奧氏體不銹鋼 austenitic-stainless-steel
以奧氏體組織為基體的一類鐵%26ndash;鉻%26ndash;鎳或鐵%26ndash;鉻%26ndash;錳(氮)系不銹鋼。奧氏體是具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的組織，純鐵只有在910～1390℃的溫度區(qū)間內(nèi)才以穩(wěn)定的奧氏體存在。隨著合金元素的加入，奧氏體穩(wěn)定存在的溫度區(qū)間會發(fā)生變化。當鋼中主要合金元素鉻和鎳(或錳、氮)達到一定的含量并以適當?shù)谋壤钆鋾r，鋼在室溫下基本保持奧氏體組織。奧氏體不銹鋼以其優(yōu)良的耐蝕性，從它被發(fā)現(xiàn)的那天起，便受到人們的高度重視。
簡史 奧氏體不銹鋼已有80多年的歷史，世界上最早的奧氏體不銹鋼是1912年首先在德國發(fā)明的。1914年定名為V2A的第一個奧氏體不銹鋼在制堿和合成氨生產(chǎn)中獲得工業(yè)應(yīng)用。其主要成分為20％鉻、7％鎳和作為基體的鐵，但是碳含量較高，約為0.25％。其后隨著生產(chǎn)工藝的改進，逐漸發(fā)展演變?yōu)槿藗兯熘?8-8不銹鋼。到1925年以后，陸續(xù)在英、美、德等國廣泛應(yīng)用于硝酸、合成氨生產(chǎn)及制堿等化學(xué)工業(yè)中，成為與Cr17型鐵素體不銹鋼齊名的兩大不銹鋼種之一。而奧氏體不銹鋼由于在生產(chǎn)和應(yīng)用方面更有其突出的優(yōu)越性，生產(chǎn)量和使用范圍日益擴大，很快占據(jù)不銹鋼的主導(dǎo)地位。其化學(xué)成分也不斷發(fā)展和改進，牌號越來越多，逐步發(fā)展成為較為復(fù)雜的奧氏體不銹鋼系列，現(xiàn)在，奧氏體不銹鋼產(chǎn)量約占不銹鋼總產(chǎn)量的70％。按產(chǎn)量和產(chǎn)品水平排于前列的主要生產(chǎn)國有日本、美國、德國、俄羅斯、瑞典及英國等。牌號主要集中于0Cr19Ni9、00Cr19Ni10、0Cr17Ni12Mo2、00Cr17Ni14-Mo2和1Cr17Ni7等。生產(chǎn)中廣泛采用先進技術(shù)，如爐外精煉率達到95％以上，連鑄比超過80％，高速軋機和精、快鍛機等普遍推廣。特別是在冶煉和加工過程中實現(xiàn)電子計算機控制，保證了產(chǎn)品質(zhì)量和性能的可靠和穩(wěn)定。
分類 按照奧氏體化元素的不同，奧氏體不銹鋼可分為鉻鎳系和鉻錳系兩類。鉻鎳系以鎳為主要奧氏體化元素，鎳含量至少要在8％以上，最高可達30％。為保證鋼的不銹性和耐蝕性，鉻含量一般不低于17％。鉻錳系以錳為主要奧氏體化元素，其開發(fā)的目的在于節(jié)約較為昂貴的元素鎳。但由于錳的奧氏體化能力比鎳低得多(僅為鎳的一半左右)，而且在鉻含量超過15％的鋼中，僅靠加錳(即使含量再高)也不能使鋼完全奧氏體化，因此該系中通常都含有足夠量的氮，有不少牌號還得保留適量的鎳。這樣該系實際上成為鉻錳氮系或鉻錳鎳氮系奧氏體不銹鋼。
