不锈钢与耐酸钢的区别及其耐腐蚀性能解析

1、概述

不锈钢是在空气和弱腐蚀介质中能抵抗腐蚀的钢；耐酸钢是在酸、盐溶液等强腐蚀介质中能抵抗腐蚀的钢。因为两者在化学成分上存在差异，所以前者不一定能耐化学介质腐蚀；而后者通常都具有不锈性。将两者统称为不锈耐酸钢，简称为不锈钢。不锈钢的耐蚀性是由钢中所含的合金元素决定的。

不锈钢是在空气中或化学腐蚀介质中能抵抗腐蚀且具有较高稳定性的一种高合金钢。它耐腐蚀性能良好，表面美观光洁，无需经过镀色等表面处理，就能发挥其固有的表面性能，可用于多方面，是一种钢铁。从金相学角度来看，不锈钢含有较高的铬。铬在其表面能形成很薄的铬膜，此膜能够隔离开侵入钢内的氧气，进而起到耐腐蚀的作用。为了使不锈钢保持其固有的耐腐蚀性，钢必须含有 12%以上的铬。

当前，汽车行业在不锈钢材料的发展和应用方面较为迅速。2020 年，我国汽车的产量达到 2522.5 万辆，销量达到 2531.1 万辆。2021 年，乘用车市场规模为 2248 万辆，商用车市场全年销量预期可达 455 万辆，两者合计为 2703 万辆。每台汽车的不锈钢平均用量是 25kg，由此可知汽车行业不锈钢材料的年使用总量达到了 6.75 万吨。不锈钢材料具备优异的耐蚀性、耐热性以及良好的力学性能，所以在汽车总成与零部件的制造过程中得到了较为广泛的应用和推广。未来，多规格、新型高性能不锈钢材料会被快速开发。相信在汽车行业中，其应用潜能还将进一步被释放和提升。

不锈钢材料在汽车上的使用部位不同，对材料性能属性的要求也不同。其应用领域大致可分为 5 大类：一类是用于排气系统的不锈钢；一类是用于燃油箱的不锈钢；一类是用于车身及车架的不锈钢；一类是用于典型汽车零部件的不锈钢；还有一类是用于装饰的不锈钢。

螺栓连接是汽车常见连接方式之一。螺栓作为节点的基本组成部分，通常会承受损伤荷载，比如加速、变速及交变载荷等。这些损伤荷载对结构的承载安全至关重要。因为这个原因，要对当前不锈钢材料在汽车中的主要应用情况进行技术方面的概述。同时，还要对应用最为广泛的奥氏体、铁素体、马氏体和奥氏体 - 铁素体双相不锈钢等这四类不锈钢材料的工艺特点以及技术要素进行分析和阐述。这样做的目的是为不锈钢材料在汽车上的应用选配以及最佳连接工艺的制定提供有力的参考和理论依据。

现代装备产业发展速度很快，高强度和高性能的需求促使装备零部件朝着轻量化、集约化以及高强度化的方向转变。螺栓作为一种连接部件，在装备安全运行过程中起着非常重要的作用，并且其性能等级会随着装备整体性能的提升而不断提高。不过，不锈钢螺栓能够由各种不锈合金制成，其极限强度能够达到 480 至 1500MPa。

高强度碳钢、合金钢螺栓凭借更高的强度以及新的设计方法得以广泛应用。然而，在特定场合下，其性能下降速度较快。同时，高强度螺栓发生应力腐蚀的敏感性也有所增加［2 - 4］，并且时常出现失效断裂的情况，这给装备的运行带来了安全隐患。正因如此，不锈钢螺栓需要逐步提升性能，从而引起了人们的关注和重视。

2、冷顶锻用不锈钢盘条

冷顶锻用不锈钢盘条可用来生产各类冷镦件产品，比如螺栓、螺钉、螺母、铆钉、销钉等。目前国内低端冷顶锻产品大多使用国内产品。高端冷顶锻产品仍主要依赖进口。所以有必要积极推进冷顶锻用不锈钢盘条的研发工作。要相应地制定行业标准。通过标准技术引领来提升国内冷顶锻产品质量。为国内冷顶锻产品的开发提供参考和指导。以实现高端冷顶锻产品完全由国内生产。

目前国内外还没有冷顶锻用不锈钢盘条的标准。并且，国内冷顶锻用不锈钢盘条的质量不太稳定，所以在国内进行冷顶锻用不锈钢盘条加工时，通常会采用美标或日标。考虑到行业现状，依据“冷顶锻用不锈钢盘条”与行业现行标准体系协调一致的原则，标准对中国、日本和美国现行的冷顶锻用不锈钢钢丝标准进行了兼容［5］，这样使得标准具有可操作性。

