2023年现代铁素体不锈钢的性能及应用.doc

现代铁素体不锈钢的性能及应用 中国特钢协会不锈钢分会专家委员会—李天宝 在许多应用不锈钢的环境中，由于现代铁素体不锈钢的诸多特性和优点，使不锈钢材料的应用从300系列奥氏体不锈钢向400系列铁素体不锈钢的钢种转换。由于现代铁素体不锈钢的诸多特性和优点，使紫铜管，白铜管逐步被400系列铁素体不锈钢不同牌号的材料所替代。要求材料实现转换和替代的其他原因还有： 1、冶金技术的提高，可实现C、N含量小于250ppm；冷轧技术的提高可实现高铬含量的冷轧薄带；可实现对照300系列不锈钢相同使用环境来对照牌号的相互转换。可以适用紫铜管，白铜管的使用条件。 1、铜和镍价波动很快，且波动大，不能适应经济稳定开展的需要。 2、紫铜管，白铜管价格昂贵，失去了性价优势。 3、由于环境保护政策的要求使超纯铁素体不锈钢得到更广泛的应用。 由此，在铁素体不锈钢应用选材中，对其性能了解和应用性能的掌握显得尤其重要的。 铁素体不锈钢系指铬含量在10.5%～30%，具有体心立方晶体结构，在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢。铁素体不锈钢可根据其所含铬量的不同大致分为Cr11%～15%，Cr16%～20%和Cr21%～30%三大类。也可以分为五类铁素体系列不锈钢 其化学成份见表1. 五类铁素体系列不锈钢 铁素体不锈钢分为五大类，其中三类为标准牌号，两类为特殊牌号。迄今为止，用量最大和应用范围最广的主要集中于标准钢号。因此，标准铁素体不锈钢一般完全能够满足和适用大多数应用领域的要求。 第 1 类〔409 或 410L 型〕。 这类钢在所有不锈钢中铬含量最低，因而最廉价，最适合在没有腐蚀或轻微腐蚀及允许有局部轻微生锈的环境下使用。409 型不锈钢起初专门为汽车排气系统消音器〔腐蚀不严重的外部〕所设计。410L 型不锈钢常用于容器、公共汽车和长途大轿车，最近用作液晶显示器的外框。 第 2 类〔430 型〕。它是一类使用最广的铁素体不锈钢，含有较高的铬，具有较好的耐蚀性，其多数性能与 304 类似。在某些应用领域，可替代 304 型不锈钢，一般在室内使用具有足够的耐蚀性。典型的用途包括洗衣机滚筒、室内面板等。典型的 430 经常作为 304 替代材料，用于厨房设施、洗碗机、壶和锅等。其焊接特性可参见 37 页。 第 3 类 〔包括 430Ti、439、441 等〕。与第 2 类相比，这类型牌号具有良好的焊接性和成形性。在多数情况下，其性能甚至优于 304。典型用途包括水槽、热交换管〔制糖业、能源等〕、汽车排气系统〔比 409 寿命长〕和洗衣机的焊接部位。第 3 类牌号甚至可替代 304 用于性能要求更高的场合。 第 4 类〔包括 434、436、444 型等〕。这类牌号通过添加钼增加耐蚀性，其典型的应用领域是热水箱、太阳能热水器、汽车排气系统、电加热壶和微波炉部件、汽车装饰条和户外面板等。444 钢的耐蚀性能与 316 相当。 第 5 类〔包括 446、445/447 型等〕。这类牌号通过添加更多的铬和含有钼来提高耐蚀性和抗氧化性。这类牌号的耐蚀性和抗氧化性优于 316。典型用途在沿海建筑，水热交换器和其它含氯离子较高耐蚀环境。国产海酷一号的耐蚀性与金属钛相当。 性能优异的现代铁素体不锈钢 高质量铁素体不锈钢已经出现多年，通过大量的深入研究，目前已经形成了系列性能优异的商业牌号。这类铁素体不锈钢对市场和经验丰富的生产企业来说并不陌生。但奇怪的是，大家对这类牌号似乎漠不关心，这是历史原因造成的。430 不锈钢曾经是早期唯一认可的铁素体不锈钢种，但早期的用户对这个钢种的使用，特别是在焊接或腐蚀严重的条件下，没有足够的技术支持。经过一些事件，在最近几十年形成了铁素体不锈钢性能差而奥氏不锈钢性能优良的错误认识。铁素体不锈钢很早就得到了改进。现代技术的全面支持和钢种的增加和多样化来保证在性能上满足用户的需求。