建筑用含铌不锈钢.

图 7.1.1 不锈钢表面锈蚀评级标准照片
图 7.1.2 锈蚀面积率和SA RN 的关系
7 建筑用含铌不锈钢
7.1 沿海建筑用含铌不锈钢的耐候性
因为不锈钢具有优越的耐蚀性、耐候性，所以在屋顶板、侧面板、外壁材、扶手、落水管等方面作为各种建材得到广泛应用。

随着沿海地区的开发，在近海地区兴起建筑大型机场、体育馆、展览馆等以及房屋高层建筑，不锈钢的应用市场正在开拓与发展。

本节介绍不锈钢耐海洋大气腐蚀情况与应用情况的评级及选材。

7.1.1 锈蚀评级
从无锈蚀到全面积腐蚀分0级到9级共10个级别，用SA RN 级别表示。

SA RN 级别与锈蚀面积率的关系见图7.1.1和图7.1.2。

锈蚀级别SA RN 与面积率的对数成直线关系。

锈蚀面积率0.1%，1%，10%分别为SA RN 8，5，3级（偶然原因污染不参与评级），级别越大耐蚀性越好。

本评级标准受到广泛认同和应用。

图 7.1.3 山区和沿海大气腐蚀试验1年后的锈蚀情况
7.1.2 供试钢种
为比较不同钢种的耐蚀性，做了耐海洋大气腐蚀试验，试验用钢种如表7.1.1所示。

试验钢种主要是日新制钢开发的系列钢，其它公司开发的也大体类同，其中一些钢种都已纳入标准。

它们的详细成分可在相关手册查到（本书附表的钢种成分表可供查阅早期钢种）。

海洋大气含NaCl 粒子依地区不同而不同，离海岸远近也有差别，不锈钢应用部位与承受海风积存盐分量的不同，其受侵害程度亦不同，如屋板侧面板、屋檐下都有差别。

为比较钢种的耐海岸大气腐蚀差别，试验都是在同一环境下进行。

表 7.1.1 供试钢种的化学成分 钢 类 钢 种 C Cr Ni Mo
其 他 SUS430 0.06 16.5 — —
NSS432 0.01 18.0 — 0.54
Nb ：0.41 NSS436 0.01 18.2 — 1.08
Ti ：0.27 铁素体钢 NSS444N 0.01 18.4 — 2.00
Nb ：0.41 NSS445M2 0.01 22.8 — 1.20
Nb ：0.21,Ti ：0.18,Al ：0.10 NSS447M1 0.01 30.0 — 2.01 Nb ：0.15,Ti ：0.20,Al ：0.16
SUS304 0.05 18.3 8.6 —
SUS316 0.06 16.8 11.5 2.38
奥氏体钢 NSSURC 0.03 24.8 24.6 4.77 Cu ：0.42
二相钢 NSS329M2 0.01 24.7 6.5 2.87 Cu ：0.46
7.1.3 大气暴露试验结果
A NSS436（2D ）和SUS304（2
B ）的耐候性
图7.1.3示出NSS436（2D ）和SUS304（2B ）在山区和海岸试验1年后的锈蚀状况。

结果是两种钢在山区都不生锈；在海岸NSS436开始显露锈蚀，而SUS304锈蚀进展很大，有污迹也有红锈，也就是说，上述两个钢在山区都有优秀的耐蚀性，但在海岸上都有10%锈蚀。

图 7.1.4 不同钢种不同地区暴露时间同
SA RN
的关系
图 7.1.5 铁素体不锈钢（酸洗）在冲绳岛2年的大气腐蚀结果
B 暴露时间对耐候性的影响
图7.1.4示出的是不同的钢种在不同地区
的耐蚀性情况。

图中所列钢种在第1年都有锈
蚀出现，但是耐锈蚀级别447、445、444N 、
304、430依次下降，到2～3年后锈蚀平衡而
447M1（2DR ）仍保持在SA RN9级，SUS304
和SUS430都下降到2级。

