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奥氏体不锈钢(austeniticstainlesssteel)

奥氏体不锈钢(austeniticstainlesssteel)

以奥氏体组织为基体的一类铁–铬–镍或铁–铬–锰(氮)系不锈钢。奥氏体是具有面心立方晶体结构的组织,纯铁只有在910~1390℃的温度区间内才以稳定的奥氏体存在。随着合金元素的加入,奥氏体稳定存在的温度区间会发生变化。当钢中主要合金元素铬和镍(或锰、氮)达到一定的含量并以适当的比例搭配时,钢在室温下基本保持奥氏体组织。奥氏体不锈钢以其优良的耐蚀性,从它被发现的那天起,便受到人们的高度重视。

简史奥氏体不锈钢已有80多年的历史,世界上最早的奥氏体不锈钢是1912年首先在德国发明的。1914年定名为V2A的第一个奥氏体不锈钢在制碱和合成氨生产中获得工业应用。其主要成分为20%铬、7%镍和作为基体的铁,但是碳含量较高,约为0.25%。其后随着生产工艺的改进,逐渐发展演变为人们所熟知的18-8不锈钢。到1925年以后,陆续在英、美、德等国广泛应用于硝酸、合成氨生产及制碱等化学工业中,成为与Cr17型铁素体不锈钢齐名的两大不锈钢种之一。而奥氏体不锈钢由于在生产和应用方面更有其突出的优越性,生产量和使用范围日益扩大,很快占据不锈钢的主导地位。其化学成分也不断发展和改进,牌号越来越多,逐步发展成为较为复杂的奥氏体不锈钢系列,现在,奥氏体不锈钢产量约占不锈钢总产量的70%。按产量和产品水平排于前列的主要生产国有日本、美国、德国、俄罗斯、瑞典及英国等。牌号主要集中于0Cr19Ni9、00Cr19Ni10、0Cr17Ni12Mo2、00Cr17Ni14-Mo2和1Cr17Ni7等。生产中广泛采用先进技术,如炉外精炼率达到95%以上,连铸比超过80%,高速轧机和精、快锻机等普遍推广。特别是在冶炼和加工过程中实现电子计算机控制,保证了产品质量和性能的可靠和稳定。

分类按照奥氏体化元素的不同,奥氏体不锈钢可分为铬镍系和铬锰系两类。铬镍系以镍为主要奥氏体化元素,镍含量至少要在8%以上,最高可达30%。为保证钢的不锈性和耐蚀性,铬含量一般不低于17%。铬锰系以锰为主要奥氏体化元素,其开发的目的在于节约较为昂贵的元素镍。但由于锰的奥氏体化能力比镍低得多(仅为镍的一半左右),而且在铬含量超过15%的钢中,仅靠加锰(即使含量再高)也不能使钢完全奥氏体化,因此该系中通常都含有足够量的氮,有不少牌号还得保留适量的镍。这样该系实际上成为铬锰氮系或铬锰镍氮系奥氏体不锈钢。

铬镍奥氏体不锈钢这类钢为奥氏体不锈钢的主体。其基础牌号为18-8不锈钢,该钢种的铬、镍含量分别约为19%和10%,在氧化性介质中耐蚀性优良,在多种不太强的腐蚀性环境中也耐蚀。为了提高在各种不同使用条件下及较强腐蚀性环境中的耐蚀性能,钢的合金成分在两个方面进行发展和改进:一方面是提高铬、镍含量,铬可提高到25%以上,镍甚至可达近30%;另一方面是向钢中添加诸如钼、铜、硅、氮、钛和铌等其他合金元素。碳含量一般都比较低,目前常用牌号的碳含量多低于0.08%,并且有越来越多的牌号还达到超低碳(≤0.03%)甚至更低的水平(≤0.02%)。

