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什麼是奧氏體不銹鋼

什麼是奧氏體不銹鋼?

以奧氏體組織為基體的一類鐵–鉻–鎳或鐵–鉻–錳(氮)系不銹鋼。奧氏體是具有面心立方晶體結構的組織,純鐵只有在910~1390℃的溫度區間內才以穩定的奧氏體存在。隨著合金元素的加入,奧氏體穩定存在的溫度區間會發生變化。當鋼中主要合金元素鉻和鎳(或錳、氮)達到一定的含量並以適當的比例搭配時,鋼在室溫下基本保持奧氏體組織。奧氏體不銹鋼以其優良的耐蝕性,從它被發現的那天起,便受到人們的高度重視。

簡史奧氏體不銹鋼已有80多年的歷史,世界上最早的奧氏體不銹鋼是1912年首先在德國發明的。1914年定名為V2A的第一個奧氏體不銹鋼在制堿和合成氨生產中獲得工業應用。其主要成分為20%鉻、7%鎳和作為基體的鐵,但是碳含量較高,約為0.25%。其後隨著生產工藝的改進,逐漸發展演變為人們所熟知的18-8不銹鋼。到1925年以後,陸續在英、美、德等國廣泛應用於硝酸、合成氨生產及制堿等化學工業中,成為與Cr17型鐵素體不銹鋼齊名的兩大不銹鋼種之一。而奧氏體不銹鋼由於在生產和應用方面更有其突出的優越性,生產量和使用範圍日益擴大,很快佔據不銹鋼的主導地位。其化學成分也不斷發展和改進,牌號越來越多,逐步發展成為較為複雜的奧氏體不銹鋼系列,現在,奧氏體不銹鋼產量約占不銹鋼總產量的70%。按產量和產品水准排於前列的主要生產國有日本、美國、德國、俄羅斯、瑞典及英國等。牌號主要集中於0Cr19Ni9、00Cr19Ni10、0Cr17Ni12Mo2、00Cr17Ni14-Mo2和1Cr17Ni7等。生產中廣泛採用先進科技,如爐外精煉率達到95%以上,連鑄比超過80%,高速軋機和精、快鍛機等普遍推廣。特別是在冶煉和加工過程中實現電子電腦控制,保證了產品品質和效能的可靠和穩定。

分類按照奧氏體化元素的不同,奧氏體不銹鋼可分為鉻鎳系和鉻錳系兩類。鉻鎳系以鎳為主要奧氏體化元素,鎳含量至少要在8%以上,最高可達30%。為保證鋼的不鏽性和耐蝕性,鉻含量一般不低於17%。鉻錳系以錳為主要奧氏體化元素,其開發的目的在於節約較為昂貴的元素鎳。但由於錳的奧氏體化能力比鎳低得多(僅為鎳的一半左右),而且在鉻含量超過15%的鋼中,僅靠加錳(即使含量再高)也不能使鋼完全奧氏體化,囙此該系中通常都含有足够量的氮,有不少牌號還得保留適量的鎳。這樣該系實際上成為鉻錳氮系或鉻錳鎳氮系奧氏體不銹鋼。

鉻鎳奧氏體不銹鋼這類鋼為奧氏體不銹鋼的主體。其基礎牌號為18-8不銹鋼,該鋼種的鉻、鎳含量分別約為19%和10%,在氧化性介質中耐蝕性優良,在多種不太强的腐蝕性環境中也耐蝕。為了提高在各種不同使用條件下及較强腐蝕性環境中的耐蝕效能,鋼的合金成分在兩個方面進行發展和改進:一方面是提高鉻、鎳含量,鉻可提高到25%以上,鎳甚至可達近30%;另一方面是向鋼中添加諸如鉬、銅、矽、氮、鈦和鈮等其他合金元素。碳含量一般都比較低,現時常用牌號的碳含量多低於0.08%,並且有越來越多的牌號還達到超低碳(≤0.03%)甚至更低的水准(≤0.02%)。

