不锈钢技术及其发展

总第183期2011年第3期HEBEIMETALLURGYTotal1832011，Number3收稿日期:2011－03－17作者简介:陈礼斌(1967－)，男，高工，1990年毕业于武汉钢铁学院金属压力加工专业，现在河北钢铁集团唐钢公司唐山不锈钢公司工作，E－mail:[e-mail]不锈钢技术及其发展陈礼斌，高永春(河北钢铁集团唐钢公司唐山不锈钢公司，河北唐山063105)摘要:不锈钢是工业与民用建筑中广泛应用的金属材料，按其组织状态分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢四种类型。目前不锈钢冶炼技术已从一步法、二步法发展到三步法冶炼，生产工艺趋于成熟，钢种结构更加合理，市场应用更加广泛，需求已从民用转向工业应用，是国民经济中不可替代的产品。关键词:不锈钢;技术;发展中图分类号:TG142．71文献标识码:A文章编号:1006－5008(2011)03－0005－08STAINLESSSTEELTECHNIQUEANDITSDEVELOPMENTChenLibin，GaoYongchun(TangshanStainlessSteelCompany，TangshanIronandSteelCompany，HebeiIronandSteelGroup，Tangs-han，Hebei，063105)Abstract:Stainlesssteelisonemetalmaterialextensivelyappliedinindustrialandcivilarchitecture．Accordingtostructureitcanbedividedintofourkinds:martensite，ferrite，austeniteandduplexstainlesssteel．Atpres-entitssmeltingtechniquehasbeendevelopedfromone－step，two－steptothree－stepmethod，productiontechnologyhasbeennearlyripe，gradecompositionmorereasonable，marketapplicationevenmorewidesprea-ding，anddemandforithadbeenchangedfromciviltoindustry．Itisakindofproductcouldnotbeingre-placedinnationaleconomy．KeyWords:stainlesssteel;technique;development1前言不锈钢是指具有抵抗大气、酸、碱和盐等腐蚀作用的合金钢的总称。通常所说的“不锈”是指其抗腐蚀性能，可归因于在氧化的环境中，形成一层氧化铬表面膜。这层薄膜具有不溶解、能自行恢复和无气孔的特点。不锈钢具有良好的耐腐蚀、耐高温、耐磨损、外观精美等特性，用途非常广泛，是石油、化工、化肥、制药、食品、国防、餐具、合成纤维和石油提炼等行业中广泛使用的金属材料。2不锈钢的种类和特点不锈钢有两种分类法:一种是按合金元素的特点，划分为铬不锈钢和铬镍不锈钢;另一种是按在正火状态下钢的组织状态，划分为M不锈钢、F不锈钢、A不锈钢、A－F双相不锈钢。2．1马氏体不锈钢马氏体是奥氏体通过无扩散型相变而转变成的亚稳相，具有铁磁性，其硬度、强度主要由过饱和的碳含量决定，随着碳含量的增加，γ相区边界逐渐向高铬方向扩展，而铬含量的增加，又稳定铁素体和缩小奥氏体γ相区，并阻碍冷却时奥氏体向马氏体的转变，所以提高铬含量时，还需相应提高碳含量来扩大γ相区，才能获得马氏体组织。典型的马氏体不锈钢有1Cr13～4Cr13和9Cr18等。1Cr13钢加工工艺性能良好，可不经预热进行深冲、弯曲、卷边及焊接;2Crl3冷变形前不要求预热，但焊接前需预热。