“冷顶锻用不锈钢盘条”行业标准主要参考以下这些标准：一是钢丝标准，包括 GB/T 4232 冷顶锻用不锈钢丝，ASTM A493 冷镦和冷锻用不锈和耐热钢线材，JIS G4315 冷镦和冷锻用不锈钢丝；二是盘条标准，即 GB/T 4356 不锈钢盘条。

标准制定的目的在于形成冷顶锻用不锈钢盘条的技术要求。它能为国内顶锻用不锈钢生产企业的技术进步提供方向，也能为其质量进步提供依据。

同时，为让客户依据本标准采购的原料能够生产出满足国内外不同标准要求的冷顶锻用不锈钢钢丝，标准内容的确定主要依据以下几个方面：GB/T 4232 等国内外相关标准，相关样品的分析数据，开发过程中的各项性能数据，以及产品相关指标的实验室检测数据。

3、技术创新内容简介

“冷顶锻用不锈钢盘条”标准里，钢种以及化学成分的范围涵盖了各类标准中针对冷顶锻用不锈钢钢丝的技术要求，并且是参照了国标不锈钢盘条的相关要求来进行规定的。

3.1 化学成分

本标准依据国内外冷顶锻用不锈钢丝的实际应用情况，同时参考国内冷顶锻用不锈钢丝的标准，明确了 24 个钢牌号，目的是能够充分涵盖奥氏体、铁素体、马氏体以及奥氏体 - 铁素体双相不锈钢系列的不锈钢丝需求。化学成分的具体内容可见下页表 1。

表1 冷顶锻用不锈钢牌号及化学成分

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“冷顶锻用不锈钢盘条”被定为行业推荐性标准。该标准的技术指标比美国标准 ASTM A493《冷镦和冷锻用不锈和耐热钢线材》以及国内标准 GB/T 4356《不锈钢盘条》更为严格。对比具体指标可以发现，尤其是对于有害元素硫的含量，都减少了 0.005%以上。这表明该标准的技术水准属于国际先进标准。

镍是主要的奥氏体形成元素，能减缓钢的腐蚀现象以及在加热时晶粒的长大。镍在不锈钢中的应用主要是与铬配合，这样才能更好地发挥作用，才能改变不锈钢的组织，从而使不锈钢的力学性能、加工性能和在某些腐蚀介质中的耐腐蚀性能得到很大的改善。

拉伸试验相对而言反映的是盘条材料整体宏观的力学性能。因为脱碳以及硫化物的存在，所以国产不锈钢盘条实际强度低于其理论强度。这一点必须要加以注意。

铁素体不锈钢中，Si 元素增多会提高对铁素体的固溶强化作用，Mn 元素增多也会提高对铁素体的固溶强化作用。C 元素对韧性影响很大，N 元素对韧性影响也很大。铁素体不锈钢中的杂质，像氧、铝、磷、硅以及锰，都能降低韧性。不过与碳、氮相比，这些杂质的影响是较小的。硫几乎对韧性没有影响。铌和钛是铁素体钢的主要稳定化元素。铌和钛对韧性和塑性有着相反的作用。所以能够依据所需产品形状来调整合金设计［5］。在马氏体不锈钢中，力学性能受化学成分影响较大。当 Cr 含量较高且 Ni 含量较低时，在淬火回火状态下，钢中的铁素体含量较高，钢的强度性能较低。Cr 含量比较低，Ni 的含量比较高。在这种情况下，钢里面的铁素体含量就比较少，同时钢的强度性能也比较高。

研究了不同类型不锈钢螺栓在 20 至 600℃温度范围内的相关性能试验结果。在温度≤450℃时，与碳钢、合金结构钢螺栓相比，奥氏体不锈钢螺栓能够更好地维持弹性模量，奥氏体、马氏体不锈钢螺栓能够更好地维持屈服强度，奥氏体、马氏体不锈钢螺栓也能够更好地维持极限强度。

3.2 表面缺陷

表面缺陷是导致冷顶锻开裂的一个重要因素。客户使用统计表明，每年因表面缺陷而导致的冷顶锻零件报废量大概占总报废量的 50%。因为冷顶锻用不锈钢盘条要先进行冷拔加工，钢丝冷拔后如果表面缺陷没有被彻底消除，那么在后续的冷顶锻加工过程中就很容易引发爆头开裂，从而造成零件报废。

