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什么是超級(jí)不銹鋼

更新時(shí)間  2022-08-20 11:19:03 閱讀 510

什么是超級(jí)不銹鋼

超級(jí)不銹鋼系指20世紀(jì)70?90年代先后問世的,其性能(特別是耐蝕性)優(yōu)于原有的同類不銹鋼的那些牌號(hào)的統(tǒng)稱。本書所介紹的主要是高合金、高性能的三大類超級(jí)不銹鋼,即高鉻量、高鉬量(PRE≥35)的超級(jí)鐵素體不銹鋼和高路、鉬I、氮量(PRE值≥40)的超級(jí)奧氏體不銹鋼與PRE值≥40的超級(jí)雙相不銹鋼。這三大類超級(jí)不銹鋼的共同特點(diǎn)是除耐全面腐蝕外,耐點(diǎn)蝕、耐縫隙腐蝕等局部腐蝕的性能優(yōu)異。

各類超級(jí)不銹鋼所面臨的共同課題是隨鋼中鉻、鉬量或鉻、鉬、氮量的提高,鋼的組織熱穩(wěn)定性下降,碳、氮化物和金屬間相析出所導(dǎo)致的焊后(或從高溫到低溫的冷卻過程中)塑、韌性和耐蝕性的劣化問題。這一問題的存在將嚴(yán)重阻礙超級(jí)不銹鋼的進(jìn)一步發(fā)展。

1  超級(jí)鐵素體不銹鋼

鐵素體不銹鋼系指11%?30%Cr,具有體心立方晶體結(jié)構(gòu),在使用狀態(tài)下具有鐵素體組織的一類不銹鋼。根據(jù)鋼中含鉻量的不同,鐵素體不銹鋼大致可分為含11%?15%Cr(低鉻)、16%?20%Cr(中鉻)和21%?30%Cr(高鉻)三種類型。超級(jí)鐵素體不銹鋼的鉻含量一般在25%?30%,屬于高鉻鐵素體不銹鋼。

1.1  鐵素體不銹鋼的發(fā)展和超級(jí)鐵素體不銹鋼

鐵素體不銹鋼系五大類不銹鋼中的重要不銹鋼類,其產(chǎn)量和消費(fèi)量?jī)H次于鉻鎳奧氏體不銹鋼。鐵素體不銹鋼除具有良好的不銹性和耐全面腐蝕性能外,其耐氯化物應(yīng)力腐蝕、耐點(diǎn)腐蝕和耐縫隙腐蝕性能優(yōu)良;與鉻鎳奧氏體不銹鋼相比,鐵素體不銹鋼不含鎳或僅含少量鎳,因而是一類無鎳和節(jié)鎳不銹鋼;鐵素體不銹鋼強(qiáng)度高,但冷加工硬化傾向較低,導(dǎo)熱系數(shù)為奧氏體不銹鋼的130%?150%,線膨脹系數(shù)僅為奧氏體不銹鋼的60%?70%,雖然鐵素體不銹鋼有如此多的優(yōu)點(diǎn),但自1912年問世以來直到1970年,與鉻鎳奧氏體不銹鋼相比,產(chǎn)量比較低且用途受到諸多限制,其主要原因是鐵素體不銹鋼,特別是含倍量以16%時(shí)存在一些缺點(diǎn)和不足,突岀地表現(xiàn)在它們的脆性轉(zhuǎn)變溫度高,室溫和低溫韌性差,缺口敏感性高,對(duì)晶間腐蝕比較敏感,而這些缺點(diǎn)隨鋼的截面尺寸增加,受熱(例如焊接)后冷卻速度慢以及熱履歷的影響而更加強(qiáng)烈地顯示出來。雖然人們?cè)缭?950年前就已經(jīng)了解到鋼中碳、氮等間隙元素的存在是影響鐵素體不銹鋼存在上述缺點(diǎn)和不足的主要原因(見表1-1-1),但并未獲得解決。

