不锈钢材料研究现状

不锈钢材料的研究现状

摘要：不锈钢作为现代工业中一种重要的材料，已有一百多年的历史。因不锈钢具有高强度、可焊接性、抗腐蚀性、易加工性和表面具有光泽性等许多优异的特性，在宇航、化工、汽车、食品机械、医药、仪器仪表、能源等工业及建筑装饰方面得到广泛而重要的应用。但随着石油化工工业、军事工业及海洋开发的迅速发展。以不锈钢为基体的传动轴、啮合件或动配合件经常会因为不锈钢质软不耐磨、表面强度低、摩擦系数大等因素发生咬合或粘滞现象[1]。为了提高不锈钢的耐磨性, 许多学者在不锈钢表面进行了各种处理和强化研究, 如利用化学镀在不锈钢表面沉积耐磨镀层, 能提高产品表面硬度, 并保证产品的耐腐蚀性能。本文主要介绍了不锈钢材料的类型以及不锈钢表面涂镀的制备技术，给出了不锈钢材料的发展趋势。

1不锈钢的类型

根据不锈钢材料的显微组织特点，超级不锈钢分为以下几个类型：超级铁素体不锈钢、超级奥氏体不锈钢、超级马氏体不锈钢和超级双相不锈钢。

1.1 超级铁素体不锈钢

超级铁素体不锈钢继承了普通铁素体不锈钢强度高、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良等特点，同时改善了铁素体不锈钢的延性-脆性转变、475℃脆性、对晶间腐蚀较敏感和焊态的低韧性等局限性。随着冶金技术（VOD、AOD、电子束熔炼等）的发展，使得提高铁素体不锈钢的性能成为可能。通过采用精炼技术，降低碳和氮含量，添加稳定化和焊缝金属韧化元素，可获得高铬、钼且超低碳、氮的超级铁素体不锈钢［2］，素体不锈钢在耐苛刻介质腐蚀、耐氯化物的点蚀和缝隙腐蚀等应用方面进入了一个新的阶段。

1.2超级奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢由于具有良好的加工性能、耐蚀性能、焊接性能和力学性能，是不锈钢中最重要的钢种，但强度较低、具有冷加工硬化和局部腐蚀敏感的缺点以及不能通过相变强化，使用受到了限制。超级奥氏体不锈钢是在普通奥氏体不锈钢的基础上，通过提高合金的纯度，提高有益元素（N，Cr，Mo）的数量，降低碳含量，防止析出Cr23C6 造成晶间腐蚀，获得良好的力学性能、工艺性能和耐局部腐蚀性能，并替代了Ti稳定化不锈钢。

1.3超级双相不锈钢

双相不锈钢是在其固溶组织中铁素体相与奥氏体相各占一半，一般最少相的含量也需要达到30%的不锈钢［3］，该钢种兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点。超级双相不锈钢

是八十年代后期发展起来的，牌号主要有SAF2507、UR52N+、Zeron100等。该类钢的特点是含碳量低（0.01%，0.02%），含有高钼和高氮（Mo≤4%，N≤0.3%），钢中铁素体相含量占40%50%，具有优良的耐孔蚀性能。双相不锈钢主要解决中性氯化物的局部腐蚀。超级双相不锈钢在各行业都得到广泛应用，如UR52N+用于油田的集油、集气和水混合物的输送管线以及海岸设施。SAF2507应用在阿拉斯加、墨西哥湾等地区的油井生产及海上平台设施等。

1.4超级马氏体不锈钢

马氏体不锈钢属于可硬化的不锈钢，具有高的硬度、强度和耐磨性能，但韧性和焊接性较差。普通马氏体不锈钢缺乏足够的延展性，在变形过程中对应力十分敏感，冷加工成形比较困难。通过降低含碳量增加镍含量，可获得超级马氏体不锈钢。超级马氏体不锈钢的典型组织为低碳回火马氏体组织，具有很高的强度和良好的韧性。随镍含量和热处理工艺的变化，在某些超级马氏体不锈钢的显微组织中可能会有10%40%的细小弥散状残余奥氏体，含铬量为ɡ的超级马氏体不锈钢中可能会出现少量的!铁素体。通过细化回火马氏体的晶粒可进一步改善超级马氏体不锈钢的性能。

