1. 不銹鋼的特性、用途及品種

不銹鋼是指一些在空氣、水、酸性溶液及其它腐蝕介質(zhì)中具有較高化學穩(wěn)定性，在高溫下具有抗氧化性的鋼。不銹鋼的耐腐蝕性能和抗氧化性與其化學成分密切相關(guān)。

1.1、化學成分對不銹鋼的組織和性能的影響

1.1.1 鉻是決定不銹鋼耐腐蝕性能的主要元素

為什么鉻能決定不銹鋼的耐腐蝕性能？是不是含鉻的鋼都是不銹鋼？回答這個問題必須從金屬腐蝕說起。

 金屬腐蝕可分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩種。在高溫下金屬直接與空氣中的氧反應(yīng)，生成氧化物，是一種化學腐蝕。在常溫下這種腐蝕進行得很緩慢，金屬的腐蝕主要是電化學腐蝕。

電化學腐蝕的本質(zhì)是金屬在介質(zhì)中離子化。以鐵為例，電化學腐蝕過程可表示為：

     Fe-e=Fe++

一種金屬耐電化學腐蝕的能力，決定于本身的電極電位。電極電位越負，越易失去電子，發(fā)生離子化。電極電位越正，越不易失去電子，不易離子化。

常見金屬的標準電極電位如表1-1。

                    表1-1  常見金屬的標準電極電位

鉻提高鋼耐腐蝕性能的第一個原因是鉻使鐵-鉻合金鋼的電極電位提高。當鉻含量達到1/8、2/8、3/8……原子比時，鐵-鉻合金鋼的電極電位呈跳躍式的提高，這種變化規(guī)律叫n/8定律，如圖1-1所示。

當鐵-鉻固溶體中鉻的原子含量達到12.5%（1/8）第一個突變值時，基體在FeSO4溶液中的電極電位由-0.56V跳增至+0.2V，通常把12.5%的原子含量作為不銹鋼的最低含鉻量，換算成重量百分比則為： 12.5%×（鉻原子量/鐵原子量）=12.5%×52/55.8=11.65% 含鉻低于11.65%的鋼，一般不叫不銹鋼。

鉻提高鋼的耐蝕性能的第二個原因是鐵-鉻合金鋼在氧化性介質(zhì)中極易形成一層致密的鈍化膜（FeO.Cr2O3），這層鈍化膜穩(wěn)定、完整，與基體金屬結(jié)合牢固，將基體與介質(zhì)完全隔開，從而有效地防止鋼進一步氧化或腐蝕。但在還原性介質(zhì)中，這層膜有破裂的傾向。

一般說來，不銹鋼的耐蝕性能和抗氧化性能是隨鉻含量的增加而增加的。從表1-2可以看出，鐵-鉻合金鋼在海洋大氣中的腐蝕隨鉻含量的增加而減少。圖1-2顯示鐵-鉻合金鋼在1000℃時，氧化失重與鉻含量的關(guān)系。

表1-2  鐵-鉻合金鋼在海洋大氣中腐蝕率與鉻含量關(guān)系

1.1.2 碳的雙重作用

碳是不銹鋼中僅次于鉻的第二號常用元素，不銹鋼的組織和性能在很大程度上取決于碳含量及其分布狀態(tài)。

碳是穩(wěn)定奧氏體元素，它對奧氏體的穩(wěn)定作用很強烈，約為鎳的30倍。圖1-3顯示碳對不銹鋼奧氏體區(qū)的影響。在高溫下處于α或α+γ相區(qū)的鉻鋼是不能或很難通過淬火得到馬氏體組織的。以含鉻13%的鋼為例，碳含量小于0.08%時為鐵素體鋼，碳含量0.08%～0.15%時為半馬氏鋼，碳含量大于0.15%時為馬氏體鋼。

碳能顯著提高不銹鋼的強度，從2Cr13、3Cr13、4Cr13到9Cr18，鋼的強度隨碳含量增加逐級提高。在奧氏體鋼中碳也是最有效的固溶強化元素。表1-3顯示奧氏體鋼抗拉強度和屈服強度隨碳含量增加而上升。

                   表1-3  碳對18-8型不銹鋼強度的影響

不銹鋼奧氏體化時碳的最大溶解度為0.50%，在冷卻過程中碳的溶解度減少，不斷析出，由于碳和鉻的親和力很大，它能與鉻形成一系列復雜的碳化物，碳化物的類型因鋼中鉻含量的不同而異。含鉻小于10%的鋼，主要為滲碳體型碳化物（Fe.Cr）3C，高鉻鋼中的碳化物為復雜碳化物Cr7C3和Cr23C6。碳化物中的鉻可以被置換，以（Fe.Cr）7C3和（Fe.Cr）23C6的的形式存在。不銹鋼中的碳化物主要以（Fe.Cr）23C6形式存在。