因此，对盘条表面允许的缺陷深度有特殊限制。对比本标准与国标 GB/T 4356 的表面缺陷深度控制，当盘条直径≥4.5 至 14mm 时，允许的缺陷深度从≤0.15mm 提升至≤0.08mm；当盘条直径>14 至 20.0mm 时，允许的缺陷深度从≤0.20mm 提升至≤0.15mm；当盘条直径>20 至 40mm 时，允许的缺陷深度按双方协议确定。

3.3 工艺与力学性能

冷顶锻用的铁素体不锈钢盘条和马氏体不锈钢盘条，其硬度会影响客户在冷顶端加工时的成材率。铁素体不锈钢盘条为了改善塑性、韧性，保证耐腐蚀性能并消除应力，通常会进行退火处理。一般来说，铁素体不锈钢的退火温度在 750 到 850℃之间，马氏体不锈钢的完全退火温度在 800 到 900℃之间。在进行退火处理时，需要充分保温，以获得均匀的铁素体和碳化物的平衡态组织。

进行少量拉丝后再进行冷顶端加工。如果盘条的原始硬度过高，那么拉丝后的硬度就会太高，并且冷顶端容易引发开裂。所以，对于铁素体和马氏体类的冷顶锻用不锈钢盘条，规定了最高硬度的限制，具体情况见表 2 所示。

表 2 冷顶锻用铁素体和马氏体不锈钢盘条硬度

冷顶锻用不锈钢盘条在进行冷顶端之前，需要经过有限的拉拔变形。为了能让拔丝过程顺利进行，盘条得具备一定的塑性。并且，为了确保拉拔后的冷顶锻不会开裂，还要求盘条的原始强度不宜过高。因此，对冷顶锻用奥氏体不锈钢盘条的力学性能进行了限制，其与国标奥氏体不锈钢盘条的力学性能要求对比情况如表 3 所示。

表 3 奥氏体不锈钢盘条的力学性能要求

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奥氏体 - 铁素体双相不锈钢热处理时，固溶处理的温度在 950～1120℃［6］。因为双相不锈钢的含碳量比铁素体不锈钢低很多，所以可以采用高温固溶。在考虑固溶温度对组织、力学性能和耐蚀性能的影响后，双相不锈钢固溶加热温度通常取规范中的中限值。为了避免σ相析出，在固溶温度保温后需要快速冷却［7］。σ 相分布在晶界处，这使得钢的塑性明显下降。σ 相分散分布时，对韧性的危害相对较小，并且还能起到一定的强化作用。σ 相会增加钢的缺口敏感性，对强度和硬度的影响不大，但对冲击韧性的影响较为显著。σ 相能显著降低钢的塑性、韧性、抗氧化性以及耐晶界腐蚀性能，还会助长热疲劳的产生。σ相形成之后，会导致基体贫铬（或者钼、钨）。这种情况使得基体的抗蚀性降低了，同时也削弱了固溶强化的效果。

总之，σ 相具有较大的危害性，需要尽力避免它的出现。盘条在固溶处理后的力学性能要求可从表 4 中查看。

表 4 奥氏体 - 铁素体双相不锈钢盘条的力学性能要求

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4、不锈钢检测金相检验

4.1. 试样的制备

不锈钢金相试样的制备过程与高合金钢的制备过程基本相同。奥氏体不锈钢的基体组织比较软，韧性较高，并且容易产生加工硬化。因此，试样制备的难度较高。在抛磨过程中，容易产生机械滑移以及扰乱金属层组织等假象，从而影响正常的金相组织分析和检验。半马氏体钢如果制样不当，会使奥氏体转变成马氏体。所以，在制备试样时，不应使试样产生高热。磨光用力不应过大，抛光时间不宜过长。

4.2. 化学侵蚀

不锈钢的耐腐蚀性能较高。因此，显示其显微组织的侵蚀剂需要有强烈的侵蚀性，这样才能让组织清晰地显现出来。并且要根据钢的成分和热处理状态来选择合适的侵蚀剂。常用的侵蚀剂有：氯化高铁 5g 加上盐酸 50ml 再加上水 10ml，此侵蚀剂适用于 A 不锈钢以及 F-A 不锈钢；盐酸 10ml 加上硝酸 10ml 再加上酒精 100ml；苦味酸 4g 加上盐酸 5ml 再加上酒精 100ml，对于较难腐蚀的试样可以进行水浴加热。

氢氟酸（浓度为 5%）的用量是 1ml，硝酸（浓度为 5%）的用量是 4ml，水的用量是 45ml。此外，不锈钢中可能会同时有铁素体、奥氏体、碳化物、δ铁素体、σ相等。可以用化学侵蚀的方法来进行区别。在形态方面，奥氏体组织有孪晶，铁素体通常呈带状或枝晶状。用赤血盐氢氧化钾溶液（其中赤血盐 10g - 15g、NaOH10g - 30g、水 100mL，热煮 60 - 90℃）侵蚀后，铁素体呈玫瑰色，奥氏体呈光亮色。用碱性高锰酸钾侵蚀后，碳化物为浅棕色，σ相为橘红色。