2 不锈钢表面的涂镀技术

2.1 化学镀

化学镀是1947 年由A. Brenner和G. Riddell提出的沉积非粉末状镍的镀膜方法, 该方法是一种沉积金属的、可控制的、无外加电源的氧化还原反应过程。相对于电镀, 化学镀有如下优点:能在形状复杂的零件表面沉积均匀一致的镀层;自润滑性好; 镀层较厚; 空隙少; 设备简单, 操作容易; 镀层具有特殊的机械、物理和化学性能等。其缺点是: 镀液寿命短, 废水多, 镀速慢,成本高[4]。化学镀提高不锈钢表面耐磨性的途径主要是镀镍及其合金镀层。镀镍前需要进行特殊的预处理, 以除去不锈钢表面的钝化膜, 提高不锈钢与镀层的结合力。不锈钢化学镀镍包括单层化学镀镍、双层化学镀镍、有氧化皮不锈钢单层化学镀镍等[5]。

2.2 物理气相沉积

物理气相沉积技术是利用蒸发或溅射等物理形式把材料从靶源移走, 然后通过真空或半真空空间使这些携带能量的粒子沉积到基片或零件的表面以形成膜层。物理气相沉积有真空蒸镀(VE)、溅射镀膜( SIP) 、离子镀( IP) ) 等。按加热蒸发源分类, 真空蒸镀包括电阻加热蒸镀、电子束加热蒸镀、感应加热蒸镀等; 溅射镀膜包括磁控溅射沉积、离子束溅射镀等。其中真空蒸镀是比较早的镀膜技术, 膜的结合力较低, 目前已不多用。而阴极溅射和离子镀所得膜结合力较高, 应用范围正在扩大。物理气相沉积镀膜的实用领域有: 装饰膜、装

饰耐磨膜、耐磨超硬膜、减摩润滑膜等[ 6]。

2.3 化学气相沉积

化学气相沉积(CVD) 技术是指在较高温度下，混合气体与基体的表面相互作用, 使混合气体中的某些成分发生分解, 并在基体上形成一种金属或化合物的固态膜或薄膜镀层。其特点如下: (1) 镀层致密均匀, 可以较好控制镀层的密度、纯度、结构和晶粒度; (2) 因沉积温度高,镀层与基体结合强度高; (3) 可以在大气压或者低于大气压下进行沉积; (4) 通常沉积层具有柱状晶结构, 不耐弯曲[ 7]。

2.4 热喷涂

热喷涂是利用某些热源将涂层材料加热到熔融或半熔融状态, 同时借助于焰流和高速气体将其雾化, 并推动这些雾化后的粒子喷射到基体表面, 沉积成具有某种功能的涂层。热喷涂能为工件表面提供耐磨、耐蚀、耐高温的涂层。涂层材料与基体之间通常存在三种结合方式: 机械结合、物理结合和冶金结合。随着低压等离子喷涂, 高能、高速等离子喷涂, 高速火焰喷涂技术的出现, 涂层的性能得到进一步提高: 孔隙率可以降至0.5% ~ 1% ; 涂层与基体的结合强度可以达到70~ 140MPa[ 6 ]。

2.5 电镀法

为了弥补不锈钢质软不耐磨、摩擦系数大的弱点, 常用电镀的方法提高不锈钢传动轴等配合件的表面硬度和自润滑性能。不锈钢是一种表面极易钝化的金属, 在电镀前必须除去表面钝化膜, 不锈钢经去油、浸渍、活化、预镀镍和电镀等工序, 可得到铬、锌、铜、锡、贵金属等镀层。王飚等在不锈钢水轮机母材上, 用周期反相电镀稀土铬, 镀层厚度约0.3mm, 镀层由金属基相和稀土盐颗粒第二相组成, 硬度可达到900~1000Hv, 镀层的抗磨蚀性为母材的25~ 28 倍,产品工作寿命比原不锈钢件高2~ 6倍[8]。

3不锈钢材料的发展趋势

为了挖掘不锈钢的潜能，找出与其他元素之间的最佳配合，研究人员对不锈钢材料的研究也在不断的深入，今后的研究主要可从以下几个方面入手。

（1）净化和细晶或超细晶研究在冶金行业，对材料纯净化的研究不断加深，提出了洁净钢和零夹杂钢的概念［9］。把不锈钢材料的生产与冶炼技术结合起来，纯净、超纯净不锈钢的研究必将得到很好的发展。同时可细化材料晶粒，改变材料的微观特性和结构，使材料获得在正常状态下不具有的特殊性能，拓展材料的使用空间。

（2）节镍不锈钢随着不锈钢产量的增加，镍的需求量不断扩大，近期将出现镍供应短