碳與鉻形成碳化物時要占用不銹鋼中的一部分鉻，以Cr23C6為例計算：

       Cr23C6:（鉻原子量×23）/（碳原子量×6）=（52×23）/（12×6）≈17

不銹鋼中的碳要與17倍的鉻結(jié)合，生成碳化物，固溶體中的鉻含量必然要減少，鋼的耐腐蝕性能就要降低。如果形成碳化物后固溶體中的鉻含量低于11.65%，就不能稱其為不銹鋼，模具鋼Cr12和Cr12MoV就是一例。0Cr13～4Cr13五個牌號標準中規(guī)定含鉻量為12.0～14.0%，就是考慮到碳要與鉻形成碳化物確定的。

因為碳對耐腐蝕性能有不利的影響，奧氏體和鐵素體鋼很少采用碳來強化，其含碳量多在0.15%以下。馬氏體鋼的含碳量大多在0.10%～0.40%范圍內(nèi)。

1.1.3 鎳是穩(wěn)定奧氏體元素

鎳是不銹鋼中第三號常用元素，它在鋼中起擴大奧氏體區(qū)、穩(wěn)定奧氏體組織的作用。鉻不銹鋼中加入一定量的鎳后，組織和性能都發(fā)生明顯變化。如1Cr17為鐵素體鋼，熱處理后抗拉強度在500N/mm2左右，加入2.0%的鎳，變?yōu)?Cr17Ni2馬氏體鋼，淬火后抗拉強度達1100N/mm2以上。圖1-4顯示了含碳0.10%的鋼，在不同鉻含量下得到穩(wěn)定奧氏體組織所需的鎳含量。當鉻為18%時，只需要8%的鎳，常溫下就能得到奧氏體組織，這就是18-8型不銹鋼的來由。

鎳能顯著地提高鉻鋼的耐腐蝕性能和高溫抗氧化性能，鉻-鎳奧氏體鋼比鉻含量相同的鐵素體和馬氏體鋼有更好的耐腐蝕性能。鉻含量在20%以下時，鋼的抗氧化性能隨鎳量的增加不斷改善。對于高鉻鋼，最佳鎳含量在10%～20%之間，Cr20Ni10和Cr25Ni20就是兩個典型的耐熱鋼。

鎳能有效地降低鐵素體鋼的脆性，改善其焊接性能，但對抗應(yīng)力腐蝕性能有不利的影響，對于奧氏體鋼，鎳能降低鋼的冷加工硬化趨勢，改善冷加工性能，使鋼在常溫和低溫下均具有很高塑性和韌性。

1.1.4錳和氮可以代替鎳

錳是奧氏體形成元素，它能抑制奧氏體的分解，使高溫形成的奧氏體組織保持到室溫。錳穩(wěn)定奧氏體的作用為鎳的二分之一，2%的錳可以代替1%的鎳。

鉻-錳鋼要在常溫下得到完全奧氏體組織，與鋼中的碳和鉻含量密切相關(guān)，當碳低于0.2%、鉻大于14%～15%時，不論向鋼中加入多少錳都不能得到純奧氏體組織。要得到奧氏體組織必須增加碳含量或降低鉻含量，這兩種作法都會降低鋼的耐蝕性能，所以錳不能代替全部鎳。

含錳鋼具有冷加工強化效應(yīng)顯著，耐磨性高的優(yōu)點。缺點是對晶間腐蝕很敏感，并且不能通過加鈦和鈮來消除晶間腐蝕。

氮也是穩(wěn)定奧氏體元素，氮與錳結(jié)合能取代比較貴的鎳。氮穩(wěn)定奧氏體的作用比鎳大，與碳相當。氮代鎳的比例約為0.025∶1，一般認為氮可取代2.5%～6.5%的鎳。

在奧氏體中氮也是最有效的固溶強化元素之一。氮與鉻的親和力要比碳與鉻的親和力小，奧氏體鋼很少見到Cr2N的析出。因此氮能在不降低耐蝕性能的基礎(chǔ)上，提高不銹鋼強度，研制含氮不銹鋼是近年來不銹鋼工業(yè)的趨勢。

氮在鋼中的溶解度有限（<0.15%），加入鉻和錳能提高其溶解度，加入鎳和碳能減少其溶解度。在大氣冶煉條件下，氮以Cr-N或Mn-N合金形式加入鋼中，很難準確控制回收率。一般認為氮含量超過0.2%對冶煉操作極為不利。氬-氧精煉，加壓電渣熔煉，平衡壓力澆鑄等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，能準確控制鋼中氮含量，用氮來控制鋼中的組織成為現(xiàn)實。近期研究成果表明，適當調(diào)整不銹鋼成分，特別是鉻與錳的配比，能將鋼中的氮含量穩(wěn)定在0.4%左右，如美國的205（17Cr-1.25Ni-15Mn-0.15C-0.35N）氮含量為0.30%～0.40%。

