镍和铬在不锈钢中的主要作用

镍在不锈钢中的主要作用镍在不锈钢中的主要作用在于它改变了钢的晶体结构。在不锈钢中增加镍的一个主要原因就是形成奥氏体晶体结构，从而改善诸如可塑性、可焊接性和韧性等不锈钢的属性，所以镍被称为奥氏体形成元素。普通碳钢的晶体结构称为铁氧体，呈体心立方(BCC)结构，加入镍，促使晶体结构从体心立方(BCC)结构转变为面心立方(FCC)结构，这种结构被称为奥氏体。然而，镍并不是唯一具有此种性质的元素。常见的奥氏体形成元素有：镍、碳、氮、锰、铜。这些元素在形成奥氏体方面的相对重要性对于预测不锈钢的晶体结构具有重要意义。在不锈钢中，有两种相反的力量同时作用：铁素体形成元素不断形成铁素体，奥氏体形成元素不断形成奥氏体。最终的晶体结构取决于两类添加元素的相对数量。铬是一种铁素体形成元素，所以铬在不锈钢晶体结构的形成上和奥氏体形成元素之间是一种竞争关系。因为铁和铬都是铁素体形成元素，所以400系列不锈钢是完全铁素体不锈钢，具有磁性。在把奥氏体形成元素-镍加入到铁-铬不锈钢的过程中，随着镍成分增加，形成的奥氏体也会逐渐增加，直至所有的铁素体结构都被转变为奥氏体结构，这样就形成了300系列不锈钢。如果仅添加一半数量的镍，就会形成50%的铁素体和50%的奥氏体，这种结构被称为双相不锈钢。400系列不锈钢是一种铁、碳合铬的合金。这种不锈钢具有马氏体结构和铁元素，因此具有正常的磁特性。400系列不锈钢具有很强的抗高温氧化能力，而且与碳钢相比，其物理特性和机械特性都有进一步的改善。大多数400系列不锈钢都可以进行热处理。300系列不锈钢是一种含有铁、碳、镍和铬的合金材料，一种无磁性不锈钢材料，比400系列不锈钢具有更好的可锻特性。由于300系列不锈钢的奥氏体结构，因此它在许多环境中具有很强的抗腐蚀性能，具有很好的抗金属超应力引起的腐蚀所造成的断裂的性能，而且其材料特性不受热处理的影响。不锈钢是20世纪重要发明之一，经过近百年的研制和开发已形成一个有300多个牌号的系列化的钢种。在特殊钢体系中不锈钢性能独特，应用范围广，起其它特殊钢无法代替的作用,而不锈钢几乎可以涵盖其它任何一类特殊钢。1奥氏钢的演变在发达国家，每年消耗的不锈钢中约有70%是奥氏体不锈钢，尽管我国消费水平不高，奥氏体不锈钢的消耗量也达到总消耗量的65%左右。所以看不锈钢牌号发展动向首先要看奥氏体不锈钢的动向。早期的研究者已发现碳是造成奥氏体不锈钢晶界腐蚀损坏的主要原因，限于当时的冶金设备水平，很难将碳控制到0.03%以下，最终想出了在钢中加入Ti和Nb，使其优先与碳反应，生成TiC和NbC，将碳固定住的方法，防止碳在晶界析出生成Cr23C6，造成晶间腐蚀。由于Nb的成本很高，直到七十年代中期，含Ti稳定化钢1Cr18Ni9Ti仍在不锈钢中占主导地位。1Cr18Ni9Ti钢水粘稠，连铸坯表面质量很难过关。采用模铸，钢锭表面质量不好，必须进行剥皮修磨，成材率很低。成品钢材含有TiN夹杂，纯净度低，表面抛光性能差，拉细丝断头多。到了20世纪60年代末期，不锈钢冶炼技术取得了突破性进展，广泛采用AOD和VOD法炼钢，降低不锈钢中的碳不再歉鑫侍饬恕E贰⒚馈⑷盏裙ひ捣⒋锕蚁群罂⒘艘幌盗械吞己统吞几郑琓i稳定化钢逐步被低碳和超低碳钢所取代。七十年代，美、日等国已将1Cr18Ni9Ti从标准中淘汰，尽管保留了0Cr19Ni11Ti（321）但其产量仅占总量的0.7～1.5%，顺利地完成了从含钛稳定化钢向低碳和超低碳钢的过渡。我国不锈钢的生产与应用相对滞后，尽管1984年颁布国家标准GB1220-84《不锈钢棒》时，将1Cr18Ni9Ti列为不推荐使用牌号，但1Cr18Ni9Ti的主导地位并没有变化。直到1995年，随着国民经济的发展，特别是合资企业的介入，国内市场与国际市场逐步接轨，短短5～6年时间，我国奥氏体不锈钢已完成从含钛稳定化钢向低碳和超低碳钢的过渡。