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科学选用不锈钢 正确认识200系

2018-03-28

    一、什么是不锈钢  
1、不锈钢的定义  
  不锈钢是不锈钢和耐酸钢的简称或统称,是在空气和淡水中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种高合金钢。通俗地说,不锈钢就是不容易生锈的钢。不锈钢的不锈性和耐蚀性是由于其表面上富铬(Cr,本文中元素对应注解见附1)氧化膜(钝化膜)的形成。这种不锈性和耐蚀性是相对的。试验表明,钢在大气、水等弱介质中和硝酸等氧化性介质中,其耐蚀性随钢中铬含量的增加而提高,当铬含量达到一定的百分比时,钢的耐蚀性发生突变,即从易生锈到不易生锈,从不耐蚀到耐腐蚀。为了保持不锈钢所固有的耐腐蚀性,不锈钢必须含有12%以上的铬。  
2、不锈钢的分类  
  不锈钢的分类方法有很多。  
  按主要化学组成可分为铬不锈钢(俗称400系)、铬镍不锈钢、铬镍钼不锈钢(俗称300系)、铬锰氮不锈钢(俗称200系)  
  按钢的功能特点分类,如低温不锈钢、无磁不锈钢、易切削不锈钢,超塑性不锈钢等。  
  按金相组织分类为:铁素体(F)型不锈钢、马氏体(M)型不锈钢、奥氏体(A)型不锈钢、奥氏体-铁素体(A-F)型双相不锈钢、奥氏体-马氏体(A-M)型双相不锈钢和沉淀硬化(PH)型不锈钢。  
  以下是三种常见不锈钢的主要性能比较: 

分类

金相组织

磁性

强度

耐蚀性

加工性

200

奥氏体

一般

较好

300

奥氏体

较高

400

铁素体/马氏体

/

一般


  不锈钢金相组织决定其是否具有磁性。其中铁素体(F)型不锈钢、马氏体(M)型不锈钢具有磁性;奥氏体(A)型不锈钢无磁性。目前市场上将是否具有磁性将不锈钢分为不锈钢和不锈铁是不科学的。  
3、铬与镍在不锈钢中作用  
  铬在不锈钢中的决定作用  
  每种不锈钢都必须含有一定数量的铬。迄今为止,还没有不含铬的不锈钢。铬之所以成为决定不锈钢性能的主要元素,根本的原因是向钢中添加12%以上的铬作为合金元素以后,钢表面自动形成一种非常薄的无色、透明且非常光滑的一层富铬的氧化物膜(即钝化膜),这层膜的形成大大缓减了钢的氧化。  
  镍与铬配合在不锈钢中发挥重要作用  
  镍在不锈钢中的主要作用在于它改变了钢的晶体结构。在不锈钢中增加镍的一个主要原因就是形成奥氏体晶体结构,从而改善和加强铬的钝化机理,其抗晶间腐蚀能力得到提高,同时如加工性、可焊接性和韧性等机械性能提高。即300系不锈钢。  
然而,镍并不是唯一的奥氏体形成元素,常见的奥氏体形成元素还有:碳、氮、锰、铜等。最著名的是下面的公式:  
  奥氏体形成能力=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%  
  所以,在不锈钢中通过增加一定量锰、氮元素,也可以形成奥氏体不锈钢,即200系不锈钢。  
  虽然碳是一种较强的奥氏体形成元素,但是它不能被添加到耐腐蚀的不锈钢中,因为在焊接后它会造成敏化腐蚀和随后的晶间腐蚀问题。氮元素形成奥氏体的能力也是镍的30倍,但由于溶解度问题,只能在不锈钢中添加数量有限的氮。添加锰和铜会造成钢材使用过程中的焊接问题。  
4、不锈钢的应用范围  
  不锈钢具有优异的耐蚀性、成型性以及在很宽温度范围内的强韧性等系列特点,所以在重工业、轻工业、生活用品行业以及建筑装饰等行业中得到了广泛应用,但在不同使用环境选择不同的不锈钢品种十分重要。  
  下表为主要不锈钢钢号的特性及其应用领域。  