1.1.5 鈦和鈮可以防止晶間腐蝕

鉻-鎳奧氏體不銹鋼在450～800℃溫度區(qū)加熱，常發(fā)生沿晶界的腐蝕破壞，稱為晶間腐蝕。一般認為，晶間腐蝕是碳從飽和的奧氏體以Cr23C6形態(tài)析出。造成晶界處奧氏體貧鉻所致。防止晶界貧鉻是防止晶間腐蝕的有效方法。如將各種元素按與碳的親和力大小排列，順序為：Ti、Zr、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn。鈦和鈮與碳的親和力都比鉻大，把它們加入鋼中后，碳優(yōu)先與它們結(jié)合生成碳化鈦（TiC）和碳化鈮（NbC），這樣就避免了析出碳化鉻而造成晶界貧鉻，從而有效防止晶間腐蝕。

另外，鈦和鈮與氮可結(jié)合生成氮化鈦和氮化鈮，鈦與氧可結(jié)合生成二氧化鈦，奧氏體中還能溶解一部分鈮（約0.1%）。考慮這些因素，實際生產(chǎn)中為防止晶間腐蝕，鈦和鈮加入量一般按下式計算：

Ti=（C-0.02）×5～0.8%

Nb≥10×C%

含鈦和鈮的鋼固溶處理后得到單相奧氏體組織，這種組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)，當溫度升高到450℃以上時，固溶體中的碳逐步以碳化物形態(tài)析出，650℃是Cr23C6形成溫度，900℃是TiC形成溫度，920℃是NbC形成溫度。要防止晶間腐蝕就要減少Cr23C6含量，使碳化物全部以TiC和NbC形態(tài)存在。由于鈦和鈮的碳化物比鉻的碳化物穩(wěn)定，鋼加熱到700℃以上時，鉻的碳化物就開始向鈦和鈮的碳化物轉(zhuǎn)化。穩(wěn)定化處理是將鋼加熱到850～930℃之間，保溫1h，此時鉻的碳化物全部分解，形成穩(wěn)定的TiC和NbC，鋼的抗晶間腐蝕性能得到改善。

不銹鋼中加入鈦和鈮，在一定條件下彌散析出Fe2Ti和Fe3Nb2金屬間化合物，鋼的高溫強度有所提高。由于鈮的價格昂貴（是鈦的70倍），廣泛采用的是加鈦不銹鋼。含鈦鋼存在一些缺點，如：TiO2和TiN以夾雜物存在，含量高且分布不均，降低鋼的純凈度；鑄錠表面質(zhì)量差，增加工序修磨量，極易造成大批廢品；成品拋光性能不好，很難得到高精度表面等。因此在國外不銹鋼標準中，1Cr18Ni9Ti有被淘汰的趨勢。

1.1.6鉬和銅可以提高耐蝕性能

不銹鋼的鈍化作用是在氧化性介質(zhì)中形成的，通常所說的耐腐蝕，多指氧化介質(zhì)而言。在非氧化性酸中，如稀硫酸和強有機酸中，一般鉻不銹鋼、鉻鎳不銹鋼均不耐蝕。特別是在含有氯離子（Cl）的介質(zhì)中，由于氯離子能破壞不銹鋼表面的鈍化膜，造成不銹鋼局部地區(qū)的腐蝕，即點腐蝕。在不銹鋼中加入鉬和銅是提高不銹鋼在非氧化性介質(zhì)中抗蝕性能的有效途徑。

鉬能促使不銹鋼表面鈍化，具有增強不銹鋼抗點腐蝕和縫隙腐蝕的能力，鐵素體不銹鋼中如果不含鉬，鉻含量再高也很難獲得滿意的抗點蝕性能，但只有在含鉻鋼中鉬才能發(fā)揮作用。一般來說,鉻含量越高,鉬提高鋼耐點蝕性能效果越明顯。研究表明，鉬提高耐點蝕性能的能力相當于鉻的3倍。1Cr17鋼中加入1%的鉬（1Cr17Mo）可使其在有機酸和鹽酸中的耐腐蝕性能明顯提高。18-8鉻鎳鋼中加入1.5～4.0%的鉬，可以提高其在稀硫酸、有機酸（醋酸、蟻酸、草酸）、硫化氫、海水中的耐蝕性能。

鉬是形成鐵素體的元素，因此，18-8鉻鎳鋼加鉬后，為保持純奧氏體組織，鎳含量也要相應(yīng)提高。加鉬后，18-8鋼的鎳含量一般提高至12%以上，如0Cr17Ni12Mo2和00Cr17Ni14Mo2。

鉬能改善奧氏體不銹鋼的高溫力學性能，如表1-4。在馬氏體不銹鋼中加入0.5%～4.0%的鉬可以增加鋼的回火穩(wěn)定性。鉬在不銹鋼中還能形成沉淀析出相，提高鋼的強度，如沉淀硬化型不銹鋼0Cr17Ni5Mo3。