4.3 金相组织实例［8］

铁素体不锈钢进行退火处理，其金相组织由铁素体和 M7C3（碳化物）组成。当在 900℃以上进行加热时，晶粒会出现涨大的情况，并且无法进行细化，所以需要对温度进行控制。1Cr17 钢在加热至 850℃后进行空冷，其组织为铁素体以及沿轧制方向分布的碳化物，可参考图 1。

图1 10Cr17 钢 组织为铁素体＋碳化物

图2 30Cr13 珠光体 + 碳化物

马氏体不锈钢经过充分保温退火后，能够获得均匀的铁素体和碳化物的平衡态组织。图 2 展示的是 30Cr13 钢在原材料退火状态下的情况，使用氯化高铁盐酸水溶液进行侵蚀后，其组织呈现为点状和球状的珠光体，以及沿晶界呈断续分布的二次碳化物。

奥氏体不锈钢进行固溶化处理时，需将其加热到 1000℃～1100℃，这样能使碳化物全部融入奥氏体当中。之后快速冷却至室温，便可得到均以奥氏体组织。其中，图 3 显示 06Cr17Mn7Ni5CuN 钢的组织为奥氏体；图 4 显示 0Cr19Ni10 钢的组织为奥氏体＋少量铁素体。

图3 06Cr17Mn7Ni5CuN 组织为奥氏体

图4 0Cr19Ni10 组织为奥氏体＋少量铁素体

奥氏体 - 铁素体双相不锈钢进行热处理固溶处理，温度在 950 ～ 1140℃。其金相组织由铁素体和奥氏体组成。用铁氰化钾、氢氧化钾水溶液进行侵蚀后，组织呈现出白色的奥氏体以及灰黑色（实际为棕色）的铁素体。δ 相（δ 铁素体）是在高温区域形成的相，通常被称为高温铁素体，以此来与低温α铁素体相区别。

δ 铁素体属于体心立方晶格。它的晶格常数与α铁素体不一样。并且该铁素体表现出较高的脆性。铁素体的含量需依据 GB/T 13305-2008 《不锈钢中α－相面积含量金相测定法》来进行检验。经供需双方协商后，也可以采用其他的检验方法。一定要将铁素体含量控制在 40%～60%之间。022Cr23Ni5Mo3N 钢经过固溶处理后，其组织由奥氏体和铁素体组成。图 5 展示了这一组织情况。

图 5 中，022Cr23Ni5Mo3N 的组织由奥氏体和铁素体构成。

5、结束语

近年来，汽车轻量化在不断推进，汽车寿命在不断延长，用户对感知质量的要求也在不断提升。同时，当前汽车排放法规的要求在不断加严。在这样的背景下，不锈钢材料在我国汽车行业获得了较为快速的发展和应用。不少业界人士认为，下一步汽车行业对不锈钢材料的需求会进一步提升，对不锈钢螺栓的用量也会进一步提升。尤其对一些在抗氧化性等方面表现良好的高性能不锈钢材料有需求，这些方面包括抗氧化性、耐腐蚀性、抗热疲劳性、耐高温性以及螺接与成形性等。

因而，下一步加大对汽车用先进不锈钢材料连接技术的开发、沉淀与积累是十分必要和迫切的，目的是为了追踪高性能不锈钢材料在汽车上的快速开发与应用的步伐。

参阅文献

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熊云龙、娄延春和刘新峰进行了不锈钢材料研究，并且取得了新进展。该研究成果发表在《热加工工艺》2005 年第 5 期，页码为 20。

耿炳玺谈到了我国不锈钢发展中的几个问题。该文发表于《冶金管理》2006 年第 4 期，页码为 35 - 37。

徐增华在《铁素体不锈钢（第四讲）：金属耐蚀材料》中指出，该内容发表于《腐蚀与防护》2001 年第 22 卷第 4 期，页码为 184 至 186 页。

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张文华所著的《不锈钢及其热处理》[M]，其出版地点在沈阳，由辽宁科学技术出版社出版，出版时间是 2010 年。

陈德和编写了《不锈钢组织与热处理性能》这本书，该书的出版社是机械工业出版社，出版地点在北京，出版时间是 1986 年。

本文曾刊登于金蜘蛛《紧固件》季刊的第 71 期，若要转载，请注明其来源于“金蜘蛛紧固件网”。