不锈钢选材和使用设计指南.doc
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1、不锈钢选材和使用设计指南(美国)不锈钢选材和使用设计指南译者著:本文译自北美特殊钢工业编印的Deisign guidelines for the selection and use of stainless steel。主要介绍美国的不锈钢概况,供使用者参考,特别是对不锈钢选材和设计有很好的帮助。美国的不锈钢牌号已被世界上许多国家所采用,特别是日本、韩国、英国,基本上采用了美国的不锈钢体系,我国的不锈钢标准从1984年以来,参照采用了日本标准制订,基本上与美国的不锈钢体系一致。中国台湾的不锈钢标准也基本上与日本不锈钢标准一致,与美国的不锈钢体系一致。译者翻译这篇文章主要是介绍美国的不锈钢,而了
2、解世界许多国家的不锈钢也会有所帮助。前言 不锈钢是含10.5%以上铬的铁基合金.半个多世纪以来,不锈钢在建筑、化学等行业及生活消费方面得到应用.现在市场销售的许多不锈钢最早是由美国钢铁协会(AISI)认可作为标准合金的。还有,大批生产的可买的是具有特殊性能的有专利权的不锈钢(见附录A)。设计者应具备有从这样多的不锈钢中选择具有一定特性和性能的合金的现成的原始资料。为了满足这种需要,不锈钢生产者协会开始准备这种小册子。这些数据由北美特殊钢工业(SSINA)审查和修改过。特别是为设计工程师而写,对不锈钢的广阔领域作了概述,既有标准的又有专利权的,包括成分、性能、制造方法和用途。对60个标准牌号的更
3、详细的资料,包含在AIME(美国矿业、冶金和石油协会)所属钢铁协会的钢产品手册不锈钢和耐热钢中。这些资料特别强调了在市场上销售的产品的制造方法、表面精度表示方法、产品形状、尺寸和重量允许偏差。在AISI于1986年中断出版之后,AIME负责该手册的出版、修改和销售工作。1、不锈钢牌号作为一种材料,特殊意义的不锈钢时常要被查阅。实际上有50个以上不锈钢牌号。通常有三类方法用来对不锈钢编号。即:1、冶金组织;2、AISI编号体系:以200、300和400系列编号;3、统一数字代号体系,该体系是由美国试验与材料协会(ASTM)和美国自动车工程师协会(SAE)制定的,适用于所有通用的金属和合金。还有许
4、多以通常的名称被人们了解的牌号,与AISI的牌号相似,但是没有被AISI正式认可。这些通常的名称,既不是商标,又不是与单个生产者有紧密地联系,这些在表中标出。这些普通的(非AISI的)名称在ASTM规范中没有规定,所以使用与这些牌号有关的UNS牌号是很重要的。下面对这些分类作一说明。表1-表达按照冶金组织奥氏体、铁素体、马氏体、沉淀硬化和双相型列出了各种了各种不锈钢。奥氏体不锈钢(表1)含铬和镍的以300系类标记,含有铬、镍和锰的钢以200系类标记。奥氏体类不锈钢具有不同的成份和性能,但是具有许多通用的特性。他们可以用冷加工硬化,但是不能热处理硬化。在退火状态,所有的钢基本显示非磁性,但是有些
5、钢可以通过冷加工变为轻微磁性。他们具有极好的耐腐蚀性能,非常好的加工性,通过冷加工可以提高强度。304型(通常称为18-8不锈钢)是最广泛使用的奥氏体类钢,他的名义成份是铬18-镍8。铁素体不锈钢(表1)是纯铬400系类钢,不能通过热处理硬化,而通过冷加工只能得到中等程度的硬化。他们带有磁性,具有很好的延展性和耐腐蚀性及抗氧化性。430型是通常使用的铁素体类不锈钢。马氏体类不锈钢(表3)是纯铬400系钢,能够通过热处理硬化。他们带有磁性。他们在中等介质中耐腐蚀。他们具有较好的延展性,有些钢可以通过热处理使抗拉强度超过200, 000psi(1379MPa)。410型是通常使用的马氏体类钢。沉淀
6、硬化类不锈钢(表4)是铬镍类钢,有些钢含其他合金元素,例如铜或铝。他们可以通过固溶处理和时效被硬化以达到高强度。双相不锈钢(表5)具有典型的大约相等的奥氏体和铁素体相的退火组织,虽然没有正式确定,通常认为,较少的相至少会有30%(按体积)。双相不锈钢提供的一些优越性超过普通的奥氏体不锈钢。双相钢牌号具有高的抗氯化物应力腐蚀破裂能力,具有极好的抗点腐蚀和裂缝腐蚀能力,并表现出比普通的牌号具有大约两倍的屈服强度。329型和2205型是典型的双相钢。表1奥氏体不锈钢牌号相同的UNS牌号牌号相同的UNS牌号201202205301302302B303303Se304304L302HQ304N30530