表1-4 鉬對不銹鋼高溫力學性能的影響

銅加入不銹鋼中可提高不銹鋼在硫酸中的耐蝕性能。含銅不銹鋼鋼水流動性較好，容易鑄成高質(zhì)量的部件。銅還能提高不銹鋼的冷加工性能，如0Cr18Ni9Cu3多作冷頂鍛鋼使用。

1.1.7其它元素的影響

上述9個元素一般作為合金元素加入鋼中，硅、硫、磷一般作為殘余元素存在于鋼中。為了某些特定目的，不銹鋼有時也加入硅、硫、磷、鋁和稀土等元素。

硅是形成鐵素體元素，在提高不銹鋼的抗氧化和熱強性能方面有良好的作用。含硅的不銹鋼鋼水流動性好，能鑄成高質(zhì)量的耐熱不銹鋼鑄件。硅對18-8型奧氏體的耐硝酸腐蝕性能有不利影響，當硅含量處于0.8%～1.0%時影響最顯著，但硅能提高奧氏體不銹鋼的抗應(yīng)力腐蝕能力。一般認為，硅使不銹鋼的冷加工性能下降。

硫在一般不銹鋼中是殘余元素。硫?qū)︿摰膹姸扔绊懖淮?，但降低不銹鋼的韌性，使鋼的延伸值和沖擊值大幅度下降。硫可以提高不銹鋼的切削性能，易切削不銹鋼中一般含有0.15%～0.4%的硫。

磷在不銹鋼中是殘余元素。在奧氏體不銹鋼中磷的危害不像一般鋼中那樣顯著，含量允許偏高一些（≤0.045%）。磷對鋼有強化作用。有些沉淀硬化不銹鋼中，如PH17-10P，磷是作為合金元素加入的。

鋁是穩(wěn)定鐵素體的元素，可提高鋼的耐高溫氧化性能，改善焊接性能，鋁含量達1%左右時，有顯著的沉淀硬化效果，但鋁會降低鋼抗硝酸腐蝕能力。  

稀土元素應(yīng)用于不銹鋼，主要是改善工藝性能，保證熱加工順利進行。雙相鋼常用稀土改善熱加工性能。

1.1.8 不銹鋼組織取決于各元素作用的總和

根據(jù)各元素對組織成分影響，可將不銹鋼中的合金元素分為兩大類，一類是擴大奧氏體區(qū)，穩(wěn)定奧氏體組織的元素，包括碳、鎳、錳、氮和銅，以碳和氮的作用程度最大；另一類是縮小奧氏體區(qū)，形成鐵素體組織的元素，包括鉻、硅、鉬、鈦、鈮、鉭、釩和鋁等。這兩類元素共存于不銹鋼中時，不銹鋼的組織取決于各元素互相影響的結(jié)果。如穩(wěn)定奧氏體元素起主要作用，不銹鋼組織就以奧氏體為主，鐵素體很少以至于沒有。如果它們作用程度還不能使鋼的奧氏體保持到室溫，在冷卻過程中奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，鋼的組織則為馬氏體。如果形成鐵素體元素起主要作用，鋼的組織則以鐵素體為主。

不銹鋼的組織可通過組織圖進行預測，如圖1-5。其橫坐標表示鉻當量（[Cr]），縱坐標表示鎳當量（[Ni]）。

﹝  [Cr]=Cr%+Mo%+1.5（Si+Ti）%+0.5Nb%+3Al%+5V%

﹝  [Ni]=Ni%+30（C+N）%+0.5Mn%+0.33Cu%

3不銹鋼絲的發(fā)展動向

3.1 牌號

3.1.1 我國初步完成從含鈦穩(wěn)定化鋼向低碳和超低碳鋼的過渡

早期的研究者已發(fā)現(xiàn)碳是造成不銹鋼晶界腐蝕損壞的主要原因，限于當時的冶金設(shè)備水平，很難將碳控制到0.03%以下，最終想出了在鋼中加入Ti和Nb ，使其優(yōu)先與碳反應(yīng)，生成TiC和NbC，將碳固定住的方法，防止碳在晶界析出生成Cr23C6，造成晶間腐蝕。由于Nb的成本很高，直到七十年代中期，含Ti穩(wěn)定化鋼1Cr18Ni9Ti仍在不銹鋼中占主導地位。

1Cr18Ni9Ti鋼水粘稠，連鑄坯表面質(zhì)量很難過關(guān)。采用模鑄，鋼錠表面質(zhì)量不好，必須進行剝皮修磨，成材率很低。成品鋼材含有TiN夾雜，純凈度低，表面拋光性能差，拉絲斷頭多。到了六十年代末期，不銹鋼冶煉技術(shù)取得了突破性進展，廣泛采用AOD和VOD法煉鋼，降低不銹鋼中的碳不再是個問題了，歐、美、日等工業(yè)發(fā)達國家先后開發(fā)了一系列低碳和超低碳鋼，含Ti穩(wěn)定化鋼逐步被低碳和超低碳鋼所取代。七十年代，美、日等國已將1Cr18Ni9Ti從標準中淘汰，盡管保留了0Cr19Ni11Ti（321）但其 產(chǎn)量僅占總量的0.7～1.5%，順利地完成了從含鈦穩(wěn)定化鋼向低碳和超低碳鋼的過渡，奧氏體不銹鋼的演變?nèi)鐖D3-1：

