不是耐点蚀扩散的相对能力，它忽略了夹杂物（硫化猛）、表面状态热处理等等相关因素。
一般而言PRE值较高，性能较好
（1）缝隙腐蚀
●发生于存在电解质（如潮湿）和氧不容易到达的部位
●可发生于（缝隙宽度0.025-0.1mm）金属与金属；金属与垫片；金属与塑料；沉积物下面
●驱动力是氧浓度的差异
缝隙腐蚀基本原理
避免缝隙腐蚀
解决方法:
设计时排除缝隙（密封或敞开）
保持缝隙干燥
采用耐蚀性更好的不锈钢（较高PRE值）
（3）应力腐蚀断裂（SCC）
*几乎每一种材料都可能发生应力腐蚀断裂
*在一些不锈钢上可能发生不同种类的SCC
-氯离子SCC-
-氢氧化物SCC-
-氢SCC—
-连多硫酸SCC等等
Cl-应力腐蚀断裂发生的必要条件
最常见的类型是:
奥氏体不锈钢的氯离子应力腐蚀断裂
以下三个条件必须同时存在，才会发生这种腐蚀:
•拉伸应力（在压应力下不会发生）
•温度,一般高于60°C
•氯化物
（4）微生物腐蚀
微生物腐蚀（MIC）是一种由于活细菌（微生物）与材料接触所导致的直接或间接腐蚀
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