1Crl3、2Cr13主要用来制作耐蚀结构件，如汽轮机叶片等，而3Cr13、4Cr13主要用来制作医疗器械外科手术刀及耐磨零件，9Crl8可做耐蚀轴承及刀具。2．2铁素体不锈钢铁素体是指铁和其它元素形成的体心立方晶格结构的固溶体。对一般钢而言，通常是指碳和其它元素在α铁中的间隙固溶体(α相)组织，不会发生奥氏体相变。铁素体不锈钢则是指含有大于12%5总第183期HEBEIYEJIN的铬在α铁中的间隙固溶体。其中还含有相当低的碳和铁素体形成元素，如Al、Mo等，以保证钢的组织主要是铁素体，它具有强烈的磁性，不能用淬火方法使之硬化。铁素体不锈钢的含Cr量一般为13%～30%，含碳量低于0．25%，有时还加入其它合金元素，金相组织主要是铁素体，加热及冷却过程中没有α－γ转变，抗氧化性强。同时，它还具有良好的热加工性及一定的冷加工性。铁素体不锈钢主要用来制作耐蚀性要求较高而强度要求较低的构件，广泛用于制造生产硝酸、氮肥等设备和化工使用的管道等。典型的铁素体不锈钢有Crl7型、Cr25型和Cr28型。铁素体不锈钢不含镍或仅含少量的镍，因而是一种节镍不锈钢，随着对铁素体不锈钢的深入研究和应用实践，不锈钢生产和应用技术不断进步和完善，采用近代不锈钢生产技术所生产的低碳、氮，超低碳、氮，以及高纯［C+N≤(100～150)×10－6］和超级(Cr+3．3Mo≥35)铁素体不锈钢等现代铁素体不锈钢，与用电弧炉单炼并加工生产的传统(普通)铁素体不锈钢相比较，性能上的某些不足已经得到了极大程度的克服和相当圆满的解决。铁素体不锈钢已广泛应用于厨房设备、家用电器、建筑装饰、交通运输、环保、市政建设等几乎所有与人们生活密切相关的各个领域，在汽车、厨房设备中，其产量与消费量还有超过铬镍奥氏体不锈钢的趋势。扩大生产与应用现代铁素体不锈钢已经成为世界各国不锈钢节镍的主要方向。日本不锈钢生产厂家开发的耐点蚀、耐缝隙腐蚀性和力学性能俱佳的多种铁素体不锈钢种，主要有SUS430J1L、SUS436J1L和SUS436J1L系钢种。另外，还开发出SUS445J2和SUS447等性能优良的高耐蚀铁素体不锈钢。铁素体不锈钢已在世界各主要产钢国引起重视，成为不锈钢发展的重要新趋势之一。我国的大中型不锈钢企业已经基本具备大量生产中铬和低铬现代铁素体不锈钢冷轧板、带和管材的条件，从发展前景看，铁素体不锈钢无论生产和消费今后还会有较大的增长。2．3奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢是铬、镍等元素在γ－Fe中形成的间隙固溶体，为了使铬镍钢保持完全奥氏体组织，钢中的镍含量应不少于下列经验公式的数值:Ni(%)=1．1(Cr+Mo+1．5Si+1．5Nb)－0.5Mn－30C－8．2(1)钢中加钛和铌是为防止晶间腐蚀，加钼可提高Cr－Ni不锈钢在硫酸及氯化物中的腐蚀性能。由于钼是形成铁素体的元素，为了使钢保持纯奥氏体组织，需相应地提高钢的含镍量。奥氏体不锈钢的主要特点是，在室温下具有无磁性的奥氏体组织，钢的屈强比低，塑性好，焊接性能良好，易于冶炼及铸锻热成形;其成分特点是含有较高的铬(≥17%)，镍(8%～25%)及其它提高耐蚀性的元素(如钼、铜、硅、铌、钛等)。因此，奥氏体类不锈钢不但有良好的耐蚀性，而且还有良好的力学性能和工艺性能，从而在机械设备上获得了广泛的应用。(1)奥氏体不锈钢的晶间腐蚀奥氏体不锈钢在450℃～850℃保温或缓慢冷却时，会出现晶间腐蚀。含碳量越高，晶间腐蚀倾向性越大。此外，在焊接件的热影响区也会出现晶间腐蚀，这是由于在晶界上析出富Cr的Cr23C6，使其周围基体产生贫铬区，从而形成腐蚀原电池造成的，这种晶间腐蚀现象铁素体不锈钢中也是存在的。工程上常采用以下几种方法防止晶间腐蚀:①降低钢中的含碳量，使钢中含碳量低于平衡状态下在奥氏体内的饱和溶解度，即从根本上解决了铬的碳化物(Cr23C6)在晶界上析出的问题。通常钢中含碳量降至0．