不锈钢简介及双相不锈钢冶炼

不锈钢简介及双相不锈钢

冶炼

Revised final draft November 26, 2020

1不锈钢分类

钢在大气、水等弱介质中和硝酸等氧化性介质中，其耐蚀性随钢中铬含量的增加而提高，当铬含量达到一定的百分比时，钢的耐蚀性发生突变，即从易生锈到不易生锈，从不耐蚀到耐腐蚀。不锈钢的不锈性和耐蚀性是由于其表面上富铬氧化膜（钝化膜）的形成。不锈钢的分类方法很多。

按室温下的组织结构分类，有马氏体型、奥氏体型、铁素体和双相不锈钢；按用途分则有耐硝酸不锈钢、耐硫酸不锈钢、耐海水不锈钢等；按耐蚀类型分可分为耐点蚀不锈钢、耐应力腐蚀不锈钢、耐晶间腐蚀不锈钢等。

1.1合金元素对不锈钢组织的作用

在不锈钢常用的合金元素中，铬、钼、硅、铝、钛、铌等是铁素体形成元素，而碳、镍、锰、氮是奥氏体元素。

奥氏体形成元素：镍是扩大r的元素。锰和氮都是促进奥氏体形成的元素，因而可以代镍。但锰本身并不防蚀，不能单独使用，只用以代替部分的镍。

钼能增加不锈钢的耐蚀性。

铜能够提高铁素体不锈钢在某些还原性介质中的耐蚀性，并改变其韧性。在奥氏体不锈钢中加铜，可显着提高其在硫酸中的耐蚀性。

碳在不锈钢中与铬形成碳化物，含碳量越高，形成的碳化铬越多，固溶体中的含铬量越低，钢的电极电位就越低，故钢的耐蚀性也越低，因而不锈钢一般要求较低的含碳量。

不锈钢的强度和硬度随含碳量的增加而提高，因此，用以制造要求高硬度和高耐磨性的滚动轴承、刃具、弹簧等不锈钢，其含碳量较高，但需相应提高其含铬量（如9Cr18）。

钛和铌与碳亲和力比铬大，在不锈钢中能够优先形成碳化物，使铬能基本溶于固溶体中，从而避免晶界贫铬，减轻晶间腐蚀倾向。

铝和硅能在钢的表面形成一层致密的氧化膜，提高钢的耐蚀性。

1.2奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢，其中Cr约18%、Ni8%~10%、C约0.1%。包括18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。

在18-8型不锈钢的成分基础上演变，主要有以下几方面的重要发展：

1)加Mo改善点蚀和耐缝隙腐蚀

2)降C或加Ti、Nb，减少晶间腐蚀倾向

3)加Ni和Cr改善高温抗氧化性和强度

4)加Ni改善抗应力腐蚀性能

奥氏体不锈钢具有高韧性和塑性，但强度较低，不能通过相变强化。奥氏体不锈钢的生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的70%。

1）铁素体相对奥氏体不锈钢性能的影响

F相一般都对奥氏体不锈钢的性能带来不利的影响：如钢的耐点蚀性下降，在诸多腐蚀环境中（如尿素生产）耐蚀性劣化；在高温下长时间加热时，F相会转变为σ相使钢变脆等。

铁素体相含量的粗略判定：

Creq=%Cr+1.5×%Si+%Mo，Nieq=%Ni+30×(%C+%N)+0.5×%Mn

铁素体相消除的根本方法是提高钢中奥氏体形成元素如Ni、Mn和N的含量。

2）奥氏体不锈钢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Si含量，放宽Cr、Ni含量的区间，并提高杂质元素S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Mo或低Mo钢种应较低(≤1100℃)，而更高合金化的牌号如00Cr20Ni18Mo6CuN、00Cr25Ni22Mo2N等宜较高(1080～1150℃)。

3）由于合金元素(特别是Cr)含量高而C含量又低，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，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。奥氏体不锈钢使用前进行固溶处理。固溶处理工艺为1050～1150℃加热后水冷(细薄件也可空冷)。

4）奥氏体不锈钢生产工艺性能良好，特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。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Cu、N以及用Ti、Nb稳定化的钢种偏靠低温，而高Cr、

Mo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。

5）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。

6）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。

1.3铁素体不锈钢

铁素体不锈钢在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢。含铬量在11%~30%，具有体心立方晶体结构。这类钢一般不含镍。这类钢导热系数大，膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良，多用于制造耐大气、水蒸气、水及氧化性酸腐蚀的零部件。这类钢存在塑性差、焊后塑性和耐蚀性明显降低等缺点，限制了应用。代表的典型钢种为405、409、430、434等。

409—最廉价的型号（英美），通常用作汽车排气管，属铁素体不锈钢（铬钢）。

430—铁素体不锈钢，装饰用，例如用于汽车饰品。良好的成型性，但耐温性和抗腐蚀性要差。

1.4马氏体不锈钢

马氏体不锈钢通过热处理可以调整其力学性能的不锈钢。典型牌号为Cr13型，如2Cr13、3Cr13、4Cr13等。淬火后硬度较高，不同回火温度具有不同强韧性组合，主要用于蒸汽轮机叶片、餐具、外科手术器械。

1.5沉淀硬化不锈钢

沉淀硬化不锈钢是一类沉淀硬化元素（Cu、Al、Ti、Nb）的铁铬镍合金，可通过热处理强化，此类钢具有高强度、足够的韧性及适宜的耐蚀性，主要用于航天和一些高技术产业。典型的代表钢号为0Cr17Ni4Cu4Nb。

630—最常用的（马氏体）沉淀硬化不锈钢型号，通常也叫17-4；17%Cr，4%Ni。

1.6双相不锈钢

奥氏体-铁素体双相不锈钢是奥氏体和铁素体组织各约占一半的不锈钢。在含C较低的情况下，Cr含量在18%~28%，Ni含量在3%~10%。有些钢还含有Mo、Cu、Si、Nb、Ti，N等合金元素。典型的代表钢号为0Cr26Ni5Mo2等。

根据合金的成分判断是否属于奥氏体-铁素体双相不锈钢，可参照图1进行确定。

图1修正的舍菲尔不锈钢组织图

按合金含量分为低合金型、中合金型、高合金型和超级型。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显着提