目前除少数传统产业仍使用1Cr18Ni9Ti外，304（0Cr19Ni9）和316（0Cr17Ni12Mo）已成为不锈钢的主导牌号。2以氮代碳，发展含氮不锈钢在奥氏体不锈钢中氮和碳有许多共同特性，如增加奥氏体稳定性，能有效提高钢的冷加工强度等。提高碳含量会降低不锈钢的抗晶间腐蚀性能，氮与铬的亲和力要比碳与铬的亲和力小，奥氏体钢很少见到Cr2N的析出。因此，加适量的氮能在提高钢的强度和抗氧化性能的同时，不降低不锈钢的抗晶间腐蚀性能。以氮代碳，开发含氮不锈钢已成为热门话题。氮在钢中的溶解度有限（0.15%），加入铬和锰能提高其溶解度，加入镍和碳能减少其溶解度。在大气冶炼条件下，氮通常以Cr-N或Mn-N合金形式加入钢中，但回收率很难准确控制，一般认为氮含量超过0.2%对冶炼操作极为不利。氩-氧精炼，加压电渣熔炼，平衡压力浇铸等技术的发展和应用，使准确控制钢中氮含量，用氮来控制钢中的组织成为现实。近期研究成果表明，适当调整不锈钢成分，特别是铬与锰的配比，能将钢中的氮含量稳定在0.4%左右，近年来，美国和日本标准（ASTMA580和JISG4309）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个含氮牌号。图1奥氏钢的演变3开发和推广200系列不锈钢二战期间镍供应严重不足，德国人首先研制出以锰一氮代替部分镍的不锈钢。20世纪50年代美国人因为同样理由，经深入研究，将锰一氮代镍钢定型，开发了高锰系列奥氏体不锈钢，即200系列不锈钢。我国镍资源匮乏，铬资源也不丰富，以锰-氮代镍，开发和推广200系列不锈钢不仅可以降低不锈钢成本，还有深远的战略意义。印度在200系列不锈钢推广应用方面走在世界的前列，目前全世界200系列钢70%以上是印度生产的，值得我们借鉴。200（Cr-Mn-Ni）系列不锈钢常见牌号的化学成分如表1。200系列钢以锰-氮代镍，材料成本显著降低。但降低镍后，为保持奥氏体组织必须有足够高的锰、碳和氮来增加镍当量，因此造成200系列钢具有以下特性：①固溶处理后的抗拉强度偏高，一般为800～1100Mpa，而且无法将抗拉强度降下来。②冷加工硬化率急剧上升，冷加工强化系数K15，加工难度大，过程成本增加。③200系列钢具有优良的耐磨性能。④200系列钢弯曲成形、冷镦和冲压性能较差。⑤传统的200系列钢，对晶间腐蚀很敏感，而且加稳定化元素也无法改变其敏感性。⑥部分钢（如205、2Cr15Mn15Ni2N等）由于其稳定奥氏体元素含量相对比304高，抗磁性能优于304。鉴于上述特性，201、202和205等钢丝主要用于制作弹簧、筛网和精密轴等。表1200（Cr-Mn-Ni）系列不锈钢化学成分为提高200系列钢在各种介质中的耐蚀性能，改善钢的冷加工和冷顶锻性能，达到用200系列钢代替304的目标，近年来主要从以下几方面着手开发新牌号。①以氮代替碳，稳定奥氏体、在提高强度同时提高耐蚀性能，如204、211、216。②适量添加Mo、Nb等元素，改善钢的抗点蚀、晶间腐蚀和抗应力腐蚀性能，如216、223。③加铜降低钢的冷加工硬化率，改善冷顶锻和冷成形性能，如204Cu、211、223。美国冶金学家、ASTM会员约翰o迈杰，用204Cu代替304的研究成果尤其令人鼓舞。迈杰在改型201（C=0.03%、Mo=0.2%）钢基础上分别添加1%、2%和3%的铜，发现随Cu含量增加钢的屈服强度和抗拉强度稳步下降，如表2。表2铜对改型201力学性能的影响204Cu由于含3%Cu，软化处理后的抗拉强度已与304接近，但其冷加工硬化率显著降低。从图2可以看出，冷拉减面率≤45%时，204Cu的冷加工硬化趋势基本与304和304FQ（304M）相近，减面率45%时，204Cu的冷加工硬化率明显低于304。