石油工业的很多机器装备在工作过程中都会经受强烈的腐蚀。
在大多数原油中，除了碳氢化合物外，还含有其他元素或化合物，例如：硫及硫的化合物、环烷酸及油层水中的盐，等等。这些都是侵蚀性很强的物质。
此外，在石油加工过程中，也常常要加入酸（如硫酸、磷酸）、碱（如氢氧化钠）及其他有腐蚀性的物质作为催化剂。这些物质或是本身就具有腐蚀性，或是能分解出侵蚀金属的络合物质来。
随着炼油工业不断提高加工深度，如采用催化裂化、铂重整、加氢设备等，对材料的耐腐蚀性要求更高。
某些石油矿场机械设备，如抽油泵、抽油杆、钻井泵、酸化压裂泵等，工作过程承受很大的静负荷、周期负荷、磨损、冲击，同时还与强烈的腐蚀介质接触，因此往往也需要采用不锈耐酸钢制造。对于酸化压裂泵，由于稀盐酸的腐蚀性很强，承受的压力很高（500大气压以上，甚至高达1000大气压），对泵头、柱塞、阀座、阀瓣、弹簧的材料都有特殊的要求。在发展海洋钻井时，则更多的设备必须考虑耐腐蚀问题。
许多在腐蚀介质中工作的石油设备，除了应具有一定的耐腐蚀性能外，还要求材料有良好的力学性能和工艺性能（特别是焊接性能），因此，在全部防腐蚀材料中，不锈耐酸钢占的比例最大。
不锈耐酸钢的一般概念
不锈耐酸钢包括不锈钢和耐酸钢两组。能够抵抗大气腐蚀的钢，称为不锈钢；在某些侵蚀性强烈的介质中，能够抗腐蚀作用的钢，称为耐酸钢。
一般地说，不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢却同时又是不锈钢。但耐酸钢并不是万能的。目前还没有找到这样的钢种，它既能抵抗这种酸的腐蚀，又能抵抗其他酸的腐蚀。因此，在决定不锈耐酸钢的用途时，必须根据钢材特点结合各种影响因素（介质的温度、浓度、种类、压力、流动速度等）来综合考虑。例如，耐酸铬镍钢在硝酸、有机酸和其他一些介质中有良好的稳定性，而在盐酸和硫酸的作用下却会发生腐蚀。又例如含铬13%的不锈钢，能够抵抗室温下任何浓度硝酸的腐蚀，但若把硝酸加热至沸腾，那么，这种钢就不耐腐蚀了。
评价不锈耐酸钢时，应从下面几个方面来考核：
1.耐腐蚀性
对周围环境介质的腐蚀抵抗能力的好坏，是评价不锈钢的最重要的指标。不锈耐酸钢的腐蚀类型，通常有下列几种：
（1）一般腐蚀（也称总腐蚀）——腐蚀一般是均匀分布在整个金属内外表面上的。这种腐蚀的危险性最小。通常用腐蚀速度（即单位金属面积在单位时间内的失重，g/m2·h）或腐蚀率（即每年腐蚀掉的金属深度，mm/年）来表示一般腐蚀的严重程度。
（2）晶间腐蚀——腐蚀沿金属晶粒边缘进行，这种腐蚀的危险性最大。因为，它通常不引起金属外形的任何变化，但却使结构及零件的机械性能急剧降低，以致突然破坏（极端情况下，甚至全部变成粉末）。一般认为，这种腐蚀的产生，是由于钢中铬的碳化物在某一温度范围内沿晶界析出，从而造成晶粒边缘铬的贫化所致。
（3）点腐蚀——腐蚀集中在金属表面不大的区域内，并迅速地向深处发展，最后穿透金属。不锈耐酸钢的点腐蚀多半是由氯化物溶液引起的。最强烈的腐蚀介质是氯化铁、氯化铜及碱和碱土金属的氯化物溶液。点腐蚀的发展与金属表面状态有关。磨光的表面较粗糙的表面，清洁的表面较脏污的表面，具有较好的点腐蚀抗力。金属的表面缺陷及疏松、夹杂等疵病易引起点腐蚀。
（4）应力腐蚀和腐蚀疲劳——在静应力（包括金属的内、外应力）的作用下，钢在腐蚀介质中的破坏称为应力腐蚀；在交变应力的作用下，钢在腐蚀介质中的破坏称为腐蚀疲劳。
绝大多数石油机械设备，对不锈耐酸钢的耐腐蚀性的一般要求是，腐蚀率不超过1mm/年，且不允许有晶间腐蚀、点腐蚀倾向。对应力腐蚀和腐蚀疲劳应尽量设法消除和避免。