铁素体不锈钢的性能可与奥氏体不锈钢相比，因此，把铁素体不锈钢认为是性能差的或极其优异都是错误的。他们之间仅仅是性能和用途不同。 铁素体不锈钢特殊的优异特性表现为： 铁素体不锈钢有磁性。 铁素体不锈钢的热膨胀率低〔加热时膨胀程度小于奥氏体不锈钢〕。 铁素体不锈钢的高温抗氧化性好〔外表氧化剥落倾向小于奥氏体不锈钢〕 铁素体不锈钢热传导率高〔铁素体不锈钢比奥氏体不锈钢热传导更加均匀〕。 含有稳定化元素铌的铁素体不锈钢有良好的蠕变抗力〔在长时间应力作用下的应变比奥氏体不锈钢小〕 铁素体不锈钢比奥氏体不锈钢更易于切削和加工〔奥氏体不锈钢的切削加工需要专用工具和大功率的机械，造成工具损耗也更大〕。 在冷加工变形时，铁素体不锈钢的形变回复倾向比奥氏体不锈钢小 铁素体不锈钢的屈服强度更高〔与碳钢相当〕，高于 304 不锈钢。 铁素体不锈钢，不同于奥氏体不锈钢，无应力腐蚀断裂倾向。 耐蚀性 不锈钢之“不锈〞是由于 Cr 含量赋予了其特殊的耐蚀性 从某种程度上来讲，所有钢种都有发生腐蚀的倾向，然而，不锈钢由于其含铬比碳钢更耐蚀。铬〔不是镍，但人们常误以为耐蚀的原因是镍〕是不锈钢获得耐蚀性的主要成分。 耐局部腐蚀性 不锈钢在使用过程中通常不需要维护，但是，在某些情形下，为延长使用寿命，少量维护〔例如，去掉沉积物〕也是必要的。 不锈钢的耐蚀性主要取决于化学成分而与奥氏体或铁素体相结构无关。从耐蚀性角度来讲，铁素体相与奥氏体相甚至可以被看作是不锈钢家族中两个可互换的成员。 五类铁素体系不锈钢与奥氏体 304 不锈钢耐蚀性相比，非常鲜明地体现了铬的作用，同时也进一步说明含镍〔奥氏体〕不锈钢与大多数铁素体不锈钢的耐蚀性相当。 典型的铁素体/奥氏体/双相钢的耐局部腐蚀 10 16 17 18 20 24 26 30 35 38 40 上图给出的结果说明，只有含钼的铁素体不锈钢比 304不锈钢具有更优异的耐局部腐蚀〔点蚀〕性能。然而，稳定化的铁素体不锈钢，在图中尽管位于 304 不锈钢之下，但是仍具有很好的耐点蚀性。 第 1 类铁素体不锈钢最适合于一些温和的环境条件，例如室内〔使用过程中不锈钢或者不与水接触或被定期擦干〕或室外，不锈钢外表的一些轻微腐蚀是可以接受的，在这样的服役环境中铁素体不锈钢的寿命比碳钢更长。 第 2 类铁素体不锈钢在温和的环境条件下更耐蚀，甚至包括与水间歇接触的一些环境条件。 第 3 类铁素体不锈钢适用环境与第二类不锈钢类似，但更容易进行焊接加工。 第 4 类铁素体不锈钢比 304 不锈钢耐蚀性优异，其使用范围更为广泛。 第 5 类铁素体不锈钢，例如含有非常高的铬，大约 29%左右，以及 4% 钼，在海水中其耐蚀性与钛金属相当。 PRE 指数 PRE 或点蚀当量指数是衡量不锈钢在含氯离子环境中耐点蚀性的指标，PRE 值越大，耐点蚀性越好。 由 PRE 对照表可见，每一种奥氏体不锈钢都有与之相对应的耐蚀性相当的铁素体不锈钢。 在通用的 PRE 简化公式中，PRE=%Cr+3.3%Mo，由公式可知钼耐点腐蚀能力是铬的 3.3 倍。然而，铬通常是保证耐蚀性的根本成分，钼在不锈钢中不可取代铬，但可以提高不锈钢的耐蚀性能。 由于在大多数的应用中镍对抗点腐蚀不起任何作用，因此在上述公式中没有考虑镍含量。 铁素体不锈钢的连接 许多连接不锈钢的方法都能够很好地应用于铁素体不锈钢。 焊接：通过母材和添充金属熔化后重结晶使相互别离的两个或更多的材料到达完全的结合。 软钎焊：使用熔点在 450°C 以下的添充金属，加热其到钎焊温度〔低于母材金属的熔点〕以获得连接。 硬钎焊：与软钎焊相同，但焊接温度 > 450°C。 机械连接：包括嵌合，卷边结合，铆接和机械紧固等。 粘接：使用粘接剂并对干净和活性的外表施加压力来实现，粘接剂通过氧气，水或化学反响来实现连接作用。 焊接 诸多为碳钢而研发的焊接方法也可以使用在不锈钢焊接中，只有少数真正适合于不锈钢并且已经成为标准的方法有：电弧焊、电阻焊、电子束焊，激光焊和磨擦焊。 