铬是奥氏体不锈钢中的主要合金元素,其作用是促使钢在介质中钝化并维持钝态稳定,从而保证钢优良的不锈性和耐蚀性。特别是对于耐强氧化性介质(如高温硝酸)的腐蚀,耐氯化物溶液的点腐蚀和缝隙腐蚀,以及耐含氧化剂混合酸(如硝酸加氢氟酸,硫酸加重金属离子、湿法磷酸等)的腐蚀,高铬含量都是必不可少的。镍是铬镍奥氏体不锈钢的另一个主要合金元素,其作用一方面是保证钢获得稳定的奥氏体组织,从而使钢具有良好的塑性、韧性(包括在低温下的塑性和韧性)和满意的强度,优良的加工性、成形性、可焊性及非磁等性能;另一方面可改善钢在耐还原性介质(如盐酸、硫酸)中腐蚀的性能,特别是能明显提高耐氯化物应力腐蚀破裂的能力。钼的主要作用是提高钢对还原性介质(如硫酸、磷酸、尿素和一些有机酸)的耐蚀性,并改善耐氯化物点腐蚀和缝隙腐蚀的性能。铜加入到奥氏体不锈钢中一方面可显著降低钢的冷作硬化倾向,提高冷加工成形(冷镦、深冲)性能,另一方面与钼复合加入可提高钢在硫酸等还原性介质中的耐蚀性。硅作为合金元素可改善钢耐氯化物应力腐蚀破裂的性能,并提高钢在浓硫酸和浓硝酸中的耐蚀性。氮作为合金元素在铬镍奥氏体不锈钢中应用日益增多,氮可明显改善钢耐点腐蚀、缝隙腐蚀和晶间腐蚀的性能,并能提高强度,同时保持塑性、韧性不下降。钛和铌主要是用来提高钢的耐晶问腐蚀性能。此外,主要合金元素铬和镍含量的适当减少(分别减少到17%和7%左右)会降低奥氏体基体的稳定度,形成亚稳定奥氏体钢种。这种钢在固溶态下呈奥氏体组织,但一经冷变形,部分奥氏体很容易转变成马氏体,马氏体量随冷变形量加大而增多,从而提高了钢的强度性能。由于上述这些各起不同作用的合金元素的加入及其含量变化,铬镍奥氏体不锈钢发展出了很多种不同性能和用途的钢种。几种最常用的钢种及其代表牌号如下:

(1)基础牌号(18-8不锈钢):0Cr19Ni9,00Cr19Ni10。

(2)用钛、铌稳定化的牌号:1Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni11Ti,0Cr18Ni11Nb。

(3)提高铬、镍含量的牌号:0Cr23Ni14(Nb),0Cr25Ni20.00Cr25Ni20(Nb),0Cr18Ni35Si。

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

(5)用钼、铜复合合金化的牌号:00Cr18Ni14Mo-2Cu2,00Cr18Ni18Mo2Cu2,00Cr20Ni18Mo6CuN,00Cr20Ni25Mo4.5Cu、00Cr20Ni29Mo2Cu3Nb。

(6)深冲用含铜牌号:0Cr1SNi10Cu3;

(7)高硅牌号:00Cr18Ni14Si4Nb,00Cr17Ni20Si-6MoCu。

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

(9)含硫、硒等易切削牌号:Y1Cr18Ni9,YICr-18Ni9Se。

(10)冷作强化用亚稳奥氏体牌号:1Cr17Ni7。

铬锰奥氏体不锈钢主要包括铬锰氮钢和铬锰镍氮钢两类。为了保证不锈性和耐蚀性,铬含量多在17%以上,最高可达22%。锰是维持钢的奥氏体基体的合金元素,其含量在5%~18%之间。在铬锰氮钢中,锰一般超过13%;而在铬锰镍氮钢中,由于保留了适量的镍(一般在3%~8%),锰可降低到稍低的水平。镍是铬锰镍氮钢中的重要合金元素,它除与锰、氮等元素共同维持钢的奥氏体基体组织外,对于改善钢的热加工性和塑、韧性,以及提高钢对于非氧化性介质的耐蚀性,都有重要作用。氮是非常重要的奥氏体化元素,其奥氏体化能力约为镍的30倍,同时能显著提高钢的强度并改善耐蚀性,其含量一般都在0.2%以上,高时可达0.5%~0.6%。有时为了某种需要也有些牌号不含氮的,但必须保留较多的镍(约6%),并常加入少量铜(2%)。与铬镍奥氏体不锈钢一样,铬锰奥氏体不锈钢碳含量也比较低,一般都在0.08%以下,但超低碳(≤0.03%)的牌号较少。

简单的铬锰氮钢只耐氧化性介质的腐蚀。向钢中(特别是向铬锰镍氮钢中)加入钼和铜等元素可提高在多种非氧化性腐蚀环境中(如硫酸、尿素等)的耐蚀性,钼和铜的含量没有像铬镍奥氏体不锈钢中那样高,通常分别为3%和2%。有时也加入少量铌或钒(<1%)以改善耐晶间腐蚀性能。目前已经实际应用的牌号有:

(1)铬锰氮钢:0Cr18Mn15N。

(2)铬锰镍氮钢:0Cr18Ni3Mn13N,0Cr18Ni5Mn-9N,0Cr21Ni6Mn9N。

(3)含钼的铬锰氮钢:0Cr18Mn13Mo2N,0Cr-18Mn18MoN。

(4)含钼的铬锰镍氮钢:0Cr18Ni5Mn10Mo3N,0Cr20Ni6Mn9Mo2N,0Cr22Ni13Mn5Mo2VNbN。

(5)含铜的铬锰镍钢:0Cr17Ni5Mn6Cu,0Cr-17Ni6Mn6MoCu2。

性能特点和应用铬镍奥氏体不锈钢最突出的特点,是对多种腐蚀性环境特别耐腐蚀。这与该类钢的奥氏体基体中铬、镍含量可以加到很高,并能大量溶入多种有利于改善耐蚀性的其他合金元素如钼、铜、硅和氮等密切相关。因而无论是在氧化性、还原性或氧化还原复合性介质以及各种有机介质中,在很宽的浓度、温度范围内,耐蚀性(包括耐均匀腐蚀和局部腐蚀)均很优良。