钢号

特性

用途

300

301

304钢相比,CrNi含量少,冷加工时抗拉强度和硬度增高,无磁性,但冷加工后有磁性。

列车、航空器、传送带、车辆、螺栓、螺母、弹簧、筛网

301L

301钢基础上,降低C含量,改善焊口的抗晶界腐蚀性;通过添加N元素来弥补含C量降低引起的强度不足,保证钢的强度。

铁道车辆构架及外部装饰材料

304

作为一种用途广泛的钢,具有良好的耐蚀性、耐热性,低温强度和机械特性;冲压、弯曲等热加工性好,无热处理硬化现象(无磁性,使用温度-196~800)。

医疗用具,建材,化学,船舶部件、汽车配件食品工业、家庭用品(餐具、橱柜、室内管线、热水器、浴缸等),农业

300

304L

作为低C304钢,在一般状态下,其耐蚀性与304刚相似,但在焊接后或者消除应力后,其抗晶界腐蚀能力优秀;在未进行热处理的情况下,亦能保持良好的耐蚀性,使用温度-196~800

应用于抗晶界腐蚀性要求高的化学、煤炭、石油产业的野外露天机器,建材耐热零件及热处理有困难的零件

316L

作为316钢种的低C系列,除与316钢有相同的特性外,其抗晶界腐蚀性优。

在含有氯离子腐蚀介质中,具有比304304L更高的抗腐蚀能力。适用于海水淡化及水工业

321

304钢中添加Ti元素来防止晶界腐蚀;适合于在430-900温度下使用。

航空器、排气管、锅炉汽包

400

409L

因添加了Ti元素,故其高温耐蚀性及高温强度较好。

汽车排气管、热交换机、集装箱等在焊接后不热处理的产品。

410L

410钢的基础上,降低了含C量,其加工性,抗焊接变形,耐高温氧化性优秀。

机械构造用件,发动机排气管,锅炉燃烧室,燃烧器。

430

作为铁素体钢的代表钢种,热膨胀率抵,成形性及耐氧化性优。

耐热器具、燃烧器、家电产品、餐具、厨房洗涤槽、外部装饰材料、螺栓、螺母、CD杆、筛网

436L

耐热性、耐磨蚀性良好,因含有铌元素,故其加工性,焊接性优秀。

洗衣机、汽车排气管、电子产品、3层底的锅

410

作为马氏体钢的代表钢,虽然强度高,但不适合于苛刻的腐蚀环境下使用;其加工性好。

刀刃、机械零件、石油精练装置、螺栓、螺母、泵杆、餐具(刀叉)。

420J1

淬火后硬度高,耐蚀性好

餐具(刀)、涡轮机叶片

420J2

淬火后,比420J1钢硬度升高

刀刃、管嘴、阀门、板尺、餐具(剪刀、刀)

200

201

(美标)

304钢相比, Ni含量少,Mn含量高,无磁性,硬度强,耐腐蚀性差。

照明设备、电信杆、汽车框架等干燥环境下普通用途。

202

(美标)

201钢相比,Mn含量高,无磁性,硬度强。耐腐蚀性差。

照明设备、电信杆、汽车框架等普通用途。


  二、对200系不锈钢的认识  
  二战时期,作为战略物资的镍各个国家都严格控制使用,为了解决镍供应量严重不足的困境,美国首先开发出含镍低的200系不锈钢的产品,作为300系列产品的应急和补充。在特定的历史条件下,该产品的开发和使用,其积极意义不言而喻。但随着欧美国家对该产品的认识不断提高,发现其性能具有很大的局限性,, , 一直在有限的范围内使用,一般用于中性干燥环境中的结构支撑领域,如照明设备、电信杆、汽车框架等普通用途。在成熟的不锈钢主要生产国和消费国中,其生产和消费约占不锈钢总量的1%  
1200系不锈钢的特征  
  资料显示,各个国家、各个企业生产的200系列不锈钢牌号名称各不相同。美国最初研制的201202两个牌号(具体化学成份见下表)的不锈钢  

钢种

C

Mn

P

S

Si

Cr

Ni

N

201(1Cr17Mn6Ni5N)

≤0.15

5.5-7.5

≤0.06

≤0.03

≤1

16-18

3.5-5.5

≤0.25

202(1Cr18Mn8Ni5N)

