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(wèn)世的，其性能（特別是耐蝕性）優(yōu)于原有的同類(lèi)不銹鋼的那些牌號(hào)的統(tǒng)稱(chēng)。本書(shū)所介紹的主要是高合金、高性能的三大類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(guò)程中）塑、韌性和耐蝕性的劣化問(wèn)題。這一問(wèn)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(lèi)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(lèi)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(lèi)不銹鋼中的重要不銹鋼類(lèi)，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(lèi)無(wú)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(wèn)世以來(lái)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(lái)。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(jiàn)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

1970年，通過(guò)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(kāi)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(chēng)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(kāi)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/%

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(jiàn)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(jiàn)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(guò)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