根据2～3年平衡
的耐蚀性结果和其他的试验结果，如
20Cr-Mo-Nb ，1年后的生锈很缓慢。

还有在海
滨地区、工业区、田园区、温泉地带的10年
试验结果也表明，前3～4年是锈蚀发展期，
其后进入缓慢阶段。

综上所述，可以确认根据
短期试验结果，可以预测长期的耐候性（锈蚀）。

C 各种不锈钢的海洋大气耐候性
取图7.1.5中所示的SUS430（2D ），NSS432（2D ），NSS436（2D ），NSS 445M2（2D ），NSS447M1（2D ），5个钢种表面均为2D ，在冲绳岛为期2年的大气腐蚀试验情况，与同标 准级别图比较，评级结果见图7.1.5。

图 7.1.6 各种不锈钢（酸洗）在冲绳2年后耐大气腐蚀的级别SA RN
图7.1.6中5种铁素体不锈钢从SUS430到NSS447M1，其耐锈蚀性一个比一个好，其锈蚀面积率按对数下降。

前3个生锈显著，NSS445M2生锈轻微，NSS447M1示出几乎不生锈的优越的抗候性。

D 铁素体不锈钢，奥氏体不锈钢，双相不锈钢的耐大气腐蚀
试验结果指出奥氏体不锈钢完全不耐大气腐蚀。

铁素体不锈钢两年两个月的资料表明，447M1具有非常好的耐候性，双相不锈钢三年七个月的试验结果示出同447M1有同样好的结果。

E 合金元素对不锈钢耐候性的影响
沿海工业区的大气对不锈钢的耐候性构成十分严重的威胁，是因为海上“飞来盐”和硫的氧化物构成的腐蚀环境。

（1）屋顶板和屋檐下等不同位向布置的不锈钢板所能积蓄的海盐粒子量是不同的。

随着年月的增长，海盐粒子量也在增加，如两年两个月后屋檐上的海盐粒子达到1.5mg/400cm 2，屋檐下也有1mg/400cm 2以上。

（2）不同位置不同钢种耐锈蚀性按点蚀指数Cr+3Mo 整理腐蚀情况见图7.1.7，图中指出耐海洋大气腐蚀点蚀指数大于33%才能确保各部位SA RN>8级，见图7.1.8。

图 7.1.7 各种类型不锈钢耐大气腐蚀级别SA RN
图 7.1.8各种不锈钢的SA RN与Cr+3Mo的关系
指出SUS430（2B）、NSS 444N （2B）虽然比304和316好些，但还有严重锈蚀，达到9级的钢只有NSS447M1（2B）和NSS329M2（研磨后酸洗）。

合金元素对耐候性的影响只与Cr+3Mo点蚀指数有关，而与钢中Ni没多大关系。

F沿海大气耐候钢的选材
耐候钢的选材要从实验基础开始，一般说远离海边的田园地区或大陆风景区用不锈钢对钢种的要求宽松得多，越是靠近海边越严格。

目前日本开发的NSS447M1可以说满足各种地区的耐候性要求，与双相钢NSS329M2相比经济成本要低得多。

7.2超级铁素体不锈钢
NSS447M1
由于海滨大开发，大型建筑的兴起，作为屋顶所需要的不锈钢板正在增加。

原用22Cr系不锈钢用于有飞来盐侵袭的地区，其耐蚀性还不够充分，导致屋檐上面或下面均有生锈现象。

因此需要开发更耐腐蚀不锈钢。

新开发的NSS447M1可用在
海滨附近的建筑物，做屋顶板、屋檐下或其它易积聚海盐的部位。

下面把NSS447M1超级不
锈钢的主要特性加以介绍。

7.2.1NSS447M1的各种性能
A化学成分
表7.2.1示出NSS447M1化学成分的典型示例。

本钢种成分是在SUS447J1的30Cr-2Mo
的基础上复合添加Nb、Ti、Al而成。

表 7.2.1 NSS447M1的化学成分(%)
C Si Mn Cr Mo Nb Ti Al N　
0.007 0.20 0.20 30.2 2.08 0.17 0.19 0.09 0.012
B物理性质
NSS447M1的物理性质列于表7.2.2。

铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢相比，突出的优点是
线膨胀系数低40%，特别是高Cr系的铁素体不锈钢更低。

它特别适用于有冷热交替变化的
长大的建筑物。

表 7.2.2 NSS447M1的物理性质 项 目 NSS447M1 SUS304 密度/kg ·m -3 7.64×103 2.93×103
杨氏模量(20℃)/MPa 210000 193000 热容(20℃)/J ·kg -1·℃-1 0.46×103 0.50×103
线膨胀系数（20～100℃）/℃-1 9.7×10-6 17.3×10-6
热导率(100℃)/W ·m -1·℃-1
17.6 14.0 比电阻抗(20℃)/M Ω·m
0.65 0.72 磁 性 强磁性 无磁性
C 力学性能
表7.2.3示出NSS447M1 2B 和无光泽表面的钢板的力学性能。

本钢种比SUS304硬，屈服强度也比304高出很多。

表 7.2.3 NSS447M1的力学性能
钢 种 表面精度 板厚/mm 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 伸长率/% 硬度HV 1t 弯曲
2B 1.5 431 568 28 192 良好
NSS447M1
无光泽 0.4 447 588 24 201 良好
2B 1.5 284 647 57 162 良好
SUS304
无光泽 0.4 282 657 66 160 良好
D 成形性
NSS447M1的模型成形性能如表7.2.4所示。

本钢种是高Cr 铁素体钢，加工性能未必比SUS304好，但是扩孔性能等是极其优越的。

表 7.2.4 NSS447M1的模型成形性
钢 种 表面精度 板厚/mm 加工硬化系数（n 值）
塑性变形比（r 值）杯突/mm 扩孔比（冲孔）NSS447M1 2B 1.5 0.23
1.03 11.2 1.76 SUS304 2B 1.5
0.59 1.03 14.3 1.09
NSS447M1加工硬化率比SUS304小，因此加工变形时反弹性小，这一点对建材的弯曲加工有利，表现出有良好的形状固定性。

E 耐蚀性
NSS447M1点蚀电位的测定是在40～80℃，Cl -浓度为(1×10-2～1×10)%溶液中利用动电位测定的，结果示于图7.2.1。

在所做的条件下，NSS447M1的点蚀电位，比SUS444和SUS316都高，说明NSS447M1具有优良的耐点蚀性能。

另外在1000×10-4%Cl -浓度的温水环境下NSS447M1的自然电位上升为0.8V 也不发生点蚀(通常在0.6V 就要发生点蚀)。

各种不锈钢酸洗后的点蚀电位用Cr+3Mo 指数加以整理，见图7.2.2。

新开发钢加Nb 、Ti 、Al 的NSS445M2和NSS447M1一样示出了具有高点蚀电位的特征。

但NSS447M1点蚀电位更高。

图 7.2.2 不锈钢的Cr+3Mo 指数同点蚀电位(动电位法)
的关
图 7.2.1 NSS447M1点蚀电位(动电位法)
a —溶液浓度的影响；
b —试验温度的影响
F 耐候性
(1)用盐水浸泡，干燥反复循环试验，经过1000次后NSS447M1仍具有亮丽表面，而SUS444、304、316都已被锈蚀得满目疮痍。

(2)大气试验。

NSS447M1和比较钢SUS444，304，316同在日本宫古岛试验7年，结果是NSS447M1的锈蚀率小于5%，而SUS444、304、316分别为40%、100%、100%。