≤0.15

5.5-10

≤0.06

≤0.03

≤1

16-19

3.5-5.5

≤0.25

   
  含镍量均在4%左右。国际标准ISO15510及中国国家标准均列有相近化学成份的牌号。在200系列的不锈钢中,是用足够的锰和氮来代替镍,镍的含量越低,所需要加入的锰和氮就越高,形成100%的奥氏体结构,因此200系不锈钢具备奥氏体钢的无磁特性。但由于抗晶间腐蚀和抗点腐蚀能力明显低于300系不锈钢,使用范围具有局限性。  
2、充斥国内市场的假冒伪劣200系不锈钢的特征  
2001年开始,由国外某厂生产的钢号为J1J4200系不锈钢进入中国市场。由于近几年镍价居高不下,导致300系不锈钢价格过高,价格相对便宜的200系不锈钢产量大幅增加。由于该产品与300系不锈钢产品同样具有无磁特性,很容易与300系不锈钢混淆,因而在消费领域中出现大量假冒300系不锈钢的200系不锈钢产品,为牟取暴利,国内一些地方也趁机纷纷仿效生产质量更为低劣的类似于200系不锈钢的地条钢产品。目前国内不锈钢市场上流通的牌号为201J4202AK-4200300等自称“201”的产品,在国内的流通量不断增加,占到我国不锈钢市场表观消费的近四分之一左右。  
  最近,国家钢铁研究总院对在市场上采样的此类产品进行了化学成分检验和点蚀性能检验,并与大企业生产的409L439L304进行了对比。结果显示,在国内市场上销售的名称为“201”的产品,成份都不符合国家或国际201的标准,国家和国际标准对200系不锈钢的Cr含量规定为16%18%,但这些产品Cr含量都不到15%;镍含量在国家和国际标准中规定为3.5%5.5%,这类产品的镍含量都不到1%。且硫、铜等元素含量偏高,尤其对人体有害的元素锰、磷含量则更高。通过在中性氯化物(3.5%NaCl溶液)中的耐点蚀性能检验,这些产品的耐点蚀性能远远低于304439L。因此,不锈钢业界称其为假冒伪劣200系。  
  在这些不符合标准的200系列不锈钢中,由于不能加入足够数量的锰和氮,为了形成100%的奥氏体结构(可实现无磁性),人为地减少了铬的加入量,虽然使这类产品与300(铬镍不锈钢)产品同样具有无磁性,但也必然导致不锈钢抗腐蚀能力的下降,即为取得无磁性而降低了不锈钢的主要特性耐蚀性。  
  三、假冒伪劣200系不锈钢的危害  
1、受利益驱动,以假乱真  
  假冒伪劣的200系与300(铬镍不锈钢)产品同属奥氏体,同样具有无磁性,但成本很低,一些不法经营者为获取暴利,利用广大消费者对不锈钢材料认识上的误区,在流通经营中大量假冒300系产品,由于假冒伪劣的200系不锈钢产品在化学成分设计上存在严重缺陷,抗腐蚀等多项性能不达标,使广大消费者蒙受了巨大损失,同时也干扰了正常的市场秩序。根据近几年的市场调查显示,这类产品投入使用后,在很短的时间内就出现锈蚀,在广东珠海市某住宅区、在山西某宾馆、在上海磁悬浮车站等地,随处可以看到严重锈蚀的护栏、水箱、路灯杆、电话亭等。给广大的消费者带来了极大的危害,严重损害了消费者利益,并且严重损害了不锈钢产品在消费者心目中的形象(具体危害案例见附件2)。  
2、假冒伪劣200系不锈钢对人身健康的危害  
  科学实验表明,锰元素一旦进入人体,可对神经、免疫、内分泌、生殖等多个系统造成不同程度的损害。目前市场上泛滥的这类假冒伪劣的200系不锈钢材料,其金属锰的含量是300系材料的4-5倍。更让人们感到担心的是这些高锰含量的劣质200系材料,已被大量应用于百姓日常生活用品中,如厨具、餐具等,会对人类的身体健康构成直接危害。  
3、污染不锈钢废钢的循环利用,造成自然资源的极大浪费。  
  众所周知,不锈钢历来被称为可百分之百可回收利用的绿色产品,不会造成环境污染,既是一种是环保产品,也是一种相对保值产品。  
  由于假冒200系列不锈钢含磷较高,特别是来自某个国家的200系不锈钢,据权威机构检测,磷含量最大值分别达到0.075%0.09%,是中国标准磷含量最大值的2-3倍,而不锈钢中的磷含量又是在废钢回收利用中(再炼钢)难以去除,尤其是一些利用感应电炉做熔化炉的不锈钢炼钢小企业,80%以上的原料来自不锈钢废钢,长此以往循环下去,磷含量越累积越高,不锈钢将成为不可回收利用的物资,由此给资源带来的浪费是巨大的,对整个不锈钢产业的打击也是致命的。  
  铜含量较高也是给废钢回收利用带来严重影响的一个因素。铜对大部分不锈钢牌号属有害元素,一旦进入回收利用过程,将给正规的不锈钢生产企业的产品质量带来难以挽回的损害。  
  镍是全球范围内的紧缺资源,我国的镍资源更加缺乏,假冒200系列不锈钢实际抗腐蚀性能远低于304,甚至低于不含镍的409L,但仍然要消耗1%以上的镍资源,无疑是对全球性的紧缺贵重金属资源的极大浪费。  