鉻鎳奧氏體不銹鋼 這類鋼為奧氏體不銹鋼的主體。其基礎(chǔ)牌號為18-8不銹鋼，該鋼種的鉻、鎳含量分別約為19％和10％，在氧化性介質(zhì)中耐蝕性優(yōu)良，在多種不太強的腐蝕性環(huán)境中也耐蝕。為了提高在各種不同使用條件下及較強腐蝕性環(huán)境中的耐蝕性能，鋼的合金成分在兩個方面進行發(fā)展和改進：一方面是提高鉻、鎳含量，鉻可提高到25％以上，鎳甚至可達近30％；另一方面是向鋼中添加諸如鉬、銅、硅、氮、鈦和鈮等其他合金元素。碳含量一般都比較低，目前常用牌號的碳含量多低于0.08％，并且有越來越多的牌號還達到超低碳(%26le;0.03％)甚至更低的水平(%26le;0.02％)。
鉻是奧氏體不銹鋼中的主要合金元素，其作用是促使鋼在介質(zhì)中鈍化并維持鈍態(tài)穩(wěn)定，從而保證鋼優(yōu)良的不銹性和耐蝕性。特別是對于耐強氧化性介質(zhì)(如高溫硝酸)的腐蝕，耐氯化物溶液的點腐蝕和縫隙腐蝕，以及耐含氧化劑混合酸(如硝酸加氫氟酸，硫酸加重金屬離子、濕法磷酸等)的腐蝕，高鉻含量都是必不可少的。鎳是鉻鎳奧氏體不銹鋼的另一個主要合金元素，其作用一方面是保證鋼獲得穩(wěn)定的奧氏體組織，從而使鋼具有良好的塑性、韌性(包括在低溫下的塑性和韌性)和滿意的強度，優(yōu)良的加工性、成形性、可焊性及非磁等性能；另一方面可改善鋼在耐還原性介質(zhì)(如鹽酸、硫酸)中腐蝕的性能，特別是能明顯提高耐氯化物應(yīng)力腐蝕破裂的能力。鉬的主要作用是提高鋼對還原性介質(zhì)(如硫酸、磷酸、尿素和一些有機酸)的耐蝕性，并改善耐氯化物點腐蝕和縫隙腐蝕的性能。銅加入到奧氏體不銹鋼中一方面可顯著降低鋼的冷作硬化傾向，提高冷加工成形(冷鐓、深沖)性能，另一方面與鉬復(fù)合加入可提高鋼在硫酸等還原性介質(zhì)中的耐蝕性。硅作為合金元素可改善鋼耐氯化物應(yīng)力腐蝕破裂的性能，并提高鋼在濃硫酸和濃硝酸中的耐蝕性。氮作為合金元素在鉻鎳奧氏體不銹鋼中應(yīng)用日益增多，氮可明顯改善鋼耐點腐蝕、縫隙腐蝕和晶間腐蝕的性能，并能提高強度，同時保持塑性、韌性不下降。鈦和鈮主要是用來提高鋼的耐晶問腐蝕性能。此外，主要合金元素鉻和鎳含量的適當減少(分別減少到17％和7％左右)會降低奧氏體基體的穩(wěn)定度，形成亞穩(wěn)定奧氏體鋼種。這種鋼在固溶態(tài)下呈奧氏體組織，但一經(jīng)冷變形，部分奧氏體很容易轉(zhuǎn)變成馬氏體，馬氏體量隨冷變形量加大而增多，從而提高了鋼的強度性能。由于上述這些各起不同作用的合金元素的加入及其含量變化，鉻鎳奧氏體不銹鋼發(fā)展出了很多種不同性能和用途的鋼種。幾種最常用的鋼種及其代表牌號如下：
(1)基礎(chǔ)牌號(18-8不銹鋼)：0Cr19Ni9，00Cr19Ni10。
(2)用鈦、鈮穩(wěn)定化的牌號：1Cr18Ni9Ti，0Cr18Ni11Ti，0Cr18Ni11Nb。
(3)提高鉻、鎳含量的牌號：0Cr23Ni14(Nb)，0Cr25Ni20.00Cr25Ni20(Nb)，0Cr18Ni35Si。