我國不銹鋼的生產(chǎn)與應(yīng)用相對落后，盡管1984年頒布國家標準GB1220-84《不銹鋼棒》時將1Cr18Ni9Ti列為不推薦使用鋼號，但1Cr18Ni9Ti的主導地位并沒有變化。直到1995年，隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，特別是合資企業(yè)的介入，國內(nèi)市場與國際市場逐步接軌，短短五年我國奧氏體不銹鋼已完成從含鈦穩(wěn)定化鋼向低碳和超低碳鋼的過渡。目前鋼絲行業(yè)除航空部門仍保留使用1Cr18Ni9Ti外，304（0Cr19Ni9）和316（0Cr17Ni12Mo）已成為鋼絲的主導產(chǎn)品。

3.1.2  以氮代碳，發(fā)展含氮不銹鋼

在奧氏體不銹鋼中氮和碳有許多共同特性，如增加奧氏體穩(wěn)定性，能有效提高鋼的冷加工強度等。提高碳含量會降低不銹鋼的耐蝕性能，加適量的氮能在提高鋼的耐蝕性能和抗氧化性能的同時，不降低不銹鋼的耐蝕性能，以氮代碳，開發(fā)含氮不銹鋼已成為熱門話題。

近年來，美國和日本標準（ASTM A580和JIS G4309）先后增加了304N（0Cr19Ni9N）、316N（0Cr17Ni12Mo2N）、XM-19（0Cr22Ni12Mn5Mo2N）、XM-31（1Cr18Mn15N）、XM-10（0Cr20Ni7Mn9N）、XM-11（00Cr20Ni7Mn9N）XM-28（1Cr18Ni2Mn12N）、XM-29（0Cr18Ni3Mn13N）和S28200（1Cr18Mn18MoCuN）共9個含氮牌號。

3.1.3 開發(fā)和推廣200系列不銹鋼

二戰(zhàn)期間鎳供應(yīng)嚴重不足，德國人首先研制出以錳一氮代替部分鎳的不銹鋼。20世紀50年代美國人因為同樣理由，經(jīng)深入研究，將錳一氮代鎳鋼定型，開發(fā)了高錳系列奧氏體不銹鋼，即200系列不銹鋼。

我國鎳資源匱乏，鉻資源也不豐富，以錳—氮代鎳，開發(fā)和推廣200系列不銹鋼不僅可以降低不銹鋼成本，還有深刻的戰(zhàn)略意義。印度在200系列不銹鋼推廣應(yīng)用方面走在世界的前列，目前全世界200系列鋼70%以上是印度生產(chǎn)的，值得我們借鑒。

200（Cr-MN-Ni）系列不銹鋼常見牌號的化學成分如表3-1 。200（Cr-Mn-Ni）系列鋼以錳—氮代鎳，材料成本顯著降低。但降低鎳后，為保持奧氏體組織必須有足夠高的錳、碳和氮來增加鎳當量，因此造成200系列鋼具有以下特性：

①固溶處理后的抗拉強度偏高，一般為800~1100Mpa，而且無法將抗拉強度降下來。

②冷加工硬化率急劇上升，冷加工強化系數(shù)K>15，加工難度大，過程成本增加。

③鋼絲具有優(yōu)良的耐磨性能。

④鋼絲彎曲成形和冷頂鍛性能較差。

⑤傳統(tǒng)的200系列鋼，對晶間腐蝕很敏感，而且加穩(wěn)定化元素也無法改變其敏感性。

⑥部分鋼（如205、2Cr15Mn15Ni2N）由于其穩(wěn)定奧氏體元素含量相對比304高，抗磁性能優(yōu)于304。鑒于上述特性，201、202和205等鋼絲主要用于制作彈簧、篩網(wǎng)和精密軸等。

表3-1  200（Cr-MN-Ni）系列不銹鋼化學成分

為提高200系列鋼在各種介質(zhì)中的耐蝕性能，改善鋼的冷加工和冷頂鍛性能，達到用200系列鋼代替304的目標，近年來主要從以下幾方面著手開發(fā)新牌號。①以氮代替碳，穩(wěn)定奧氏體、在提高強度同時提高耐蝕性能，如204、211、216。②適量添加Mo、Nb等元素，改善鋼的抗點蝕、晶間腐蝕和抗應(yīng)力腐蝕性能，如216、223。③加銅降低鋼的冷加工硬化率，改善冷頂鍛和冷成形性能，如204Cu、211、223。美國冶金學家、ASTM會員約翰?邁杰，用204Cu代替304的研究成果尤其令人鼓舞。