表1-1-1傳統(tǒng)鐵素體不銹鋼的主要缺點(diǎn)、不足及其原因和改進(jìn)方向

缺點(diǎn)與不足

影響因素

產(chǎn)生原因

改進(jìn)方向

高溫脆性

鋼中鉻、鉬含量和溫度,晶粒尺寸

碳、氮化物析出,晶粒粗大

降低鋼中碳、氮含量,細(xì)化晶粒

室溫韌性低,脆性轉(zhuǎn)變溫度高

鋼中碳、氮、氧量,截面尺寸,有無缺口,晶粒尺寸

碳、氮、氧的化合物析出,晶粒粗大等

降低鋼中碳、氮、氧量,細(xì)化晶粒

較高的晶間腐蝕

敏感性

鋼中碳、氮量,敏化

溫度

富鉻的碳、氮化物形

成,晶界貧鉻

降低鋼中碳、氮、氧量,加

人穩(wěn)定化元素鈦、錦

1970年,通過真空雙聯(lián)工藝(真空感應(yīng)爐+真空自耗爐或真空電子束爐冶煉)雙真空冶煉,在傳統(tǒng)鐵素體不銹鋼AISI446基礎(chǔ)上開發(fā)出了第一種C+N量極低(≤150ppm)的高純鐵素體不銹鋼EB26-1。此鋼系在AISI446鋼基礎(chǔ)上的高純化,主要是碳、氮、氧量的顯著降低,AISI446鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度為+120°C,而且對(duì)晶間腐蝕非常敏感,而高純化后的EB26-1鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度則在-60°C,且耐晶間腐蝕性能顯著改善。隨后于1971年出現(xiàn)了高純28Cr-2Mo和1974年的高純29Cr-4Mo等高純鐵素體不銹鋼。最早人們?cè)袳B26-1,29Cr-4M。和28Cr-2Mo等均稱為新鐵素體不銹鋼,但最后(20世紀(jì)70年代末?80年代初)人們才把超級(jí)鐵素體不銹鋼定義為鋼中Cr%+3.3%*Mo%≥35的那些牌號(hào)并一直沿用至今。

由于1960年末在不銹鋼生產(chǎn)中先后出現(xiàn)了VOD和AOD等爐外精煉工藝,可以比較容易地降低鋼中有害的碳、氮、氧等間隙元素的含量,加之C+N量V100?150ppm的高純鐵素體不銹鋼的真空雙聯(lián)工藝成本較高,大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)一直未能完全實(shí)現(xiàn),人們轉(zhuǎn)向稍提高鋼中碳、氮量并加入鈦、鈮以解決焊后的晶間腐蝕傾向;有些牌號(hào)又加入適量鎳。以降低超級(jí)鐵素體不銹鋼由于碳、氮量稍高和鈦、貿(mào)的加入所引起的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高和韌性下降的缺點(diǎn)。除個(gè)別牌號(hào)仍釆用真空感應(yīng)爐冶煉外,目前大量生產(chǎn)的耐點(diǎn)蝕當(dāng)量(PRE)值(Cr%+3.3%*Mo%)≥35的一些超級(jí)鐵素體不銹鋼均釆用VOD、AOD爐外精煉工藝,而日本所開發(fā)的高純Cr30Mo2(C+N≤150ppm)超級(jí)鐵素體不銹鋼則系釆用SS(強(qiáng)烈攪拌)VOD進(jìn)行生產(chǎn)。表1-1-2中列入了一些主要的超級(jí)鐵素體不銹鋼的牌號(hào)和化學(xué)成分。

①最早Cr29Mo4加鎳是為了提高在沸騰10%HzSO4和沸騰1%HCl中的耐蝕性。

表11-2超級(jí)鐵素體不銹鋼的牌號(hào)和化學(xué)成分/%

牌號(hào)

商品(廠家)牌號(hào)

UNS編號(hào)

C≤

Mn≤

Si

Cr

Mo

Ni

N≤

S

P≤

Ti/Nb

00Cr25Ni4Mo4

(Ti+Nb)

MONIT

S44635

0.025

0.50

0.50

24.5?

26.0

3.5~

4.5

3.5?

4.5

0.025

0.03

0.04

Ti,Nb加人

00Cr27Mo3Ni2

(Ti+Nb)

SEA℃URE

S44660

0.03

1.0

1.0

25?

28

3?

4

1?

3.5


0.03

0.04

Ti,Nb0.02?

1.0

00Cr28Ni4Mo2

Cronifer2803


0.015



28?

29

1.8?

2.5

3?

4




Nb/C+N≥2

00Cr29Mo4

AL29-4

S44700

0.010


0.20

28?

30

3.5~

4.2

≤0.15

0.02



00Cr29Mo4

(Ti/Nb)

AL29-4C

S44735

0.03

1.0

1.0

28?

30

3.6~

4.2

≤1.0

0.045

0.01

0.03

Ti+Nb≤l.0

00Cr29Mo4Ni2

AL29-4-2

S44800

0.02

0.30

0.20

28?