石油工业常用不锈耐酸钢在各种介质中的一般腐蚀数据列于表16中。
2.力学性能
不锈耐酸钢除要求耐腐蚀性能良好外，根据不同的用途，对其力学性能也有不同的要求。对于一般的设备而言，在一定的韧性、塑性配合下，希望强度越高越好。不锈耐酸钢都含有较多的贵重元素，提高可用强度、减轻设备重量非常重要。
3.工艺性能
采用不锈耐酸钢的绝大部分石油机械设备，都是焊接成的，要求钢材有良好的焊接性。焊接后，焊缝及热影响区耐腐蚀性应保持在允许的水平上；不允许有晶间腐蚀存在；力学性能应该不低于基本金属；更不允许由于焊接引起的晶粒长大或某些化合物自固溶体中析出而使钢变脆。
不锈耐酸钢往往需要进行扩口、弯曲、卷边、冲压等加工工序，因此，冷加工变形性能也是一个重要的指标。这些性能的好坏，通常用弯曲试验、扩口试验、杯突试验来确定。
4.表面质量
不锈耐酸钢的表面质量对钢的耐腐蚀性有直接影响。一般而言，钢的表面质量越好，耐腐蚀性能也越高。不绣耐酸钢的成品钢材，如钢棒、钢板、钢带和钢丝等，出厂前都经过了仔细的酸洗；有特殊表面质量要求的，还采取其他措施，如进行保护气体及真空退火，研磨、抛光等。
不锈耐酸钢进厂时，应进行严格的质量检查。一般检查项目是：化学分析、低倍组织检查、硬度检查、顶锻试验、力学性能试验、晶间腐蚀倾向试验。奥氏体钢应进行α-相的测定。钢管根据使用情况，还要作扩口、缩口、卷边、压扁试验，钢板作冷弯、杯突试验。
石油工业常用的不锈耐酸钢共有15个牌号。其中，属于不锈钢的有6个牌号，即：0Cr13、1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、9Cr18；属于耐酸钢的有9个牌号，即：Cr17Ti、Cr25Ti.0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、Cr18Ni12Mo2Ti、Cr18Ni12Mo3Ti、Cr18Mn8Ni5、Cr18Mn10N i5Mo3。本书以下将详细介绍这些牌号的性能数据（9Cr18的性能数据列于轴承钢部分）。
合金元素在不锈耐酸钢中的作用
按照腐蚀过程的机理，一般腐蚀基本上可以分为两种类型——化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀的特点是，金属在外界介质（干燥气体或非电解质）中发生直接的化学作用；通常，腐蚀产物能够在金属的表面上形成一层防护膜。电化学腐蚀则是金属在电解质中，由于微电池作用而产生的腐蚀。因此，在考虑合金元素添加剂的时候，必须注意到两个方面：
（1）合金元素使钢材表面形成钝化膜的能力钝化膜的稳定性越高，则钢的耐腐蚀性能越好。
（2）合金元素使钢材的电化学均匀性提高的能力钢材的电极电位越高，组织越均一，则其耐腐蚀性能越好。
铬 铬使γ区封闭。当其含量大于13%时，能使钢材得到均一的铁素体组织。此时相当于n/8规律的第一个台阶，有效地提高了钢的电极电位（图1），耐蚀性得到第一个飞跃。同时，在氧化性介质中，铬能够在钢的表面形成一层致密的氧化膜，从而防止金属基体的继续破坏。
图1 在大气中铬含量对钢电极电位的影响
镍 镍是扩大γ区的元素，通常用来形成并稳定奥氏体组织，从而获得良好的力学性能、耐蚀性和工艺性。当单独使用镍时，需要25%才能使钢得到单一的奥氏体组织，而需要27%才能提高其耐蚀性。因此，除了在浓的苛性碱溶液中工作的零件外，镍很少单独用于不锈钢，它总是和铬配合一道使用。例如，在含18%铬的钢中加入8%的镍，就构成了著名的18-8耐酸钢。