取304、204Cu和改型201钢丝（ф3.5mm）在同样条件下进行冷顶锻试验试图2204Cu与304冷加工硬化趋势对比验结果如表3。（作者注：1Ksi=0.0069Mpa）表表3冷顶锻试验结果注：Φ3.5mm钢丝经多道次模具冲顶成形，螺栓头部直径为钢丝的3.5倍。每个牌号取数百个螺栓，肉眼检查头部裂纹状况。/p从表3可以看出，改型201加3%Cu后，耐盐雾腐蚀和冷成形能力有了根本性的改善。204Cu冷顶锻成形性能优于304，耐盐雾腐蚀能力与304相当。进一步试验已证明，在5种常见酸性介质中，204Cu的耐腐蚀性能优于304，如表4。表4204Cu与304耐蚀性能比较注：试验温度从0℃，每次升5℃，逐步上升到全部试样出现浸蚀裂纹的温度-25℃为止。*不产生浸蚀裂纹的最高温度。综上所述，204Cu与304相比，抗拉强度和屈服强度高，冷加工硬化率低，冷成形性能好；在各种腐蚀环境中的耐蚀性能优于，至少是相当于304；再加上200系列钢固有的耐磨损、材料成本低等优势，204Cu完全有可能取代304成为通用不锈钢。美国近年来在电子、通讯、安全防护、食品加工、能源和烟草加工行业，大力推广204Cu，成效显著。4超级铁素体不锈钢铁素体不锈钢具有良好的耐蚀性能和抗氧化性能，其抗应力腐蚀性能优于奥氏体不锈钢，价格比奥氏体不锈钢便宜，但存在可焊性差、脆性倾向比较大的缺点，生产和使用受到限制。二十世纪60年代初期的研究已经证明，铁素体钢的高温脆性、冲击韧性、可焊性都与钢中的间隙元素含量有关，通过降低钢中的碳和氮的含量，添加钛、铌、锆、钽等稳定化元素，添加铜、铝、钒等焊缝金属韧化元素3种途径，可以改善铁素体钢的可焊性和脆性。铁素体按C+N含量可以分为不同级别：C+N＞0.03%为常规铁素体不锈钢，表示为0Cr；C+N≤0.03%为超低碳铁素体不锈钢，表示为00Cr；C+N≤0.02%为高纯铁素体不锈钢，表示为000Cr；C+N≤0.01%为超纯铁素体不锈钢，表示为0000Cr国外一些企业已经用AOD熔炼或真空熔炼加电子束精炼的方法生产出含氮低于90ppm，碳和氮总量在110～120ppm范围内的高纯铁素体钢。我国已研制出000Cr18Mo2Ti和000Cr30Mo2高纯铁素体钢.国内外近期研制成功的超级铁素体钢化学成分如表5。表表5超级铁素体钢的化学成分（wt%）美国标准ASTMA493-88已经纳入XM-27（000Cr26Mo）、S44700（000Cr29Mo3）和S44800（000Cr29Ni2Mo3）3个超纯铁素体牌号，其化学成分如表6。表6ASTMA493中超纯铁素体钢化学成分wt%5超级奥氏体钢超级奥氏体钢指Cr、Mo、N含量显著高于常规不锈钢的奥氏体钢，其中比较著名的是含6%Mo的钢（254SMo），这类钢具有非常好的耐局部腐蚀性能，在海水、充气、存在缝隙、低速冲刷条件下，有良好的抗点蚀性能（PI≥40）和较好的抗应力腐蚀性能，是Ni基合金和钛合金的代用材料。超级奥氏体钢的化学成分如表7。表7超级奥氏体钢的化学成分注：①点蚀指数PI=Cr%+3.3Mo%+30N%。②临界缝隙腐蚀温度CCT=-（45±5）+11Mo%。超级奥氏体不锈钢热加工难度较大，一般认为杂质和低熔点金属在晶界富集、沉淀是造成奥氏体钢热脆性的主要原因，控制Mn≈0.5%、Cu≤0.7%、Si≤0.30%、S≤0.005%、Bi≤5×10-6、Pb≤15×10-6有利于热加工。超级奥氏体钢的冷加工性能良好，其抗拉强度偏高，与一般奥氏体钢相比，要达到相同的软化效果，固溶温度应提到1150～1200℃。6超马氏体不锈钢传统的马氏体不锈钢2～4Cr13和1Cr17Ni2缺乏足够的延展性，在冷顶锻变形过程中对应力十分敏感，冷加工成型比较困难。加之钢的可焊性比较差，使用范围受到了限制。为克服马氏体钢的上述不足，近年人们已找到一种有效途径：通过降低钢的含碳量，增加镍含量，开发了一个新系列合金钢