(4)含鉬牌號：0Cr17Ni12Mo02，00Cr17Ni14Mo2，00Cr17Ni14Mo3，0Cr18Ni12Mo2Ti，0Cr18Ni12Mo-3Ti，00Cr18Ni16Mo5，00Cr25Ni22Mo2N；00Cr20Ni一25Mo6(N)。
(5)用鉬、銅復(fù)合合金化的牌號：00Cr18Ni14Mo-2Cu2，00Cr18Ni18Mo2Cu2，00Cr20Ni18Mo6CuN，00Cr20Ni25Mo4.5Cu、00Cr20Ni29Mo2Cu3Nb。
(6)深沖用含銅牌號：0Cr1SNi10Cu3；
(7)高硅牌號：00Cr18Ni14Si4Nb，00Cr17Ni20Si-6MoCu。
(8)含氮牌號：0Cr19Ni9N，00Cr18Ni10N，0Cr-17Ni12Mo2N，00Cr17Ni13Mo2N，00Cr25Ni22Mo2N。
(9)含硫、硒等易切削牌號：Y1Cr18Ni9，YICr-18Ni9Se。
(10)冷作強化用亞穩(wěn)奧氏體牌號：1Cr17Ni7。
鉻錳奧氏體不銹鋼 主要包括鉻錳氮鋼和鉻錳鎳氮鋼兩類。為了保證不銹性和耐蝕性，鉻含量多在17％以上，最高可達22％。錳是維持鋼的奧氏體基體的合金元素，其含量在5％～18％之間。在鉻錳氮鋼中，錳一般超過13％；而在鉻錳鎳氮鋼中，由于保留了適量的鎳(一般在3％～8％)，錳可降低到稍低的水平。鎳是鉻錳鎳氮鋼中的重要合金元素，它除與錳、氮等元素共同維持鋼的奧氏體基體組織外，對于改善鋼的熱加工性和塑、韌性，以及提高鋼對于非氧化性介質(zhì)的耐蝕性，都有重要作用。氮是非常重要的奧氏體化元素，其奧氏體化能力約為鎳的30倍，同時能顯著提高鋼的強度并改善耐蝕性，其含量一般都在0.2％以上，高時可達0.5％～0.6％。有時為了某種需要也有些牌號不含氮的，但必須保留較多的鎳(約6％)，并常加入少量銅(2％)。與鉻鎳奧氏體不銹鋼一樣，鉻錳奧氏體不銹鋼碳含量也比較低，一般都在0.08％以下，但超低碳(%26le;0.03％)的牌號較少。
簡單的鉻錳氮鋼只耐氧化性介質(zhì)的腐蝕。向鋼中(特別是向鉻錳鎳氮鋼中)加入鉬和銅等元素可提高在多種非氧化性腐蝕環(huán)境中(如硫酸、尿素等)的耐蝕性，鉬和銅的含量沒有像鉻鎳奧氏體不銹鋼中那樣高，通常分別為3％和2％。有時也加入少量鈮或釩(%26lt;1％)以改善耐晶間腐蝕性能。目前已經(jīng)實際應(yīng)用的牌號有：
(1)鉻錳氮鋼：0Cr18Mn15N。
(2)鉻錳鎳氮鋼：0Cr18Ni3Mn13N，0Cr18Ni5Mn-9N，0Cr21Ni6Mn9N。
(3)含鉬的鉻錳氮鋼：0Cr18Mn13Mo2N，0Cr-18Mn18MoN。
(4)含鉬的鉻錳鎳氮鋼：0Cr18Ni5Mn10Mo3N，0Cr20Ni6Mn9Mo2N，0Cr22Ni13Mn5Mo2VNbN。
(5)含銅的鉻錳鎳鋼：0Cr17Ni5Mn6Cu，0Cr-17Ni6Mn6MoCu2。