锰 锰是扩大γ区的元素，常用来代替钢中昂贵的镍，获得优越的奥氏体组织。锰的加入会促使σ-相形成，并稍降低含铬量较低的不锈耐酸钢的抗腐蚀性。
钼 在某些还原性介质中，钼能使不锈耐酸钢易于钝化。在一定条件下，钼还能提高铬镍耐酸钢的抗晶间腐蚀能力。
钛 钛能与碳化合生成稳定的弥散碳化物，均匀地分布于基体中，减少了钢的晶间腐蚀倾向。它的加入量应大于含碳量的5倍。但是过量的钛会使钢的加工性能变坏。
氮 氮是剧烈的奥氏体形成元素，因而在不锈耐酸钢领域中引起了广泛的注意。它是能够代替镍的主要元素之一。同时，氮加入铁素体铬钢中能形成少量奥氏体，所以还能提高这种钢的韧性和焊接性能。氮的加入量通常是含铬量的1/75～1/100。
碳 碳在钢中常与铬化合形成铬的碳化物，引起固溶体中铬含量的降低，对钢的耐一般腐蚀性能有不良影响，并且增加钢的晶向腐蚀倾向。因此，不锈耐酸钢中，碳含量越低越好。只是在要求高强度和高硬度时，才提高钢的含碳量。
不锈耐酸钢的分类及特性：
1.马氏体不锈钢
石油工业常用的马氏体不锈钢有下列几种：1Cr13、2Cr13、3Cr13及4Cr13。
这类钢的特点是含有12%～14%的铬、0.1～0.4%的碳。随着含碳量的增加，它的强度、硬度、耐磨性等显著提高，而耐腐蚀性下降。含碳量0.1%左右时，淬火后的组织由马氏体和铁素体组成；含碳量0.2～0.4%时，淬火后得到全部马氏体组织（含碳量在上限时，有少量碳化物）。
马氏体不锈钢的比重、线膨胀系数、比热和弹性模数与未经合金化的中碳钢区别不大。由于含有大量的铬，钢的导热系数很低。电阻比中碳钢高4～5倍。这类钢都有铁磁性，经任何热处理后都仍然保持铁磁性。
淬火回火能保证马氏体不锈钢有高的耐腐蚀性。图2所示为马氏体不锈钢退火状态与淬火回火状态耐腐蚀性能的对比。显然，淬火回火状态比退火状态优越得多。
图2 碳含量和热处理对13%铬钢在沸腾硝酸中的腐蚀速度的影响
a）850℃保温1h，随炉冷却；b）淬火回火。含碳0.1～0.2%时，回火温度650℃；含碳0.3～0.4%时，回火温度275℃。
淬火后，变更回火温度，可以得到不同的机械性能。这类钢在400～550℃范围有第一类回火脆性，应尽可能避免在这个温度范围回火。(www.xing528.com)
马氏体不锈钢主要用来制造机械性能要求较高、耐腐蚀性要求较低的部件。例如，用1Cr13、2Cr13制造热油离心泵的轴、套筒，以及热含硫石油设备的内部紧固件；用3Cr13、4Cr13制造300～400℃时工作的安全阀的弹簧及与腐蚀性油品接触的滚动轴承。
2.铁素体不锈耐酸钢
铁素体不锈耐酸钢的含铬量在13～30%的范围内，含碳量低于0.25%。石油工业广泛采用的0Cr13可以列为这一类钢。0Cr13含碳量在上限时，淬火后组织中有一少部分马氏体，但这并不引起性能的显著改变。0Cr13的耐腐蚀性能比含同样铬的1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13高。
除了0Cr13外，石油工业还采用Cr17Ti、Cr25Ti两种铁素体耐酸钢。Cr17Ti和Cr25Ti具有高的抗氧化性介质腐蚀的能力，同时具有良好的热加工性。
铁素体不锈耐酸钢的物理性能与马氏体不锈钢没有显著区别，只是由于含铬量比马氏体钢高，其导热系数相应降低，电阻相应增大（可作为电阻元件）。
铁素体不锈耐酸钢的主要缺点是：在加热与冷却时不发生相变，因而对于焊接和压力加工不当造成的晶粒长大，无法用热处理方法改变；在400～525℃范围内停留，会导致475℃脆性；在550～700℃长期加热，有σ-相析出，致使钢材变脆。