对于耐以硝酸为代表的氧化性介质(包括很多种有机酸)的均匀腐蚀,可用常见的18-8不锈钢(00Cr19Ni10、0Cr18Ni11Ti)。如果酸的浓度、温度较高,或是耐蚀性要求更严,可采用更高铬的牌号(如00Cr25Ni20Nb等)。对于耐硫酸、稀盐酸、甲酸、尿素等还原性介质,取决于介质浓度和温度,可依次选用含钼(00Cr17Ni14Mo2、00Cr25Ni22Mo2N)和高钼(00Cr18Ni16Mo5)和高钼含铜钢(如0Cr20Ni25Mo4.5Cu等)。对于耐浓硫酸(浓度≥90%)和浓硝酸(浓度≥85%)。应选用高硅牌号的不锈钢(00Cr17Ni20Si6MoCu、00Cr18Ni13Si4Nb)。对于种类繁多的氧化还原复合性介质,则选用高铬、镍含量并用钼、铜复合合金化的牌号(00Cr20Ni25Mo4.5Cu、00Cr20Ni29Mo2Cu3Nb、00Cr20Ni18Mo6CuN等)通常可获得满意的耐蚀效果。需要指出,对于卤族(如湿氯)和卤化物酸(盐酸、次氯酸和氢氟酸等)以及温度较高的中等浓度(50%~70%)硫酸,铬镍奥氏体不锈钢只能在有限的程度上耐蚀。

对于由氯化物溶液引起的点腐蚀和缝隙腐蚀、用高铬、钼含量特别是又添加氮的钢(如00Cr18Ni-16Mo5、00Cr20Ni25Mo6N、00Cr20Ni18Mo5CuN)能取得很好的耐蚀效果。提高镍含量以及又加入硅的钢种(如00Cr25Ni25Si2V2Nb)具有较好的耐氯化物应力腐蚀破裂性能。但由于镍含量必须更高(超过35‰)或者极低(≤0.1%),钢材更耐氯化物应力腐蚀破裂,这样的合金已不再属于奥氏体不锈钢(分别进入铁镍基、镍基合金或铁素体不锈钢的范围)。因此,作为奥氏体不锈钢(镍含量为8%0~30%),其耐氯化物应力腐蚀盔一破裂的能力还显得不够。晶间腐蚀曾经是奥氏体不锈钢应用和发展的一大障碍,目前采用先进的冶炼技术已经可以把钢中碳含量降低到0.03%乃至0.02%以下,成功地解决了敏化态(如焊后)的晶间腐蚀问题,加钛、铌等稳定化元素已经不是防止敏化态晶间腐蚀的主要手段。为了防止在强氧化性介质(含有cr+6、、Mn+7、Fe+3等高价重金属离子的高温硝酸)中的非敏态晶间腐蚀,目前的有效措施是将钢高纯化,即把硅、磷等杂质元素含量降到很低的水平(si≤0.1%、P≤0.01%)。

铬镍奥氏体不锈钢的力学性能特点是:硬度较低,强度适中,塑性、韧性优良(见表1),因而非常适应于各种机械成形和制造加工。加之焊接性能良好:可采用各种常用焊接方法(如钨极氩弧焊、手工焊、带极堆焊等),焊缝不会产生裂纹,焊接接头的耐蚀性和力学性能与母材相当。所以可以很顺利地加工制造各种常用设备、装置和构件等。

表1铬镍奥氏体不锈钢的力学性能(室温,固溶态)


牌号σ0.2/MPaσb/MPaδ5/%ψ/%HRB
大量常用牌号220~330520~66045~6055~8080~95
00Cr19Ni10230570557290
0Cr18Ni11Ti250600506690
00Cr20Ni25Mo4.5Cu260610506590


铬镍奥氏体不锈钢的低温性能也很好,即使在液氮温度(-196℃)也不会变脆。在较高温度下也能维持一定的强度和良好塑性。这为其扩大使用范围提供了良好条件。此外,该类钢在加热和冷却过程中无相变,因而无法通过热处理来强化,惟一的强化方式是冷变形。这样其强化程度当然是很有限的,而且会伴随着塑性和韧性的损失。

铬镍奥氏体不锈钢的物理性能特点是:导热系数低、电阻大、热膨胀系数大和无磁等。常用物理常数列于表2。

表2铬镍奥氏体不锈钢物理常数(固溶态的数值范围)