鉻是奧氏體不銹鋼中的主要合金元素,其作用是促使鋼在介質中鈍化並維持鈍態穩定,從而保證鋼優良的不鏽性和耐蝕性。特別是對於耐强氧化性介質(如高溫硝酸)的腐蝕,耐氯化物溶液的點腐蝕和縫隙腐蝕,以及耐含氧化劑混合酸(如硝酸加氫氟酸,硫酸加重金屬離子、濕法磷酸等)的腐蝕,高鉻含量都是必不可少的。鎳是鉻鎳奧氏體不銹鋼的另一個主要合金元素,其作用一方面是保證鋼獲得穩定的奧氏體組織,從而使鋼具有良好的塑性、韌性(包括在低溫下的塑性和韌性)和滿意的强度,優良的加工性、成形性、可焊性及非磁等效能;另一方面可改善鋼在耐還原性介質(如鹽酸、硫酸)中腐蝕的效能,特別是能明顯提高耐氯化物應力腐蝕破裂的能力。鉬的主要作用是提高鋼對還原性介質(如硫酸、磷酸、尿素和一些有機酸)的耐蝕性,並改善耐氯化物點腐蝕和縫隙腐蝕的效能。銅加入到奧氏體不銹鋼中一方面可顯著降低鋼的冷作硬化傾向,提高冷加工成形(冷鐓、深沖)效能,另一方面與鉬複合加入可提高鋼在硫酸等還原性介質中的耐蝕性。矽作為合金元素可改善鋼耐氯化物應力腐蝕破裂的效能,並提高鋼在濃硫酸和濃硝酸中的耐蝕性。氮作為合金元素在鉻鎳奧氏體不銹鋼中應用日益增多,氮可明顯改善鋼耐點腐蝕、縫隙腐蝕和晶間腐蝕的效能,並能提高强度,同時保持塑性、韌性不下降。鈦和鈮主要是用來提高鋼的耐晶問腐蝕效能。此外,主要合金元素鉻和鎳含量的適當减少(分別减少到17%和7%左右)會降低奧氏體基體的穩定度,形成亞穩定奧氏體鋼種。這種鋼在固溶態下呈奧氏體組織,但一經冷變形,部分奧氏體很容易轉變成馬氏體,馬氏體量隨冷變形量加大而增多,從而提高了鋼的强度效能。由於上述這些各起不同作用的合金元素的加入及其含量變化,鉻鎳奧氏體不銹鋼發展出了很多種不同效能和用途的鋼種。幾種最常用的鋼種及其代表牌號如下:

(1)基礎牌號(18-8不銹鋼):0Cr19Ni9,00Cr19Ni10。

(2)用鈦、鈮穩定化的牌號:1Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni11Ti,0Cr18Ni11Nb。

(3)提高鉻、鎳含量的牌號:0Cr23Ni14(Nb),0Cr25Ni20.00Cr25Ni20(Nb),0Cr18Ni35Si。

(4)含鉬牌號:0Cr17Ni12Mo02,00Cr17Ni14Mo2,00Cr17Ni14Mo3,0Cr18Ni12Mo2Ti,0Cr18Ni12Mo-3Ti,00Cr18Ni16Mo5,00Cr25Ni22Mo2N;00Cr20Ni一25Mo6(N)。

(5)用鉬、銅複合合金化的牌號:00Cr18Ni14Mo-2Cu2,00Cr18Ni18Mo2Cu2,00Cr20Ni18Mo6CuN,00Cr20Ni25Mo4.5Cu、00Cr20Ni29Mo2Cu3Nb。

(6)深沖用含銅牌號:0Cr1SNi10Cu3;