在铁素体不锈耐酸钢中加入少量钛（Cr17Ti、Cr25Ti），可以防止焊接和压力加工时的晶粒长大现象。475℃脆性及因析出σ-相而变脆的弊病，可用加热到475℃以上然后快速冷却的办法消除。含钛的Cr17Ti、Cr25Ti钢的晶间腐蚀倾向也较小。
Cr17Ti及Cr25Ti除了作为耐酸钢外，在石油工业中，还用作高温下抗空气氧化的材料。
3.奥氏体耐酸钢
石油工业常用的奥氏体耐酸钢有：0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、Cr18Ni12Mo2Ti、Cr18Ni12Mo3Ti、Cr18Mn8Ni5、Cr18Mn10Ni5Mo3等。
铬镍钢的组织图如图3所示，当钢中铬含量18%左右、镍含量8%以上，钢的组织在常温时呈奥氏体状态，这就是著名的18-8钢。
单一的奥氏体组织和高的含铬量的共同作用，使铬镍奥氏体钢有良好的耐蚀性。铬镍奥氏体钢在大气中能保持银白色，具有比马氏体铬钢高得多的化学稳定性。它在氧化性介质、某些还原性介质中耐蚀性很高，但在含硫气氛中易损坏。
铬镍奥氏体钢具有良好的室温及低温韧性、焊接性及深冲性能。钢的冷作硬化能力很高。例如，当冷轧压下量为40%时，抗拉强度由60kgf/mm2提高到120kgf/mm2，而屈服强度由25kgf/mm2提高到100kgf/mm2。
图3 铬镍钢的组织图
铬镍奥氏体钢在450～850℃的温度范围保温时，会出现晶间腐蚀倾向。含碳量越高，晶间腐蚀倾向越大。0Cr18Ni9的晶间腐蚀倾向显著比1Cr18Ni9小。在钢中加入少量的钛和铌，经稳定化处理后，可以阻止晶间腐蚀倾向。石油工业中，广泛采用1Cr18Ni9Ti制造需要焊接的设备及在450～850℃工作的设备。
在铬镍奥氏体钢中加入2%～3%的钼，能显著提高钢在尿素、沸腾磷酸、稀硫酸及热亚硫酸溶液等介质中的化学稳定性。钼除了一般地提高化学稳定性外，同时还降低钢的晶间腐蚀倾向（但不能完全防止）；在加钼的基础上加少量钛，可以防止晶间腐蚀倾向。钼是铁素体形成元素，因此，为了保持单一的奥氏体组织，应该适当地提高镍含量。石油工业常用的铬镍钼钛钢是：Cr18Ni12Mo2Ti、Cr18Ni12Mo3Ti两个牌号。
铬镍奥氏体钢中的镍是可以用其他扩大γ区的元素来代的。为了节约稀缺的镍，又能得到性能优越的奥氏体，各国都对锰、氮等元素代替镍的可能性进行了大量的研究工作，出现了铬锰系、铬锰氮系、铬锰镍系和铬锰镍氮系奥氏体耐酸钢。
在18-8钢的各种代用品中，Cr18Mn8Ni5比较成熟。这种钢用锰和氮代替了18-8钢的一部分镍，是Fe-Ni-Mn-N系中最典型、发展最完善的钢种。Cr18Mn8Ni5的氮，通常用氮化锰和氮化铬形式在冶炼时加入钢中。氮的回收率高达100%。
Cr18Mn8Ni5有良好的抗氧化性介质腐蚀的性能。它的力学性能比2Cr18Ni9还高，焊接性能也不低于18-8型钢。石油工业中，可以用以全面去代2Cr18Ni9，部分去代1Cr18Ni9。
铬锰镍氮钢的主要缺点是，敏化处理（即淬火后在450～850℃范围回火）后有晶间腐蚀倾向。因此，用作焊接部件便受到一定限制。加入某些铁素体形成元素（如钼），可得到有较好的耐晶间腐蚀的复相钢。例如，Cr18Mn10Ni5Mo3在尿素工业上已取得了较好的成效。这种钢除了可以防止晶间腐蚀外，在还原性介质中也有较好的耐蚀性。在很多情况下，可以很好地代用Cr18Ni12Mo2Ti和Cr18Ni12Mo3Ti。
奥氏体耐酸钢的线膨胀系数比马氏体和铁素体不锈耐酸钢高得多，导热性比马氏体钢和铁素体钢低。因此，在加热和冷却时应采取措施，防止内外层体积变化不同而开裂。