邁杰在改型201（C=0.03%、Mo=0.2%）鋼基礎(chǔ)上分別添加1%、2%和3%的銅，發(fā)現(xiàn)隨Cu含量增加鋼的屈服強度和抗拉強度穩(wěn)步下降，如表3-2 。

表3-2  銅對改型201力學性能的影響

204Cu由于含3%Cu，軟化處理后的抗拉強度已與304接近，但其冷加工硬化率顯著降低，從圖3-2可以看出，冷拉減面率≤45%時，204Cu的冷加工硬化趨勢基本與304和304FQ（304M）相近，減面率>45%時，204Cu的冷加工硬化率明顯低于304。取304、204Cu和改型201鋼絲（ф3.5mm）在同樣條件下進行冷頂鍛試驗，試驗結(jié)果如表3-3 。

表3-3  冷頂鍛試驗結(jié)果

注：Φ3.5mm鋼絲經(jīng)多道次模具沖頂成形，螺栓頭部直徑為鋼絲的3.5倍。每個牌號取數(shù)百個螺栓

，肉眼檢查頭部裂紋狀況。

從表3-3 可以看出，改型201加3%Cu后，耐鹽霧腐蝕和冷成形能力有了根本性的改善。204Cu冷頂鍛成形性能優(yōu)于304，耐鹽霧腐蝕能力與304相當。

進一步試驗已證明，在5種常見酸性介質(zhì)中，204Cu的耐腐蝕性能優(yōu)于304，如表3-4 。

表3-4  204Cu與304耐蝕性能比較

注：試驗溫度從0℃，每次升5℃，逐步上升到全部試樣出現(xiàn)浸蝕裂紋的溫度—25℃為止。

*不產(chǎn)生浸蝕裂紋的最高溫度。

綜上所述，204Cu與304相比，抗拉強度和屈服強度高；冷加工硬化率低，冷成形性能好；在各種腐蝕環(huán)境中的耐蝕性能優(yōu)于，至少是相當于304；再加上200系列鋼固有的耐磨損、材料成本低等優(yōu)勢，204Cu完全有可能取代304成為通用不銹鋼。美國近年來在電子、通訊、安全防護、食品加工、能源和煙草加工行業(yè)，大力推廣204Cu，成效顯著。

3.1.4 大力開發(fā)超級鐵素體不銹鋼

鐵素體不銹鋼具有良好的耐蝕性能和抗氧化性能，其抗應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)于奧氏體不銹鋼，價格比奧氏體不銹鋼便宜，但存在可焊性差、脆性傾向比較大的缺點，生產(chǎn)和使用受到限制。60年代初期的研究已經(jīng)證明，鐵素體鋼的高溫脆性、沖擊韌性、可焊性都與鋼中的間隙元素含量有關(guān)，通過降低鋼中的碳和氮的含量，添加鈦、鈮、鋯、鉭等穩(wěn)定化元素，添加銅、鋁、釩等焊縫金屬韌化元素3種途徑，可以改善鐵素體鋼的可焊性和脆性。鐵素體按C+N含量可以分為不同級別：

            C+N＞0.03%  為常規(guī)鐵素體不銹鋼，表示為0Cr；

            C+N≤0.03%  為超低碳鐵素體不銹鋼，表示為00Cr；

            C+N≤0.02%  為高純鐵素體不銹鋼，表示為000Cr；

            C+N≤0.01%  為超純鐵素體不銹鋼，表示為0000Cr

國外一些企業(yè)已經(jīng)用AOD熔煉或真空熔煉加電子束精煉的方法生產(chǎn)出含氮低于90ppm，碳和氮總量在110～120ppm范圍內(nèi)的高純鐵素體鋼。我國已研制出000Cr18Mo2Ti和000Cr30Mo2高純鐵素體鋼.國內(nèi)外近期研制成功的超級鐵素體鋼化學成分如表3-5。

                   表3-5 超級鐵素體鋼的化學成分（wt%）

美國標準ASTMA493-88已經(jīng)納入XM-27（000Cr26Mo）、S44700（000Cr29Mo3）和S44800（000Cr29Ni2Mo3）3個超純鐵素體牌號，其化學成分如表3-6。

  表3-6  ASTMA493中超純鐵素體鋼化學成分wt%

UNS     C      Mn     P        S        Si       Cr        Ni       Mo        Cu        N       C+N    Ni+Cu  