(7)高矽牌號:00Cr18Ni14Si4Nb,00Cr17Ni20Si-6MoCu。

(8)含氮牌號:0Cr19Ni9N,00Cr18Ni10N,0Cr-17Ni12Mo2N,00Cr17Ni13Mo2N,00Cr25Ni22Mo2N。

(9)含硫、硒等易切削牌號:Y1Cr18Ni9,YICr-18Ni9Se。

(10)冷作强化用亞穩奧氏體牌號:1Cr17Ni7。

鉻錳奧氏體不銹鋼主要包括鉻錳氮鋼和鉻錳鎳氮鋼兩類。為了保證不鏽性和耐蝕性,鉻含量多在17%以上,最高可達22%。錳是維持鋼的奧氏體基體的合金元素,其含量在5%~18%之間。在鉻錳氮鋼中,錳一般超過13%;而在鉻錳鎳氮鋼中,由於保留了適量的鎳(一般在3%~8%),錳可降低到稍低的水准。鎳是鉻錳鎳氮鋼中的重要合金元素,它除與錳、氮等元素共同維持鋼的奧氏體基體組織外,對於改善鋼的熱加工性和塑、韌性,以及提高鋼對於非氧化性介質的耐蝕性,都有重要作用。氮是非常重要的奧氏體化元素,其奧氏體化能力約為鎳的30倍,同時能顯著提高鋼的强度並改善耐蝕性,其含量一般都在0.2%以上,高時可達0.5%~0.6%。有時為了某種需要也有些牌號不含氮的,但必須保留較多的鎳(約6%),並常加入少量銅(2%)。與鉻鎳奧氏體不銹鋼一樣,鉻錳奧氏體不銹鋼碳含量也比較低,一般都在0.08%以下,但超低碳(≤0.03%)的牌號較少。

簡單的鉻錳氮鋼只耐氧化性介質的腐蝕。向鋼中(特別是向鉻錳鎳氮鋼中)加入鉬和銅等元素可提高在多種非氧化性腐蝕環境中(如硫酸、尿素等)的耐蝕性,鉬和銅的含量沒有像鉻鎳奧氏體不銹鋼中那樣高,通常分別為3%和2%。有時也加入少量鈮或釩(<1%)以改善耐晶間腐蝕效能。現時已經實際應用的牌號有:

(1)鉻錳氮鋼:0Cr18Mn15N。

(2)鉻錳鎳氮鋼:0Cr18Ni3Mn13N,0Cr18Ni5Mn-9N,0Cr21Ni6Mn9N。

(3)含鉬的鉻錳氮鋼:0Cr18Mn13Mo2N,0Cr-18Mn18MoN。

(4)含鉬的鉻錳鎳氮鋼:0Cr18Ni5Mn10Mo3N,0Cr20Ni6Mn9Mo2N,0Cr22Ni13Mn5Mo2VNbN。

(5)含銅的鉻錳鎳鋼:0Cr17Ni5Mn6Cu,0Cr-17Ni6Mn6MoCu2。

性能特點和應用鉻鎳奧氏體不銹鋼最突出的特點,是對多種腐蝕性環境特別耐腐蝕。這與該類鋼的奧氏體基體中鉻、鎳含量可以加到很高,並能大量溶入多種有利於改善耐蝕性的其他合金元素如鉬、銅、矽和氮等密切相關。因而無論是在氧化性、還原性或氧化還原複合性介質以及各種有機介質中,在很寬的濃度、溫度範圍內,耐蝕性(包括耐均勻腐蝕和局部腐蝕)均很優良。

對於耐以硝酸為代表的氧化性介質(包括很多種有機酸)的均勻腐蝕,可用常見的18-8不銹鋼(00Cr19Ni10、0Cr18Ni11Ti)。如果酸的濃度、溫度較高,或是耐蝕性要求更嚴,可採用更高鉻的牌號(如00Cr25Ni20Nb等)。對於耐硫酸、稀鹽酸、甲酸、尿素等還原性介質,取決於介質濃度和溫度,可依次選用含鉬(00Cr17Ni14Mo2、00Cr25Ni22Mo2N)和高鉬(00Cr18Ni16Mo5)和高鉬含銅鋼(如0Cr20Ni25Mo4.5Cu等)。對於耐濃硫酸(濃度≥90%)和濃硝酸(濃度≥85%)。應選用高矽牌號的不銹鋼(00Cr17Ni20Si6MoCu、00Cr18Ni13Si4Nb)。對於種類繁多的氧化還原複合性介質,則選用高鉻、鎳含量並用鉬、銅複合合金化的牌號(00Cr20Ni25Mo4.5Cu、00Cr20Ni29Mo2Cu3Nb、00Cr20Ni18Mo6CuN等)通常可獲得滿意的耐蝕效果。需要指出,對於鹵族(如濕氯)和鹵化物酸(鹽酸、次氯酸和氫氟酸等)以及溫度較高的中等濃度(50%~70%)硫酸,鉻鎳奧氏體不銹鋼只能在有限的程度上耐蝕。