(3)晶间腐蚀和应力腐蚀结果。

晶间腐蚀采用硫酸、硫酸铜法测定，650℃，2h 敏化处理，NSS447M1无晶间腐蚀倾向。

应力腐蚀在20%NaCl+1%Na2Cr2O7,B ，P ，240h 试验后，U 形弯曲，NSS447M1无裂纹。

7.2.2 用途示例
NSS447M1已用于冲绳电力牧港公司本部高层建筑等多处。

参 考 文 献
1 日新製鋼技報.2001；81
7.3 SUS630的冷加工性能
SUS630（17-4PH ）的耐蚀性几乎和304不锈钢等同，但强度高。

因此在船舶（包括海域）、化工设备等得到广泛应用。

由于商用SUS630钢固溶状态硬度高（HRC33～36），冷加工性能欠佳，一般采用过时效
图 7.3.1 试验钢的1313K 的NbC 溶度积曲线
处理后冷加工或者热加工成形。

半成品尚需在保护气氛下无氧化固溶处理（ST ）因而导致表面质量下降，后步工序成本增高。

因此，应用范围受到限制，改善加工性能十分必要。

改善固溶态（ST ）的冷加工性能，降低C 、N 可降低ST 态硬度，是有效的方法，但又不能降低最佳时效力学性能（因为17-4PH 钢的强化机制是采用Cu 的沉淀强化，只要不改变Cu 含量和峰值处理工艺H900，强度是可保证的）。

为此，降C 保持适量的Nb 、N ，利用溶度积原理，采用适当的固溶处理细化晶粒，改善钢的塑性是本课题的关键技术。

7.3.1 研究钢的化学成分及其在溶度积图上的位置
钢的化学成分如表7.3.1所示。

主要研究C 的变化（A ～F ），N 、Nb 的变化（G ～K ）对晶粒度、固溶态的硬度和冷镦性能的影响。

表 7.3.1 试验钢的化学成分（%） 钢 C Si Mn P S Cu Ni Cr Nb N C+N
A 0.002 0.35 0.9 0.024 0.001 3.51 4.89 16.01 0.24 0.002 0.004
B 0.005 0.16 0.96 0.021 0.007 3.2 4.77 15.48 0.18 0.019 0.024
C 0.009 0.15 0.94 0.025 0.001 3.33 4.91 15.6 0.22 0.013 0.022
D 0.015 0.15 0.94 0.024 0.001 3.31 4.88 15.59 0.22 0.015 0.03
E 0.029 0.15 0.94 0.025 0.001 3.31 4.89 15.64 0.21 0.013 0.042
F 0.054 0.29 0.9 0.03 0.004 3.34 4.09 15.67 0.22 0.021 0.075
G 0.009 0.15 0.95 0.025 0.001 3.35 4.87 15.63 0.21 0.019 0.028
H 0.01 0.15 1.01 0.024 0.002 3.35 4.86 15.64 0.22 0.032 0.042
I 0.009 0.15 0.95 0.027 0.001 3.32 4.94 15.7 0.1 0.014 0.023
J 0.009 0.15 0.94 0.026 0.002 3.35 4.96 15.65 0.4 0.006 0.015
K 0.008 0.16 0.94 0.026 0.001 3.39 4.85 15.61 0.42 0.02 0.028
L 0.05 0.25 0.92 0.033 0.002 3.21 4.16 15.78 0.33 0.025 0.075 研究钢经热变形后固溶处理状态的晶粒度受Nb 的碳化物和氮化物溶度积控制。

锻造状态在固溶处理时发生再结晶，如果钢中有高度弥散析出的Nb 的化合物(NbC 、NbN 或Nb(C, N))存在时，晶粒长大受到抑制，得到细晶粒组织。

试验钢在溶度积图上的位置如图7.3.1所示。

图 7.3.2 试验钢1313K 固溶处理的晶粒度
图中曲线是1313K 的NbC 溶解度线，位于右上方的钢在该温度下NbC 有沉淀产生，而左下方NbC 呈固溶态，其中L 钢为工业商用钢，在此研究中做比较钢。