焊接是连接金属的最经济且效率最高的方法。这个过程使得结构的轻量化成为可能〔通过选用最正确材料〕，连接所有的工业金属并可提供设计的适应性。 不锈钢的焊接性受其化学成分，金相组织和物理性能的影响，铁素体不锈钢在进行焊接时，具有一些比奥氏体不锈钢所不能比的非常实用的优势，这是由于其有较低的热膨胀系数，较低的电阻率和较高的导热性。 稳定化和非稳定化的铁素体类钢 一般说来，铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢相比，焊后产生晶间腐蚀的倾向要小。 尤其是对于经“稳定化处理〞的铁素体不锈钢来说，更是这样。所谓稳定化处理，就是添加强碳化物形成元素，如钛 (Ti) 和铌 (Nb)。这些元素在钢中与碳牢固结合起来，在焊接过程中，防止碳与铬结合形成铬的碳化物。这样就防止了在晶间产生贫铬区，经稳定化处理过的铁素体不锈钢确实没有晶间腐蚀倾向。 为了保证完全稳定化，钛的含量必须高于五倍的碳含量，或者铌加钛的含量必须高于三倍的碳含量。有时，适当参加氮，氮与钛、铌形成的氮化物可以细化熔合区的晶粒。 非稳定化处理的铁素体不锈钢不含钛或铌，因此在热影响区具有晶间腐蚀敏感性，这是由于产生了铬的碳化物。这种现象叫“敏化〞，其程度主要取决于碳含量。 敏化态的不锈钢的耐蚀性可以通过在 600-800°C 的温度范围内退火处理而恢复。 高匹配的添充金属 为了保证焊缝也具有耐蚀性，使用的任何铁素体添充金属的 Cr，Mo，Ti 和〔或〕Nb 合金元素的含量要稍高于其母材中的含量。这是由于在焊接区会由于热的作用而使铬烧损。另外，也可以使用奥氏体填充金属，Cr 和 Mo 的含量要高于母材。 保护气体 由于含 Cr 高，不锈钢在熔化状态下被强烈氧化。如果在焊接过程中没有使其与空气隔离，铬就会烧损并形成氧化物，结果会丧失致密性，降低焊接接头的耐蚀性。对焊缝外表和附近区域的保护通常是通过提供惰性气体的保护来实现的。这种保护气体可以是纯氩〔Ar〕或氦气〔He〕或者是二 者的混合气体。 在焊接铁素体不锈钢时，保护气体应是纯氩或者是氩和氦的混合气体。氩氢混合气体通常用于奥氏体不锈钢中，但这可能会引起焊接接头的氢脆。在焊接铁素体不锈钢时，氩是最常见的背保气体〔用来保护工件的反面〕。在焊接铁素体不锈钢时是绝对禁止用氮气的。 铁素体不锈钢焊接问题的发现和解决 除了上述危险之外，还会在高温下由“形成相〞和“晶粒粗化〞而产生的脆化。这些危险的解决方法列在下面的“补救方法〞表中。 钨极氩弧焊〔GTAW 或 TIG/WIG〕 在这种方法中〔也称为钨或 Wolfam 惰性气体方法〕，熔化金属所需要的能量是由钨极和工件之间产生的电弧来提供的。 需要强调的是铁素体不锈钢除具有不锈性和耐一般腐蚀性能外，其耐氯化物应力腐蚀、耐点蚀、耐缝隙腐蚀等局部腐蚀性能优良耐水中氯离子含量见表2，是此类钢耐蚀性方面的主要特点。与用量最大的Cr-Ni奥氏体不锈钢相比，铁素体不锈钢不含镍或仅含少量镍，因而是一种节镍不锈钢；铁素体不锈钢的强度高，而冷加工硬化倾向较低，导热系数为奥氏体不锈钢的130%～150%，线膨胀系数仅为Cr-Ni奥氏体不锈钢的60%～70%。虽然铁素体不锈钢有如此多的优点，但自问世近80年间，与奥氏体不锈钢相比，其用途是非常有限的，产量也比拟低，究其原因主要是当时铁素体不锈钢，特别是Cr＞16%的铁素体不锈钢存在一些缺点和缺乏，突出地表现在它们的室温，低温韧性差，缺口敏感性高，对晶间腐蚀比拟敏感，而且这些缺点随铁素体不锈钢截面尺寸的增加，冷却速度的变慢和焊接的热影响而更加强烈地显示出来。虽然人们早在近半个世纪前已经了解到铁素体不锈钢中C，N等间隙元素的存在是使铁素体不锈钢产生上述缺点的关键因素，但限于当时的冶金技术并未获得解决。上世纪70年代以后，由于不锈钢精炼技术的开展，AOD，VOD(包括SS-VODx)，真空冶炼和