  S44625   

XM-27 ≤0.010  ≤0.40  ≤0.20  ≤0.20  ≤0.40  25.0～27.0  ≤0.50    0.75～1.50  ≤0.20   ≤0.015     ≤0.50

S44700≤0.010  ≤0.30  ≤0.25  ≤0.20  ≤0.20  28.0～30.0  ≤0.15     3.5～4.2      ≤0.15      ≤0.020     ≤0.025

S44800≤0.010  ≤0.30  ≤0.25  ≤0.20  ≤0.20  28.0～30.0  2.0～2.5    3.5～4.     ≤0.15     ≤0.020    ≤0.025

3.1.5 超級奧氏體鋼

超級奧氏體鋼指Cr、Mo、N含量顯著高于常規(guī)不銹鋼的奧氏體鋼，其中比較著名的是含6%Mo的鋼（254SMo），這類鋼具有非常好的耐局部腐蝕性能，在海水、充氣、存在縫隙、低速沖刷條件下，有良好的抗點蝕性能（PI≥40）和較好的抗應(yīng)力腐蝕性能，是Ni基合金和鈦合金的代用材料。超級奧氏體鋼的化學成分如表3-7。

表3-7  超級奧氏體鋼的化學成分

注：①點蝕指數(shù)PI =Cr%+3.3Mo%+30N%。

       ②臨界縫隙腐蝕溫度CCT = -（45±5）+11Mo%。

超級奧氏體不銹鋼熱加工難度較大，一般認為雜質(zhì)和低熔點金屬在晶界富集、沉淀是造成熱脆性的主要原因，控制Mn≈0.5%、Cu≤0.7%、Si≤0.30%、S≤0.005%、Bi≤5×10-6、Pb≤15×10-6有利于熱加工。超級奧氏體鋼的冷加工性能良好，其抗拉強度偏高，與一般奧氏體鋼相比，要達到相同的軟化效果，固溶溫度應(yīng)提到1150～1200℃。

3.1.6  超馬氏體不銹鋼

傳統(tǒng)的馬氏體不銹鋼2～4Cr13和1Cr17Ni2缺乏足夠的延展性，在冷頂鍛變形過程中對應(yīng)力十分敏感，冷加工成型比較困難。加之鋼的可焊性比較差，使用范圍受到了限制。為克服馬氏體鋼的上述不足，近年人們已找到一種有效途徑：通過降低鋼的含碳量，增加鎳含量，開發(fā)了一個新系列合金鋼——超馬氏體鋼。這類鋼抗拉強度高，延展性好，焊接性能也得到改善，因此超馬氏體鋼又稱為軟馬氏體鋼或可焊接馬氏體鋼。

超馬氏體鋼的典型顯微組織為低碳回火馬氏體組織，這種組織具有很高的強度和良好的韌性。隨鎳含量和熱處理工藝的變化，某些牌號的超馬氏體鋼顯微組織中可能有10～40%的細小彌散狀殘余奧氏體，含鉻16%的超馬氏體鋼中可能出現(xiàn)少量的δ鐵素體。進一步改善超馬氏體鋼性能的途徑是獲得晶粒更細的回火馬氏體組織。

近年來，各國不銹鋼生產(chǎn)企業(yè)在開發(fā)低碳、低氮超馬氏體鋼方面做了很大努力，生產(chǎn)出一批適用于不同用途的超馬氏體不銹鋼，幾種典型的超馬氏體鋼化學成分如表3-8。

表3-8  典型超馬氏體鋼化學成分(wt%)

超馬氏體鋼的成分特點是在13%或17%Cr基礎(chǔ)上降低C含量。（＜0.03%或＜0.05%）和S含量（＜0.01%或＜0.005%），增加Ni（4～6.5%）和Mo（最高2.5%）改善鋼的焊接性能、韌性、耐蝕性能。為獲得好的低溫性能，減少甚至完全消除顯微組織中的鐵素體是極為重要的，隨著對低溫沖擊性能要求加嚴（從—20℃降到—40℃）應(yīng)選用Ni含量更高的牌號，同時在熱加工過程應(yīng)控制加熱溫度（＜1250℃）和加熱時間，防止產(chǎn)生高溫δ鐵素體相。一般說來超馬氏體鋼鍛造性能優(yōu)于同類馬氏體鋼，即使鍛造溫度偏低，也可以生產(chǎn)出無裂紋鋼坯。

與馬氏體鋼相比，超馬氏體鋼盤條的強度、硬度和塑性均高出很多，并且無論是用完全退火還是球化退火的方法，都無法將盤條的強度（硬度）降到馬氏體鋼的水平。超馬氏體推薦采用650℃左右，長時間保溫，然后空冷的退火工藝來實現(xiàn)軟化，盤條退火后雖然強度（硬度）高，但拉拔塑性很好（斷面收縮率＞40%），可以按常規(guī)工藝拉拔。一般經(jīng)過兩個循環(huán)的退火拉拔，鋼絲的抗拉強度可以降到950MPa以下。阿維斯塔·謝菲爾德公司生產(chǎn)的248SV（00Cr16Ni5Mo）鋼淬回火成品的物理性能見表3-9。

表3-9  248SV（00Cr16Ni5Mo）的物理性能

超馬氏體鋼含碳量低，加入一定量的Mo相當于提高了鉻的當量，再加上Ni的配合，耐蝕性能，特別是在含二氧化碳和硫化氫介質(zhì)中的耐蝕性能有很大的提高，現(xiàn)已在石油和天燃氣開采、儲運設(shè)備上得到廣泛適用，在水力發(fā)電，采礦、化工及高溫紙漿生產(chǎn)設(shè)備上也極具應(yīng)用前景。