03%以下即可满足抗晶间腐蚀性能的要求;②加入Ti、Nb等能形成稳定碳化物(TiC或NbC)的元素，避免在晶界上析出Cr23C6，即可防止奥氏体不锈钢的晶间腐蚀;③通过调整钢中奥氏体形成元素与铁素体形成元素的比例，使其具有奥氏体+铁索体双相组织，其中铁素体占5%～12%，这种双相组织不易产生晶间腐蚀;④采用适当热处理工艺，可以防止晶间腐蚀，获得最佳的耐蚀性。(2)奥氏体不锈钢的应力腐蚀应力(主要是拉应力)与腐蚀的综合作用所引起的开裂，称为应力腐蚀开裂，简称SCC(Stress-CrackCorrosion)。奥氏体不锈钢容易在含氯离子的腐蚀介质中产生应力腐蚀。当含Ni量达到8%～10%时，奥氏体不锈钢应力腐蚀倾向性最大，继续增加含Ni量，应力腐蚀倾向逐渐减小，直至消失。防止奥氏体不锈钢应力腐蚀的最主要途径是加入一定量的Si，并从冶炼上控制N含量，还应尽量减少P、Sb、Bi、As等杂质的含量。另外，可选用A－F双相钢，它在Cl－和OH－介质中对应力腐蚀不敏感。(3)奥氏体不锈钢的形变强化单相的奥氏体不锈钢具有良好的冷变形性能，可以冷拔成很细的钢丝，冷轧成很薄的钢带或钢管。6河北冶金2011年第3期经过大量变形后，钢的强度大大提高。奥氏体不锈钢经形变强化后，可用来制造不锈弹簧、钟表发条、航空结构中的钢丝绳等。形变后若需焊接，则只能采用点焊工艺，形变使应力腐蚀倾向性增加。(4)奥氏体不锈钢的热处理奥氏体不锈钢常用的热处理工艺有:固溶处理、稳定化处理和去应力处理等。固溶处理:将钢加热到1050～1150℃后水淬，主要目的是使碳化物溶于奥氏体中，并将此状态保留到室温，这样钢的耐蚀性会有很大改善。如上所述，为了防止晶间腐蚀，通常采用固溶化处理，使Cr23C6溶于奥氏体中，然后快速冷却。对于薄壁件可采用空冷，一般情况采用水冷。稳定化处理:一般是在固溶处理后进行，常用于含Ti、Nb的钢，固溶处理后，将钢加热到850～880℃保温后空冷，此时Cr的碳化物完全溶解，且在冷却过程中充分析出，使碳不可能再形成铬的碳化物，因而有效地消除了晶间腐蚀。去应力处理:去应力处理是消除钢在冷加工或焊接后的残余应力的热处理工艺，一般加热到300～350℃回火。对于不含稳定化元素Ti、Nb的钢，加热温度不超过450℃，以免析出铬的碳化物而引起晶间腐蚀。对于超低碳和含Ti、Nb不锈钢的冷加工件和焊接件，需在500～950℃加热，然后缓冷，消除应力(消除焊接应力取上限温度)，可以减轻晶间腐蚀倾向，并提高钢的应力腐蚀抗力。2．4奥氏体－铁素体双相不锈钢双相不锈钢由奥氏体相和铁素体相所组成，它在一定程度上兼有奥氏体和铁素体钢的特征。奥氏体相的存在，降低了高铬铁素体不锈钢的脆性，防止了晶粒长大倾向，提高了韧性和可焊性;铁素体相的存在，提高了奥氏体不锈钢的室温强度，尤其是屈服强度和导热系数，降低膨胀系数和焊接热裂倾向，同时大大提高钢的耐应力腐蚀开裂性能，还可改善耐点蚀等性能。但是双相不锈钢因奥氏体相和铁素体相同时存在而带来某些缺点，因铁素体含量较多，保留了高铬铁素体不锈钢的各种脆性倾向，尤以铁素体为基体的高铬(如25%Cr)、钼双相不锈钢最为显著。另外，因铁素体和奥氏体相的变形能力不同，冷热加工性能较差。3不锈钢的发展历史与现状［1～5］不锈钢的探索阶段或者早期研究阶段是在1797年～1878年，当时人们注意到了铬可以提高钢产品的抗蚀性。著名的电磁学家法拉第曾经是最先将低合金钢的生锈纳入研究课题的发起人。但是对不锈钢研究有显著进展的阶段是在1895年～1910年，其主要标志是发表了许多很有价值的研究论文，至此，不锈钢被学术界和产业界纳入了研究范畴。在这之后的数年间，有多个国家几乎同时研制成功了不锈钢。英国人H．Brearley开发出了与现在AISI420相当的不锈钢;美国人C．Dantsizen等开发了与现在SUS430相当的不锈钢;德国克虏伯公司的E．Maurer和B．Strauss开发出的18～8不锈钢的雏形，并进行了工业化生产。按凝固组织来分，这些不锈钢分别为马氏体、铁素体、奥氏体一铁素体和沉淀硬化不锈钢;按化学成分来分，基本上属于Fe－Cr和Fe－Cr－Ni两大体系，研制时只是用坩埚冶炼法