7、8309309SS20100S20200S20500S30100S30200S30215S30300S30323S30400S30403S30430S30451S30500S30800S30900S30908310310S314316316L316F316N317317L317LMN321330347348348384S31000S31008S31400S31600S30100S31603S31620S31651S31700S31703S31726S32100N08330S34700S34800S38400表2铁素体不锈钢牌号相同的UNS牌号牌号相同的UNS牌号405409429430430F
8、S40500S40900S42900S43000S43020430SFe434436442446S31000S31008S31400S31600S31603 表3马氏体不锈钢牌号相同的UNS牌号牌号相同的UNS牌号403410414416416Se420S40300S41000S41400S41600S41623S42000420F422431440A440B440CS42020S42200S43100S44002S44003S44004 表4沉淀硬化不锈钢UNS牌号UNS牌号S31800S15500S17400S17700表5双相不锈钢UNS牌号UNS牌号3292205S32900S3180
9、3v关于统一数字代号体系,UNS牌号放在每个AISI型数字旁边,见表1表5,但四个不锈钢(见表4)除外,该表(表4)仅列出UNS的牌号2、选择 不锈钢是具有良好的耐腐蚀性、强度的加工性能的工程材料。他们可以容易满足广泛的设计规范要求压力、使用寿命、低的维修性,等。选择合适的不锈钢主要的方式,权衡四种因素是最重要。这四种因素是:1) 耐蚀性和耐热性。这是规定选用不锈钢的基本依据。规定者需要了解介绍的本质和所需要的耐蚀或耐用热程度。2) 力学性能。特别强调室温、高温和低的强度。一般讲,耐蚀性和强度的组合是选择的基础。3) 制造工艺。产品如何制造是第三个依据。这包括锻造、机加工、成形、焊接等。4)
10、总的成本。考虑总的成本,不仅要考虑材料和产品的成本,而且要考虑寿命周期的本,包括不需要维修的产品预期具有长的寿命所得到的利益而节约的成本,才是合适的。3、耐腐蚀性铬是这样一种合金元素,通过与氧化合成形成一种在表面上看不见的氧化铬保护膜。 因为这种钝化膜是一种预防保护薄膜,所以必须在设计不锈钢设备、制造设备、加工和使用设备中,要注意避免破坏或损伤这种薄膜。万一这种保护(钝化)薄膜被损伤或甚至被破坏,只要在介质中有氧存在,就能重新形成薄膜,继续给与最大的保护。这样保护膜是稳定的,在正常的大气中或弱的含水介质中是有保护作用的,而且通过加入较高的铬和通过加入钼、镍和其他合金元素可以改善薄膜的保护作用。
11、铬改善薄膜在某些酸介质中的抵抗力。 3.1材料选择许多易变的因素表示腐蚀介质的特征,即化学制品和其浓度、大气状态、温度、时间,所以如果不了解介质的正确的性质,要使用材料、选择材料是困难。但是,以下可作为选择指南:304型 广泛使用的材料。在建筑中能经受一般的锈蚀,可抵抗食品加工介质浸蚀(但含有浓酸和氯化物成分的高温状态可能出现腐蚀),能抵抗有机化合物、染料和广泛的各种各样的无机化合物。304L型(低碳),耐硝酸性好,并耐用中等温度和浓度的硫酸,广泛地用作液态气体贮罐,用作低温设备(304N)、器具其它消费产品,厨房设备、医院设备、运输工具、废水处理装置。316型 比304型含有稍多的镍,并含有
12、2%3%的钼,耐蚀性比304型好,特别是在倾向于引起点腐蚀的氯化物介质中。316型已发展用作亚硫酸盐纸浆机,因为它耐用硫酸化合物。而且,它的用途已扩大到在加工工业中处理很多化学制品。317型 含有3%4%的钼(在这个系列中也是所得到的较高的水平),并含有比316型较多的铬,具有更高的耐点腐蚀和裂缝腐蚀性能。430型 比304型合金含量低,用作在温和的大气中高抛光装饰用途,也可用作硝酸和食品加工设备。410型 在三种一般化用途的不锈钢中具有最低的合金含量,需要强度和耐蚀性配合的高承力部件选用,例如坚固件。410型在温和的大气中、水气中和许多缓和的化学产品介质中耐蚀。2205型 比304型和316