30

3.5~

4.2

2?

2.5

0,02

0.02

0.025

C+N≤0.025

00Cr30Mo2

(Ti/Nb)

SHOMAC30-2

NSS447M1


0.010

0.007

0.10

0.2

0.2

0.2

29?31

30.2

1.8?

2.2

2.08


0.010

0.012


A1

0.09

Ti0.07Nb0.19

00Cr25Mo3



0.010

0.5

0.5

24?

26

2?5~

3.5

≤0.5

0.015

0.02

0.02

Ti,Nb加入

00Cr25Ni3Mo3



0.015

0.5

0.5

24?

26

2.5?

3.5

3~4

0.05

0.02

0.02

Ti,Nb加入

1.2  Fe℃r合金相圖,鐵素體和超級(jí)鐵素體不銹鋼的析出相及其對(duì)鋼性能的影響

1.2.1  Fe~Cr合金相圖

Fe℃r合金相圖見圖1-1-1。從表1-1-2中所列超級(jí)鐵素體不銹鋼的化學(xué)成分中可知,由于超級(jí)鐵素體不銹鋼中含鉻量一般均在25%(含)-31%(含)范圍內(nèi),因此從圖1-1-1中可以看出,雖然所有超級(jí)鐵素體不銹鋼在820℃以上均處于α(鐵素體)單相區(qū),而≤820°C時(shí)則均處于α+σ雙相區(qū)內(nèi),但隨溫度降低,α+σ區(qū)擴(kuò)大,溫度再低,≤550°C后,α消失,σ'析出,從而進(jìn)入α+σ'二相區(qū)。

1.2.2  鐵素體和超級(jí)鐵素體不銹鋼的析出相及其對(duì)鋼性能的影響

表1-1-3中列出了超級(jí)鐵素體不銹鋼中所存在的相。大量的研究和實(shí)際表明,最為常見并對(duì)超級(jí)鐵素體不銹鋼性能影響最為顯著的是各種碳、氮化物和α'、α相等金屬間相;圖1-1-3中還指出了含26%Cr,0.018%C,1%?4%Mo,0?4%Ni的鐵素體(包括超級(jí)鐵素體)不銹鋼自高溫冷卻過程中,鋼中碳、氮化物和σ'、χ、η等金屬間相的析出行為。從圖1-1-3中可以看出,當(dāng)超級(jí)鐵素體不銹鋼中含有鈦、鈮時(shí),溫度低于液相線,首先析出的是鈦的氮化物(由于在鐵素體中溶解度很低,此相在固相線以下的所有溫度內(nèi)均以穩(wěn)定相存在);隨后,處于非敏化態(tài)時(shí),有鈦、鈮、鉻的碳化物和氮化物析出,而處于敏化態(tài)(500?800°C)時(shí),則主要是鉻的碳化物和氮化物的析出;各種金屬間相的沉淀明顯滯后于鋼中碳、氮化物的析出,其中。σ'、χ、η可等相的析出溫度范圍基本相同,而最敏感的溫度約在800°C。α'相的沉淀又滯后于。σ'、χ、η和可相,最敏感的析出溫度在475°C左右。

表11-3超級(jí)鐵素體不銹鋼中的金相

名稱

符號(hào)

類型

化學(xué)式

形成溫度/c

晶體結(jié)構(gòu)

晶鉻常數(shù)

鉻碳化物

M23C6

(Cr,Fe,Mo)23C6

600?950

立方晶系

α=10.57?10.68

鉻碳化物

m6c

(Cr,Fe,Mo)6C

700?9950

立方晶系

α=10.93?11.28

鉻氮化物

m2n

(Cr,Fe)2N

650?950

六方晶系

α=2.77,c=4.46

鈦碳氮化物

MC

Ti(CN)

700?m.p

立方晶系

α=4.32?4.24

觀碳氮化物


MC

Nb(CN)

700?9m.p

立方晶系

α=4.42~4.38

西鉻馬相

σ

AB

(Fe,Cr,Mo,Ni)

550?1050

六方晶系

α=8.79,c=4.54

開相

χ

A48B10

Fe36Cr12Mo10

600?900

立方晶系

α=8.86~8.92

阿爾法

σ'

CrFe(61%?83%Cr)

350?550

立方晶系

α=2.877

拉氏相

η

AZB

(FeCr)2(Mo,Nb,Ti,Si)

500?900

六方晶系

α=4.73?4.82,c=7.26?7.81