元素含量对奥氏体不锈钢性能的影响

WORD完美资料编辑专业整理分享元素含量对奥氏体不锈钢性能的影响奥氏体不锈钢含有较多的Cr、Ni、Mn、N等元素。与铁素体不锈钢和马氏体不锈钢相比，奥氏体不锈钢除了具有较高的耐腐蚀性外，还有许多优点。它具有很高的塑性，容易加工变形成各种型材，如薄板、管材等；加热时没有同素异构转变，即没有γ和α之间的相变，焊接性好；低温韧性好，一般情况下没有冷脆倾向；奥氏体不锈钢不具有磁性。由于奥氏体不锈钢的再结晶度比铁素体不锈钢的高，所以奥氏体不锈钢还可以用于550℃以上工作的热强钢。奥氏体不锈钢是应用最广的不锈钢，约占不锈钢总产量的2/3。由于奥氏体不锈钢具有优异的不锈钢酸性、抗氧化性、高温和低温力学性能、生物相容性等，所以在石油、化工、电力、交通、航天、航空、航海、能源以及轻工、纺织、医学、食品等工业上广泛应用。1.高钼（Mo＞4%）奥氏体不锈钢高钼奥氏体不锈钢的典型代表是：00Cr18Ni16Mo5和00Cr18Ni16Mo5N。因为含钼量高，所以在耐还原性酸和耐局部腐蚀方面性能有很大提高，可用于更加苛刻的腐蚀环境中。含氮00Cr18Ni16Mo5N钢，由于氮的加入，奥氏体更加稳定，由于铁素体的生成，σ（χ）等脆性相的析出受到一定抑制。00Cr20Ni25Mo4.5Cu由于此钢含有更高的Cr、Ni、Mo等元素，加之Mo与Cu的复合作用，使00Cr20Ni25Mo4.5Cu既在含Cl离子的水介质中耐点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀的能力有显著提高，图1～图4系在不同温度H2SO4、H3PO4和含F-50%H3PO4中WORD完美资料编辑专业整理分享耐全面腐蚀和在氯化物水介质中耐应力腐蚀的实验结果。可以看出00Cr20Ni25Mo4.5Cu比18-12-2型不锈钢的耐蚀范围有所扩大。图100Cr20Ni25Mo4.5Cu在H2SO4中的腐蚀图200Cr20Ni25Mo4.5Cu在H3PO4中的腐蚀(≤0.1mm/a)图300Cr20Ni25Mo4.5Cu在50℃含HF的50%P2O5溶液中的腐蚀WORD完美资料编辑专业整理分享图400Cr20Ni25Mo4.5Cu钢的耐应力腐蚀性能σ—外加应力；σ0.2—钢的屈服强度；CaCl2+CuCl2-40%CaCl2+lg/1CuCl2/1100℃;MgCl2—35%MgCl2(154℃,充气)当Cr17Ni14Mo2和Cr17Ni13Mo3以及00Cr18Ni14Mo2等耐腐蚀性不能满足使用要求时，此类含Mo约4.5%的高钼不锈钢则是可供选择的理想牌号。2.超级奥氏体不锈钢当Cr-Ni奥氏体不锈钢的耐点蚀当量值(PREN=Cr%+3.3×Mo%+16×N%)≥40时,便称为超级奥氏体不锈钢。超级奥氏体中的Cr、Mo、N含量都比普通奥氏体不锈钢高出很多。表1列出了几种超级奥氏体不锈钢的商品牌号、化学成分标号和它们的耐点蚀当量（PREN）值。超级奥氏体不锈钢主要是为了解决在苛刻腐蚀条件下原有的Cr-Ni奥氏体不锈钢耐点蚀、耐缝隙腐蚀等性能的不足而发展起来的。氮在奥氏体不锈钢中的大量应用为此类钢的发展创造了条件。超级奥氏体不锈钢的出现还填补了过去Cr-Ni奥氏体不锈钢与高镍耐蚀合金之间没有高耐点蚀和高耐缝隙腐蚀不锈钢的空白。超级奥氏体不锈WORD完美资料编辑专业整理分享钢性能的最大特点是在苛刻的腐蚀环境中，此类钢的耐点蚀、耐缝隙腐蚀性能优异，不仅远远优于原有的所有奥氏体不锈钢，还可与一些知名的镍基耐蚀合金相媲美。表1几种超级奥氏体不锈钢牌号和PRE值图5和表2系超级奥氏体不锈钢的耐点蚀和耐缝隙腐蚀性能与各种Cr-Ni奥氏体不锈钢性能的比较。可以看出超级奥氏体不锈钢254SMO（00Cr24Ni22Mo6.5CuN）和AL6XN(00Cr21Ni25Mo6.5N)性能最佳WORD完美资料编辑专业整理分享图5在10%FeCl3溶液中，PRE值对产生点蚀和缝隙腐蚀的临界温度的影响表2各种Cr-Ni奥氏体不锈钢焊前焊后产生缝隙腐蚀的温度的比较表3列出了两种超级奥氏体不锈钢的力学性能。