密度D(20℃)/g·cm-37.9~8.1
导热系数λ(100℃)/W·(m·K)-114.6~16.3
质量热容C(20℃)/W·(m·K)-1460~500
电阻率ρ(20℃)/μΩ·cm69~88
线膨胀系数λ(20~400℃)/K-1(16.7~18.2)×10-6
弹性模量E(20℃)/MPa(19.3~20.3)×104
磁导率μ0(20℃)1.008
熔点Tm/℃1371~1454


广泛的应用,使用范围遍及国民经济各领域,除化工、石化、核能、冶金、纺织和轻工等工业部门是传统的主要用户外,在海洋开发、交通运输、商业、建筑以及日常生活等方面用量也日益增加。当前,铬镍奥氏体不锈钢的用量约占所有不锈钢总量的70%左右。

铬锰奥氏体不锈钢较之铬镍奥氏体不锈钢耐蚀性明显逊色,一般只在弱腐蚀性环境或氧化性介质中耐蚀。但含有一定量的钼特别是镍含量又比较高的牌号,如0Cr18Ni5Mn10Mo3N、0Cr20Ni6Mn9Mo2N和0Cr22Nn3Mn5Mo2VNbN等,在氧化性、还原性和氧化还原复合性介质中也能呈现出较好耐蚀性。铬锰奥氏体不锈钢力学性能的突出特点是强度、硬度较高,同时塑性,韧性良好。与同等合金化程度的铬镍奥氏体不锈钢相比,抗拉强度可高出30%~40%,而屈服强度竞可高出50%~80%。但是,该类钢的热、冷加工工艺性能、冷成形性能和焊接性能等均不如铬镍奥氏体不锈钢,材料的生产加工和用该材料进行设备制造等会比铬镍奥氏体不锈钢难度更大。鉴于上述情况,该类钢应用受到一定局限。根据其性能特点,目前主要应用于腐蚀性不太强但承受较高机械负荷的工作条件下,如石油勘探及开采、石油加工以及航空和轻工等部门的有关设备或装置与构件等。

生产工艺奥氏体不锈钢生产工艺性能良好,特(210奥别是铬镍奥氏体不锈钢,采用生产特殊钢的常规手段可以顺利地生产出各种常用规格的板、管、带、丝、棒材以及锻件和铸件。由于合金元素(特别是铬)含量高而碳含量又低,目前多采用电弧炉加氩氧脱碳(AOD)或真空脱氧脱碳(VOD)法大批量生产这类不锈钢材,对于高级牌号的小批量产品可采用真空或非真空非感应炉冶炼,必要时加电渣重熔。铬镍奥氏体不锈钢优良的热塑性使其易于施以锻造、轧制、热穿孔和挤压等热加工,钢锭加热温度为1150~1260℃,变形温度范围一般为900~1150℃,含铜、氮以及用钛、铌稳定化的钢种偏靠低温,而高铬、钼钢种偏靠高温。由于导热差,保温时间应较长。热加工后工件空冷即可。铬锰奥氏体不。锈钢热裂纹敏感性较强,钢锭开坯时要小变形、多道次,锻件宜堆冷。可以进行冷轧、冷拔和旋压等冷加工工艺和冲压、弯曲、卷边与折叠等成形操作。铬镍奥氏体不锈钢加工硬化倾向较铬锰钢弱,一次退火后冷变形量可以达到70%~90%,但铬锰奥氏体不锈钢由于变形抗力大,加工硬化倾向强,应增加中间软化退火次数。一般中间软化退火处理为1050~1100℃水冷。

奥氏体不锈钢也可生产铸件。为了提高钢液的流动性,改善铸造性能,铸造钢种合金成分应有所调整:提高硅含量,放宽铬、镍含量的区间,并提高杂质元素硫的含量上限。

奥氏体不锈钢使用前应进行固溶处理,以便最大限度地将钢中的碳化物等各种析出相固溶到奥氏体基体中,同时也使组织均匀化及消除应力,从而保证优良的耐蚀性和力学性能。正确的固溶处理制度为1050~1150℃加热后水冷(细薄件也可空冷)。固溶处理温度视钢的合金化程度而定:无钼或低钼钢种应较低(≤1100℃),而更高合金化的牌号如00Cr20Ni18Mo-6CuN、00Cr25Ni22Mo2N等宜较高(1080~1150℃)。

展望奥氏体不锈钢今后的发展方向:(1)钢种极低碳化(碳≤0.02%)和高纯化(作为杂质元素硫、磷、硅、锰等含量极低)。(2)特殊用途钢种开发。如热海水用高钼钢、高耐蚀高强度的高氮钢(氮含量达到0.4%~0.6%甚至0.8%~1.0%),不锈钢功能材料(记忆材料、储氢材料等)等。(3)新工艺开发。不锈钢复合材料、非晶不锈钢等。


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