對於由氯化物溶液引起的點腐蝕和縫隙腐蝕、用高鉻、鉬含量特別是又添加氮的鋼(如00Cr18Ni-16Mo5、00Cr20Ni25Mo6N、00Cr20Ni18Mo5CuN)能取得很好的耐蝕效果。提高鎳含量以及又加入矽的鋼種(如00Cr25Ni25Si2V2Nb)具有較好的耐氯化物應力腐蝕破裂效能。但由於鎳含量必須更高(超過35‰)或者極低(≤0.1%),鋼材更耐氯化物應力腐蝕破裂,這樣的合金已不再屬於奧氏體不銹鋼(分別進入鐵鎳基、鎳基合金或鐵素體不銹鋼的範圍)。囙此,作為奧氏體不銹鋼(鎳含量為8%0~30%),其耐氯化物應力腐蝕盔一破裂的能力還顯得不够。晶間腐蝕曾經是奧氏體不銹鋼應用和發展的一大障礙,現時採用先進的冶煉科技已經可以把鋼中碳含量降低到0.03%乃至0.02%以下,成功地解决了敏化態(如焊後)的晶間腐蝕問題,加鈦、鈮等穩定化元素已經不是防止敏化態晶間腐蝕的主要手段。為了防止在强氧化性介質(含有cr+6、、Mn+7、Fe+3等高價重金屬離子的高溫硝酸)中的非敏態晶間腐蝕,現時的有效措施是將鋼高純化,即把矽、磷等雜質元素含量降到很低的水准(si≤0.1%、P≤0.01%)。

鉻鎳奧氏體不銹鋼的力學性能特點是:硬度較低,强度適中,塑性、韌性優良(見錶1),因而非常適應於各種機械成形和製造加工。加之焊接性能良好:可採用各種常用焊接方法(如鎢極氬弧焊、手工焊、帶極堆焊等),焊縫不會產生裂紋,焊接接頭的耐蝕性和力學性能與母材相當。所以可以很順利地加工製造各種常用設備、裝置和構件等。

錶1鉻鎳奧氏體不銹鋼的力學性能(室溫,固溶態)

牌號 σ0.2/MPa σb/MPa δ5/% ψ/% HRB
大量常用牌號 220~330 520~660 45~60 55~80 80~95
00Cr19Ni10 230 570 55 72 90
0Cr18Ni11Ti 250 600 50 66 90
00Cr20Ni25Mo4.5Cu 260 610 50 65 90

鉻鎳奧氏體不銹鋼的低溫效能也很好,即使在液氮溫度(-196℃)也不會變脆。在較高溫度下也能維持一定的强度和良好塑性。這為其擴大使用範圍提供了良好條件。此外,該類鋼在加熱和冷卻過程中無相變,因而無法通過熱處理來强化,惟一的强化管道是冷變形。這樣其强化程度當然是很有限的,而且會伴隨著塑性和韌性的損失。

鉻鎳奧氏體不銹鋼的物理性能特點是:導熱係數低、電阻大、熱膨脹係數大和無磁等。常用物理常數列於錶2。

錶2鉻鎳奧氏體不銹鋼物理常數(固溶態的數值範圍)

密度D(20℃)/g·cm-3 7.9~8.1
導熱係數λ(100℃)/W·(m·K)-1 14.6~16.3
質量熱容C(20℃)/W·(m·K)-1 460~500
電阻率ρ(20℃)/μΩ·cm 69~88
線膨脹係數λ(20~400℃)/K-1 (16.7~18.2)×10-6
彈性模量E(20℃)/MPa (19.3~20.3)×104
磁導率μ0(20℃) 1.008
熔點Tm/℃ 1371~1454

廣泛的應用,使用範圍遍及國民經濟各領域,除化工、石化、核能、冶金、紡織和輕工等工業部門是傳統的主要用戶外,在海洋開發、交通運輸、商業、建築以及日常生活等方面用量也日益新增。當前,鉻鎳奧氏體不銹鋼的用量約占所有不銹鋼總量的70%左右。