奥氏体耐酸钢都是非磁性钢。
不锈耐酸钢的热处理
热处理对不绣耐酸钢的性能有很大影响。热处理规范选择不正确，或者热处理操作不当，会导致比任何其他钢种更严重的后果。
热处理过程，不锈耐酸钢的氧化一般比碳钢小些。在强氧化介质中热处理所引起的氧化层，通过酸洗容易去掉。但是，如果氧化情况过分严重，酸洗后的表面质量不良，会显著影响耐蚀性。因此，应该避免在很高温度下长时间保温。
在还原性介质或氧化—还原介质中热处理的危险性更大。因为，在这种情况下，铁和镍的氧化物被还原，氧化膜变得很疏松，从而失去保护性。
在不锈耐酸钢的全部牌号中，只有马氏体钢才有脱碳危险。马氏体钢的高硬度、高强度是由含碳量决定的，铁素体钢和奥氏体钢不易脱碳；仅当钢中含有碳化物形成元素（如钼、钛等）时，才可能有脱碳现象。而且即使脱碳也不算是严重缺陷，甚至往往还希望脱碳。
在温度1000℃以上的氧化性介质中长时间保温时，马氏体不锈钢将猛烈脱碳，致使钢的表面形成粗晶粒的铁素体层。硬度要求越高，脱碳造成的危害越大。为了防止脱碳，推荐在中性的或轻微增碳的气氛中加热。
相反，对大部分不锈耐酸钢（特别是奥氏体钢）而言，表面增碳是非常危险的。增碳会使晶间腐蚀加剧。为了杜绝增碳的可能性，装炉前应将零件在碱或有机溶剂中仔细除油，随后再烘干；加热时避免和任何含碳的物质接触，最好在氧化气氛中加热。这些措施对含碳量特别低的钢（碳含量≤0.03%）特别重要。
热处理时必须准确地控制炉温。一方面要精确校正炉温仪表，同时还要注意观察氧化色。不锈耐酸钢的氧化色与一般钢是不同的，见表14。
表14 不锈耐酸钢的氧化色
马氏体不锈钢可以进行两种退火。第一种退火是低于临界点的不完全退火，实际上是高温回火，可用任意方式冷却。第二种退火是高于临界点的完全退火，这种退火在规定的温度保温后缓慢冷却。
马氏体不锈钢的淬火温度为950～1150℃，含碳量越高和要求的硬度越高时，淬火温度应越高（主要使碳化物较完全地溶解）。加热后，按钢的含碳量、零件的尺寸和形状，确定在空气中或是在油中冷却。含碳量高的钢和尺寸小、形状复杂的零件在空气中冷却，以避免形成裂纹。
马氏体不锈钢淬火后的回火温度按要求的性能而定。如果在室温使用，应选择较低的回火温度。
铁素体不锈耐酸钢的退火在740～900℃的范围内进行。加热温度超过900℃，晶粒会迅速长大而使钢变脆。为了很快地经过475℃脆性温度范围，退火后的冷却应该很迅速。
奥氏体耐酸钢的淬火温度为1050～1150℃。钢中含碳量越高，淬火加热温度也应该越高。在保证获得均匀固溶体的前提下，保温时向应该尽量短一些。对于18-8型钢，通常，直径或厚度每1mm保温1～2min。如果保温时间过长，会引起晶粒长大，降低对一般腐蚀和晶间腐蚀的抵抗能力。Cr18Ni2Mo2Ti、Cr18Ni12Mo3Ti的加热时间应较18-8型钢多0.5～1倍。奥氏体钢加热到高温后再缓慢冷却，会引起固溶体分解，在晶界上形成各种不同成分的过剩相，这对耐腐蚀性能也是不利的。因此，淬火加热后，应迅速冷却（一般采用水冷）。
表15所示为不锈耐酸钢热处理的综合资料。
表15 某些不锈耐酸钢的热处理资料
表16 不锈耐酸钢在各种腐蚀介质中的耐蚀性 （腐蚀率，mm/年）
（续）
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①除有星号（∗）者外，其余是Cr17的数据，仅供参考。
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