7.3.2 晶粒度
热锻后1313K ×1.8ks 油淬,晶粒度与Nb （C ，N ）的溶度积的关系如下：
lg ［w (Nb)w (C+N)］＝0.006 (7.3.1) 图7.3.2 示出1313K 固溶处理后的C+N 和Nb 与晶粒度关系。

1313K 时溶度积w (Nb)w (C+N)=0.006。

图7.3.1中的钢位置与图7.3.2中晶粒度相应。

以w (Nb)w (C+N)=0.006为界，晶粒度分布成2个区域，之一是Nb 量和C+N 量少的钢晶粒度3～4级的粗晶区；之二是Nb 量和C+N 量多的钢晶粒度7级以上的细晶区。

只要w (Nb)×w (C+N)＞0.006就进入细晶区。

表7.3.2是沉淀析出物的分析结果。

和图7.3.2对照细晶区的细析出物多，粗晶区析出物少。

A 钢析出物为O ，晶粒最大3.2级。

表 7.3.2 沉淀物与沉淀量 钢 C N Nb 沉淀物
沉淀量 A 0.002 0.002 0.24 —
0 C 0.009 0.013 0.22 Nb(C 、N)
0.05 D 0.015 0.015 0.22 Nb(C 、N)
0.13 E 0.029 0.013 0.21 Nb(C 、N)
0.22 G 0.009 0.019 0.21 Nb(C 、N) 0.11
H 0.01 0.032 0.22 Nb(C 、N),NbCrN 0.24
I 0.009 0.014 0.1 — 0.03
J 0.009 0.006 0.4 Nb(C 、N)，NbCrN ，(Fe 、Nb)6C 0.18
K 0.008 0.02 0.42 Nb(C 、N)，NbCrN ，(Fe 、Nb)6C
0.28
A 析出物的百分率与晶粒度关系
能细化晶粒的析出物的量存在着临界量，如图7.3.3所示，需要大于0.16%，也就是说抑制晶粒长大需要有足够的析出量。

B 固溶温度与晶粒度的关系
图7.3.4示出A 、B 、L 钢的晶粒度与固溶处理温度曲线，显示出A 钢的晶粒粗化温度为
图 7.3.3析出物量同晶粒度的关系图7.3.4固溶处理温度对晶粒度影响
图 7.3.5试验钢1313K固溶处理的硬度
1248K，B钢为1298K。

现在定义T g为晶粒粗化温度。

从图7.3.3、图7.3.4看出，T g与钢中未溶解的沉淀物量和
固溶处理温度有关。

按A、B钢的C+N，Nb及其粗化温度可确定lg［w(Nb)w(C+N)］=-a/T g+b中的a，b常
量：
lg［w(Nb)w(C+N)］=-17600/T g+11.2
(7.3.2)
公式7.3.2表明固溶温度低于T g可得细晶粒组
织，高于T g为粗晶组织。

7.3.3加工性能
A固溶处理的硬度
从图7.3.5上看商品L钢的硬度为HRC34.1，
相反C+N少的A钢（0.004%）HRC为23.5，低
10个单位。

C、N、Nb和晶粒度对固溶处理后硬度
的影响进行了多重因子回归分析结果，如表7.3.3
所示。

表 7.3.3固溶处理硬度多重回归分析结果（R=0.92）
判据特定变量回归系数标准化偏导部回归
21.8 0
×w(C) 219.6 0.79
×w(N) 116 0.41
×w(Nb) 3.1 0.16 ［HRC］
×#Gs(JIS) 0.2 0.22 表7.3.3指出影响C对硬度的作用最大为N的两倍，其次是Nb和晶粒度。