鉻錳奧氏體不銹鋼較之鉻鎳奧氏體不銹鋼耐蝕性明顯遜色,一般只在弱腐蝕性環境或氧化性介質中耐蝕。但含有一定量的鉬特別是鎳含量又比較高的牌號,如0Cr18Ni5Mn10Mo3N、0Cr20Ni6Mn9Mo2N和0Cr22Nn3Mn5Mo2VNbN等,在氧化性、還原性和氧化還原複合性介質中也能呈現出較好耐蝕性。鉻錳奧氏體不銹鋼力學性能的突出特點是强度、硬度較高,同時塑性,韌性良好。與同等合金化程度的鉻鎳奧氏體不銹鋼相比,抗拉强度可高出30%~40%,而屈服强度競可高出50%~80%。但是,該類鋼的熱、冷加工工藝效能、冷成形效能和焊接效能等均不如鉻鎳奧氏體不銹鋼,資料的生產加工和用該資料進行設備製造等會比鉻鎳奧氏體不銹鋼難度更大。鑒於上述情况,該類鋼應用受到一定局限。根據其性能特點,現時主要應用於腐蝕性不太强但承受較高機械負荷的工作條件下,如石油勘探及開採、石油加工以及航空和輕工等部門的有關設備或裝置與構件等。

生產工藝奧氏體不銹鋼生產工藝性能良好,特(210奧別是鉻鎳奧氏體不銹鋼,採用生產特殊鋼的常規手段可以順利地生產出各種常用規格的板、管、帶、絲、棒材以及鍛件和鑄件。由於合金元素(特別是鉻)含量高而碳含量又低,現時多採用電弧爐加氬氧脫碳(AOD)或真空脫氧脫碳(VOD)法大批量生產這類不鏽鋼材,對於高級牌號的小批量產品可採用真空或非真空非感應爐冶煉,必要時加電渣重熔。鉻鎳奧氏體不銹鋼優良的熱塑性使其易於施以鍛造、軋製、熱穿孔和擠壓等熱加工,鋼錠加熱溫度為1150~1260℃,變形溫度範圍一般為900~1150℃,含銅、氮以及用鈦、鈮穩定化的鋼種偏靠低溫,而高鉻、鉬鋼種偏靠高溫。由於導熱差,保溫時間應較長。熱加工後工件空冷即可。鉻錳奧氏體不。鏽鋼熱裂紋敏感性較强,鋼錠開坯時要小變形、多道次,鍛件宜堆冷。可以進行冷軋、冷拔和旋壓等冷加工工藝和衝壓、彎曲、卷邊與折疊等成形操作。鉻鎳奧氏體不銹鋼加工硬化傾向較鉻錳鋼弱,一次退火後冷變形量可以達到70%~90%,但鉻錳奧氏體不銹鋼由於變形抗力大,加工硬化傾向强,應新增中間軟化退火次數。一般中間軟化退火處理為1050~1100℃水冷。

奧氏體不銹鋼也可生產鑄件。為了提高鋼液的流動性,改善鑄造效能,鑄造鋼種合金成分應有所調整:提高矽含量,放寬鉻、鎳含量的區間,並提高雜質元素硫的含量上限。

奧氏體不銹鋼使用前應進行固溶處理,以便最大限度地將鋼中的碳化物等各種析出相固溶到奧氏體基體中,同時也使組織均勻化及消除應力,從而保證優良的耐蝕性和力學性能。正確的固溶處理制度為1050~1150℃加熱後水冷(細薄件也可空冷)。固溶處理溫度視鋼的合金化程度而定:無鉬或低鉬鋼種應較低(≤1100℃),而更高合金化的牌號如00Cr20Ni18Mo-6CuN、00Cr25Ni22Mo2N等宜較高(1080~1150℃)。

展望奧氏體不銹鋼今後的發展方向:(1)鋼種極低碳化(碳≤0.02%)和高純化(作為雜質元素硫、磷、矽、錳等含量極低)。(2)特殊用途鋼種開發。如熱海水用高鉬鋼、高耐蝕高强度的高氮鋼(氮含量達到0.4%~0.6%甚至0.8%~1.0%),不銹鋼功能資料(記憶資料、儲氫材料等)等。(3)新工藝開發。不銹鋼複合材料、非晶不銹鋼等。

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