13、型优越,因为他对氯化物应力腐蚀裂纹具有高的抵抗力,并具有大约两倍的强度。表6列出AISI标准号的不锈钢在七大类腐蚀介质中有关耐腐蚀的情况。表7详细说明了各种不锈钢牌号所适用的更特殊的介质,例如酸、碱、有机物和药品。以上对不锈钢在各种介质中可适用性的说明是根据成功使用的长期的历史作出的只作为指南。在化学成分和温度方面的小的差别(如操作时可能发生),都可能影响腐蚀率。数值有可能是相当大的。小量的氢氟酸和硫酸对在25%磷酸介质中的316型不锈钢具有重要的影响。湿度对在极浓缩的硫酸中的304和316型钢也有影响。 表6 不锈钢在各腐蚀介质中腐蚀情况牌号UNS牌号缓和的气氛和清洁水气氛化学工业性海水中性
14、氧化还原201(S20100)202(S20200)205(S20500)301(S30100)302(S30200)302B(S30215)303(S30300)303Se(S30323)304(S30450)304L(S30403)(S30430)304N(S30451)305(S30500)308(S30800)309(S30900)309S(S30908)310(S31000)310S(S31008)314(S31400)316(S31600)316F(S31620)316L(S31603)316N(S31651)317(S31700)317L(S31703)321(S32100)32
15、9(S32900)330(N08330)347(S34700)348(S34800)384(S38400)403(S40300)405(S40500)409(S40900)410(S41000)414(S41400)416(S41600)416Se(S41623)420(S42000)422(S42200)429(S42900)430(S43000)430F(S43020)430Se(S43023)431(S43100)434(S43400)436(S43600)440A(S44002)440B(S44003)440C(S44004)442(S44200)446(S44600)(S31800)
16、S15500)(S17400)(S17700)表7在各种介质中使用的不同牌号介质牌号盐酸通常不推荐使用不锈钢,除非溶液很稀,并在室温。“混合酸”当足够的硝酸存在时,对304和316型钢,通常没有明显的腐蚀。硝酸使用304L或430型钢磷酸对储存浓度达85%的冷磷酸和在某些设备制造过程中保存的浓度达5%磷酸,使用304型是合适的。如果氟含量不太高,316型钢更耐蚀,并且通常用作储存和制造。317型比316型钢耐蚀性稍微更好些,在浓度达85%时,316型的金属不应超过212F(100),向317型的金属温度稍高些。氧化离子抑制腐蚀,可以加入其他缓蚀剂(如砷)。硫酸浓度超过80%在室温可以使用30
17、4型钢。硫酸含量达10%,温度达120F(50),如果溶液是通风的,可以使用316型钢;如在不通气的溶液中,腐蚀就较大。温度高到150F(65),浓度高达5%,可以使用317型钢。如其他材料存在时,可显著地改变腐蚀率。当有50020000PPM小量的铜离子时,可能在中等浓度的热溶液中使用304型钢。其他的添加物可具有相反的作用。亚硫酸304型钢可以抗点腐蚀,特别是如果存在有一些硫酸时。在中等浓度和温度可以使用316型钢。碱氢氧化铵氢氧化化钠苛性溶液300系列钢通常在弱碱中(如氢氧化铵)在实际上所有的浓度和温度具有良好的耐腐蚀性能。在强碱中(如氢氧化钠中)在较浓的溶液和较高的温度中,可能有些浸蚀
18、裂缝或腐蚀。通常纯度的苛性溶液可能含有氯化物,这会加重一种腐蚀,可能使316型像304型一样的产生点腐蚀。有机物醋酸在化工厂中的醋酸很少是纯的,而通常包含大量的和变化很小的组合物。304型钢用作广泛用途的设备,包括蒸馏器、便器的加热器、存放容器、热交换器、管线、阀门和泵,浓度达99%,温度达到大约120F(50)。对含有100%的醋酸蒸气,304型钢也是令人满意的。而如果有小量的混浊或颜色变色,对室湿储存冰冷醋酸可能是允许的。316和317型钢具有最广泛的用途,特别是如果还存在甲酸时,或如果溶液不通气时。316型钢用作304型不能使用的深度3099%的分馏设备,用作储存容器、泵和处理冰冷醋酸
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