降低硬度的
最有效的做法是降低C含量。

从图7.3.5看出左下方的硬度突出的低。

图7.3.6示出A钢、B钢、L钢的ST处理温度的变化对硬度的影响。

参看图7.3.4，温度
对晶粒度影响是显著的，然而晶粒度对硬度的影响是比较小的。

L钢和B钢HRC对固溶温
度不敏感，只有C 0.004%的A钢硬度在1250K开始显著下降。

图 7.3.6 A 钢、B 钢和L 钢固溶处理温度对硬度的影响
图 7.3.7
C 、N 含量对临界冷镦率的影响
图 7.3.8 冷镦试验的应力-应变曲线
B 冷镦性能
硬度是在比较小变形范围内评价加工性能指针。

临界冷镦率与C 含量的关系如图7.3.7所示。

随着0.01%～0.06%C 的变化，冷镦率的变化是强烈的，随着C 的提高，冷镦率急剧降低。

图中的括号资料是N 量，N 对冷镦率没有影响，所以改善冷加工性能降低C 量是最有效的。

图7.3.8示出钢F 、钢B 和典型的冷加工钢SUSXM7冷镦试验时流变应力与应变曲线。

0.005%C 钢B 在变形初期，其变形抗力比SUSXM7高，当应变到0.6后的高应变区和SUSXM7有同等的变形抗力。

图 7.3.9 C+N 对H900处理拉伸性能的影响
图 7.3.10 H900拉伸样的断口
7.3.4 H900峰值时效处理的拉伸性能
所谓峰值时效是指17-4PH 钢H900的最高析出强化处理，即480℃时效。

不同C 、N 含量钢的拉伸试验结果见图7.3.9。

钢A 和钢L 的拉伸断口见图7.3.10。

从图7.3.9看到与往常的随着C 含量的增高，强度上升而延性下降的趋势不同的拉伸性能；抗拉强度水平基本同一水平，而延性和面缩呈抛物线增长；C+N 低于0.04%反而减少。

特别是0.004%（C+N ）的A 钢伸长率和面缩率只有1%。

强度资料在C+N 低于0.04%后呈分散性。

少量C 、N 有改善“晶界结构”作用，而极少的C 、N 晶界缺陷增多，晶界延性劣化。

拉伸断口分析指出钢A ，ST 1313K ，1.8ks 油冷后的H900处理的断口是粗大的解理，伸长率为1.3%，面缩率为0.8%。

ST 1223K ，1.8ks 油冷后的H900处理细小的韧窝断口，伸长率为14.8%，面缩率为52.4%。

钢F 同样是1313K ST 处理，但延性良好，这是由于不同的溶度积及其晶粒粗化温度不同的结果。

7.3.5 结论
最大限度地降低C 量，加入适量的N 、Nb 可保持SUS630（17-4PH ）的H900的强度性能，而固溶处理后的冷加工性能接近于SUSXM7，这样的SUS630钢可望扩大应用领域。

技术要点如下：
(1)固溶温度按lg［w(Nb)w(N)］=-17600/Tg+11.2计算，低于T g有细化晶粒作用；
(2）降低固溶状态的硬度，降低C效果最大，是降N的2倍；晶粒度和Nb对硬度的影响很小；
(3)和商用钢（0.05C、0.021N）相比，0.005C的SUS630钢的变形抗力降低20%，在应变率超过0.6时冷加工性能与SUSXM7相近。

(4)临界冷镦变形量随C含量的升高而明显下降。

N含量对此无影响，但提高了变形能；
(5）C、N的变化对强度性能无影响，延性指针随C+N的降低而下降；这是Nb的碳氮化物量减少，晶粒粗化后，时效处理晶界延性劣化的结果。

如上结论：把SUS630钢中C极力降低并适量加入Nb、N可确保细晶组织，不改变Cu 含量和H900可维持该钢所固有峰值的时效强度特性，但在固溶状态则改善了其冷加工性能。

参 考 文 献
1電氣製鋼.67(2)
2CBMM Round Table Conference on“Metallurgical Behavior of Alloying Elements in Stainless Steel”Tokyo.1996。