超馬氏體鋼絲主要用于制作壓縮機和閥門的連桿及焊絲。人們越來越多的用超馬氏體鋼取代雙相不銹鋼，原因在于作為結(jié)構(gòu)體用鋼，超馬氏體鋼具備良好的耐蝕性能和低溫沖擊性，但其強度比雙相鋼高的多，制作零件可以減小壁厚，減輕重量，節(jié)約成本。作為焊絲用鋼，目前多用雙相不銹鋼焊絲，焊后因焊縫成分與基體成分差別較大，極易出現(xiàn)不均勻腐蝕現(xiàn)象。使用超馬氏體鋼焊絲，焊縫同樣不需經(jīng)熱處理直接使用，但可以為選配與基體更接近的成分，減輕不均勻腐蝕。更重要的是使用超馬氏體鋼代替雙相鋼材料成本可降低30%左右。

3.1.7  抗菌不銹鋼

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，不銹鋼在食品工業(yè)、餐飲服務(wù)業(yè)和家庭生活中的采用越來越廣泛，人們希望不銹鋼器皿和餐具除具有不銹、光潔如新的特點外，最好還具有防霉變、抗菌、殺菌功能，日本日新制鋼為適應(yīng)市場需求，已研制開發(fā)了一系列抗菌不銹鋼。

眾所周知，有些金屬，如銀、銅、鉍等具有抗菌、殺菌效果，所謂抗菌不銹鋼，就是在不銹鋼中加入適量的具有抗菌效果的元素（如銅），生產(chǎn)出的鋼材經(jīng)抗菌性熱處理后，使其具有穩(wěn)定的加工性能和良好的抗菌性能。

銅是抗菌的關(guān)鍵元素，加多少既要考慮抗菌性，又要保證鋼具有良好穩(wěn)定的加工性能。銅的最佳加入量因鋼種而異，日新制鋼開發(fā)的抗菌不銹鋼化學成分如表3-10，鐵素體鋼中加銅1.5%，馬氏體鋼中加銅3%，奧氏體鋼中加銅3.8%。

表3-10  各類抗菌不銹鋼的化學成分

研究表明：銅與細菌直接接觸是抗菌殺菌的先決條件，為此鋼絲首先要進行熱處理，使高濃度的銅從基體中析出，以ε—Cu相均勻彌散分布。再經(jīng)表面拋光處理，使ε—Cu暴露在金屬表面，從而起抗菌作用。試驗結(jié)果證明，鐵素體和馬氏體不銹鋼對黃色葡萄球菌和大腸桿菌的減菌率為100%，奧氏體不銹鋼的減菌率99%。抗菌不銹鋼使用一段時間后表面ε—Cu相枯竭時，抗菌性能就會降低，此時經(jīng)拋光之類再加工，會重新形成含ε—Cu相的新表面，恢復原有的抗菌性能。

抗菌不銹鋼與同類不銹鋼相比，耐蝕性能有增無減，物理性能基本相當，力學性能稍有變化：鐵素體鋼的屈服強度與杯突稍有提高，其它性能大致相當；馬氏體不銹鋼屈服強度、抗拉強度和硬度均有明顯提高，伸長率有所下降；奧氏體鋼屈服強度和硬度稍有提高，其它性能相當。不銹鋼中加入銅對熱加工不利，對冷加工利大于弊。隨著含銅量的增加熱加工時要考慮降低加熱溫度，工藝操作不當極易造成鋼坯角裂和表面裂紋?？咕讳P鋼與同類不銹鋼相比，拉拔塑性和承受深度冷加工的能力明顯改善，但馬氏體鋼強度（硬度）明顯提高帶來的模具損壞明顯增多。奧氏體鋼則隨銅量的增加，奧氏體穩(wěn)定性能提高，冷加工強化減緩，鋼絲可承受更大減面率的拉拔，鋼絲的冷墩性能大幅度提高，鋼也由弱磁轉(zhuǎn)變?yōu)闊o磁。

抗菌不銹鋼具有不銹鋼優(yōu)點和良好的抗菌性能，投放市場以來很受歡迎，在廚房設(shè)備、食品工業(yè)的工作臺及器皿、醫(yī)療器械、日常生活中的餐具及掛毛巾支架，冷藏柜的托架等領(lǐng)域全面推廣使用，公共場所的一些設(shè)施如公交汽車的扶手、樓梯扶手、電話亭、護欄等為杜絕交叉感染也應(yīng)試用抗菌不銹鋼。鋼絲行業(yè)應(yīng)注重醫(yī)療器械用馬氏體抗菌不銹鋼絲，織網(wǎng)用奧氏體抗菌不銹鋼絲和清潔球用鐵素體抗菌不銹鋼細絲的開發(fā)。