  四、对消费者的建议  
1、合理选用符合国家及国际标准的200系不锈钢,谨慎识别真假200系不锈钢。  
  事物的存在都是有两面性的,200系不锈钢的存在也是同样的道理。我国在社会建设中需要大量的不锈钢,合理地使用符合国家及国际标准的200系不锈钢,会降低建设成本,符合建设节约型社会的要求。其强度与耐磨性较300系不锈钢强,并且价格低,适用于中性干燥环境中的结构支撑领域,如照明设备、电信杆、汽车框架等普通用途。另外,200系不锈钢还适合于作建筑用钢如钢筋和铆钉等。  
  为了维护消费者利益,对于假冒伪劣200系不锈钢,我们应正确辨识坚决抵制其生产、销售及使用。  
2、为使消费者能简便快速辨别出各种不锈钢,下面介绍四种不锈钢的鉴别方法  
光谱:用高压电激发光谱仪(该仪器体积小,携带方便)打光谱可定性区分出钢的元素种类,以及含量的大致高低。  
化学试剂:有一种专门的试剂叫镍定性液,将其滴在不锈钢表面,通电后瞬间氧化,生成淡白色或浅黄色,说明该不锈钢不含镍;生成淡玫瑰红色且马上褪色变成深黄色,说明该不锈钢含镍在1%—2%左右;生成玫瑰红色且不褪色,说明该不锈钢含镍在4%以上,玫瑰红色越鲜艳说明含镍量越高。  
色泽:  
  经过酸洗的不锈钢的表面色泽:300系不锈钢银白色并呈玉色;400系不锈钢白色并稍灰,光泽弱;200系不锈钢的色泽与300系不锈钢相似,稍淡。  
  未经酸洗的不锈钢的表面色泽:300系不锈钢呈棕白色;400系不锈钢呈棕黑色;200系不锈钢呈黑色。  
   
火花:火花鉴别是把不锈钢在砂轮机上磨,观其火花。如火花呈流线形,并有较多较密的节花,即为含锰较高的200系不锈钢;如无节花即为300400系不锈钢。  
  上述几种方法均为简便易行的鉴别方法,但也存在一定误差,尤其是第种方法完全靠视觉经验判断,可能误差会更大。最精确的方法当然还是有资质的检验机构出具的检验报告。  
  附件1:元素对应  
   C
:碳, P:磷, S:硫, Si:硅, N:氮,  
   Cr
:铬, Ni:镍, Ti:钛, Mn:锰, Cu:铜 Mo:钼  
  附件2:假冒伪劣200系不锈钢危害案例  
  案例1:山西某星级宾馆使用200系不锈钢(冒充304)制作水箱,5mm厚的水箱壁使用不到半年就锈迹斑斑,并严重漏水。(图12   
        

        

        
案例2:在珠海某住宅区随处可见的严重生锈的使用伪劣200系不锈钢生产的不锈钢护栏(图34 

        

        

    案例3:广东某单位使用200系不锈门拉手生锈状况(图5

        

    案例4:佛山锈迹斑斑的护栏(图6