由于钢中高Mo、高N量的强化作用，超级奥氏体不锈钢的屈服强度约比普通Cr-Ni奥氏体不锈高50%，虽然塑、韧性稍有降低，但并不影响超级奥氏体不锈钢的工程应用。WORD完美资料编辑专业整理分享表3两种超级奥氏体不锈钢的力学性能由于超级奥氏体不锈钢中Cr、Mo、N量高，在冶金厂生产和用户使用此类钢时的难点是：冶炼时高氮量的控制；钢的热塑性差，热加工工艺的掌握；在热加工、热处理和焊接过程中，χ（σ）相等脆性相易析出的防止等等。3.高硅奥氏体不锈钢高温、高浓度（超过共沸浓度特别是高于85%）的硝酸具有非常强的氧化性；高温、高浓度（≥90%）硫酸与中、稀浓度的硫酸的强还原性不同，前者具有非常强的氧化性，为了解决这些强氧化性酸的腐蚀，仅含铬是不够的，因而促进了高硅（≥4%）奥氏体不锈钢的发展。00Cr18Ni15Si4（Nb）在硝酸浓度高于沸腾浓度（≥68.4%）时，此钢具有良好的耐腐蚀性。在高浓度硝酸中，其腐蚀率≤0.25mm/a。由于焊接性较好，可作为浓硝酸容器用钢。但是为了防止磁钢焊后的碳化物和碳、氮化物析出，使耐蚀性降低，钢中含C量要求非常低（0.01%）。00Cr9Ni25Si7（Nicrofer2509Si7）此钢系德国克虏伯公司发展的。钢中铬量仅9%，远低于一般奥氏体不锈钢的铬量（17%-18%），其目的是为了使此种高硅钢具有可接受的热加工WORD完美资料编辑专业整理分享性。由于钢中硅量高，故此钢仍具有不锈性。同时，高镍量也可使此钢在高硅量条件下获得稳定的奥氏体组织，但镍量太高，会有Fe5Ni3Si2金属间化合物析出而使钢的性能恶化。此钢的强度比4%Si钢高，但是延伸率仍可高达70%，这有益于板式换热器的冷加工的成形。00Cr9Ni25Si7钢的耐浓硫酸性能的等腐蚀图见图6，结果是令人满意的。图6几种不锈钢在浓硫酸中的等腐蚀图00Cr11Ni22Si6Mo2Cu（SS-920）是20世纪九十年代国内开发的耐高温，高浓度硫酸用奥氏体不锈钢，除高硅外，还含2%Mo和1%Cu，以便更适用于硫酸用途。此钢的力学性能、耐蚀性、冷成型性和焊接性等与前述00Cr19Ni25Si7钢有许多类似之处。此钢具有良好的耐高温、高浓度硫酸腐蚀性能，高塑性，较好的冷成型性；但焊接性能也较差，必须采用激光焊且焊后需固溶处理，才能保证钢的综合性能。图7是此钢在≥90%浓硫酸中的耐蚀性。WORD完美资料编辑专业整理分享图7SS-920在浓硫酸中的等腐蚀率曲线（0.1mm/a）4．以锰、氮代镍的奥氏体不锈钢锰和氮均为奥氏体形成元素，特别是氮，其在钢中形成奥氏体的能力约为镍的30倍。锰形成奥氏体的能力虽然较弱，仅为镍的二分之一，但锰稳定奥氏体的能力很强，而且还能显著提高氮在钢中的溶解度，从而可提高氮向钢中的加入量，所以为获得奥氏体组织，以锰、氮相结合代镍是最佳匹配，成为了既能获得奥氏体组织又能节约铬镍奥氏体不锈钢中镍的主要合金化方向。据统计，全世界的镍产量中每年约有60%用于生产不锈钢。镍是比较稀缺且价格昂贵的元素，特别是在战争时期，由于镍也是战略物资，因此镍的供应更为紧张；而在和平时期，不锈钢的成本和售价也常随镍价的涨跌而波动。为此，自20世纪30年代起，德、美诸国便开始了以锰、氮代镍的铬锰奥氏体不锈钢的研究，至20世纪40年代便取得成效，开发了铬锰（氮）系奥氏体不锈钢。一般认为，目前已有的以锰、氮代镍的一些铬锰奥氏体不锈钢牌号与其所希望代替的铬镍奥氏体不锈钢相比，是一类虽然强度高但耐WORD完美资料编辑专业整理分享蚀性、成型性（包括热加工性）和焊接性等均相对较低的一类节镍不锈钢。近来，由于向钢中加入高氮量的工艺、技术、装备的进步，国内外不仅在大力开发高氮高强度的铬锰奥氏体不锈钢，而且对不加锰仅向钢中加入氮而开发的无锰、低镍、高氮和无锰、无镍、高氮奥氏体不锈钢的研究已取得了引人注目的进展，引起了国内外的日益广泛的关注。AISI200系铬锰奥氏体不锈钢AISI201（1Cr17Mn6Ni5N）和AISI202（1Cr18Mn8Ni5N）。为了节镍，AISI201和AISI202所对应着代替的Cr-Ni奥氏体不锈钢的牌号是AISI301和302。表4列出了AISI201和202与希望它们替代的AISI301和302力学性能的对比，可以看出AISI201和202的屈服强度比AISI301和302高达30%以上。这虽然在一定程度上弥补了Cr-Ni奥氏体不锈钢固溶态强度偏低的不足，但也给习惯按301、302和304的性能进行生产、加工和使用时带来了诸多困难和不便。表4AISI201和202与AISI301和302的室温力学性能WORD完美资料编辑专业整理分享表5列出了1Cr17Mn6Ni5N和1Cr18Mn8Ni5N的耐晶间腐蚀性能并与0Cr18Ni9（304）进行了对比。可以看出，固溶态的201和202和304均无晶间腐蚀敏感性，而敏华态则均对晶间腐蚀敏感。但在硝酸中，不论敏化态还是固溶态，304钢的耐蚀性均优于201、202，而敏化态，201和202的耐腐蚀性则更远低于304。表5AISI201和202与304晶间腐蚀敏感性对比低镍高锰的AISI205（1Cr17Mn15Ni1.5N0.3）钢较AISI201加工硬化倾向小，希望用于旋压和特殊的深拉伸以及无磁、低温等用途。211钢系在AISI201的基础上提镍、去氮加铜。得到：低冷加工硬化钢211（0Cr16.5Mn6Ni5.5Cu1.7）和冷镦用钢204Cu（1Cr16.5Mn8Ni3Cu3N）。提镍和加铜可降低钢的冷加工硬化倾向。镍和铜均稳定奥氏体，提高钢的层错能。去氮，把钢中氮量降到≤0.05%，可使氮的固溶强化作用下降，以降低钢的冷成型性因子（f）（见图8），有益于改善钢的冷成形性。WORD完美资料编辑专业整理分享图8氮对211钢的冷成形性因子的影响图9211钢的冷加工硬化行为图9是211钢的冷加工硬化行为。可以看出211钢的冷加工硬化敏感性低于AISI201，但与AISI304相近。211的冲孔，打印、弯曲、拉伸、等也与AISI304相同，是一种在冷成形性方面可与304互换的铬锰系钢。在改进型201钢基础上加入2.0%～4.0%Cu，形成了204Cu系不锈钢（0Cr17Mn8Ni2.5Cu3N），虽然含氮量要求在0.05%～0.25%范围内，但由于氮对冷成型性的不利影响，而又希望氮量尽量低的一种牌号。为了节镍，此钢的含镍量在1.5%～3.5%区间内，此钢主要用于冷镦用途。高耐腐蚀钢216（0Cr20Mn8.5Ni6Mo2.5N0.4）是向AISI201钢中加入2.0%～3.0%Mo，提高铬量到约20%，提高氮量到0.4%而开发的，由于此钢强度高，耐蚀性好，希望能代AISI316。耐晶间腐蚀优良的210L（00Cr16.5Mn6.5Ni4.5N0.15）、204L（00Cr18Mn9Ni6）和216L（00Cr20Mn8.5Ni6Mo2.5N0.4）是降低AISI201和非AISI的204、206中的C量到≤0.03%，以提高这些牌WORD完美资料编辑专业整理分享号的耐敏化态晶间腐蚀性能，它们可用于厚截面尺寸钢材的焊接用途。易切削钢203EZ（0Cr17Mn6Ni5.5Cu2S）是向钢中加入约2%的Cu和约0.3%的S，使此钢易切削，而且冷成型性好，希望代替AISI303。总结：合金元素对奥氏体不锈钢组织性能的影响涉及因素多，情况比较复杂，且随着钢的化学成分的不同，实验条件、使用条件的变化，所得结果差异较大，因而很难一一列举。本文仅涉及奥氏体不锈钢的部分元素影响。参考文献[1]PecknerDetal.HandbookofStainlessSteels,1997[2]MarshallP.AusteniticStainlessSteelMicrostructureandMechanicalPropertics,1984[3]陆世英，不锈钢，化工腐蚀与防护手册——耐腐蚀金属材料，北京；化学工业出版社，198