性能特點和應(yīng)用 鉻鎳奧氏體不銹鋼最突出的特點，是對多種腐蝕性環(huán)境特別耐腐蝕。這與該類鋼的奧氏體基體中鉻、鎳含量可以加到很高，并能大量溶入多種有利于改善耐蝕性的其他合金元素如鉬、銅、硅和氮等密切相關(guān)。因而無論是在氧化性、還原性或氧化還原復(fù)合性介質(zhì)以及各種有機介質(zhì)中，在很寬的濃度、溫度范圍內(nèi)，耐蝕性(包括耐均勻腐蝕和局部腐蝕)均很優(yōu)良。
對于耐以硝酸為代表的氧化性介質(zhì)(包括很多種有機酸)的均勻腐蝕，可用常見的18-8不銹鋼(00Cr19Ni10、0Cr18Ni11Ti)。如果酸的濃度、溫度較高，或是耐蝕性要求更嚴，可采用更高鉻的牌號(如00Cr25Ni20Nb等)。對于耐硫酸、稀鹽酸、甲酸、尿素等還原性介質(zhì)，取決于介質(zhì)濃度和溫度，可依次選用含鉬(00Cr17Ni14Mo2、00Cr25Ni22Mo2N)和高鉬(00Cr18Ni16Mo5)和高鉬含銅鋼(如0Cr20Ni25Mo4.5Cu等)。對于耐濃硫酸(濃度%26ge;90％)和濃硝酸(濃度%26ge;85％)。應(yīng)選用高硅牌號的不銹鋼(00Cr17Ni20Si6MoCu、00Cr18Ni13Si4Nb)。對于種類繁多的氧化還原復(fù)合性介質(zhì)，則選用高鉻、鎳含量并用鉬、銅復(fù)合合金化的牌號(00Cr20Ni25Mo4.5Cu、00Cr20Ni29Mo2Cu3Nb、00Cr20Ni18Mo6CuN等)通常可獲得滿意的耐蝕效果。需要指出，對于鹵族(如濕氯)和鹵化物酸(鹽酸、次氯酸和氫氟酸等)以及溫度較高的中等濃度(50％～70％)硫酸，鉻鎳奧氏體不銹鋼只能在有限的程度上耐蝕。
對于由氯化物溶液引起的點腐蝕和縫隙腐蝕、用高鉻、鉬含量特別是又添加氮的鋼(如00Cr18Ni-16Mo5、00Cr20Ni25Mo6N、00Cr20Ni18Mo5CuN)能取得很好的耐蝕效果。提高鎳含量以及又加入硅的鋼種(如00Cr25Ni25Si2V2Nb)具有較好的耐氯化物應(yīng)力腐蝕破裂性能。但由于鎳含量必須更高(超過35%26permil;)或者極低(%26le;0.1％)，鋼材更耐氯化物應(yīng)力腐蝕破裂，這樣的合金已不再屬于奧氏體不銹鋼(分別進入鐵鎳基、鎳基合金或鐵素體不銹鋼的范圍)。因此，作為奧氏體不銹鋼(鎳含量為8％0～30％)，其耐氯化物應(yīng)力腐蝕盔一破裂的能力還顯得不夠。晶間腐蝕曾經(jīng)是奧氏體不銹鋼應(yīng)用和發(fā)展的一大障礙，目前采用先進的冶煉技術(shù)已經(jīng)可以把鋼中碳含量降低到0.03％乃至0.02％以下，成功地解決了敏化態(tài)(如焊后)的晶間腐蝕問題，加鈦、鈮等穩(wěn)定化元素已經(jīng)不是防止敏化態(tài)晶間腐蝕的主要手段。為了防止在強氧化性介質(zhì)(含有cr+6、、Mn+7、Fe+3等高價重金屬離子的高溫硝酸)中的非敏態(tài)晶間腐蝕，目前的有效措施是將鋼高純化，即把硅、磷等雜質(zhì)元素含量降到很低的水平(si%26le;0.1％、P%26le;0.01％)。
鉻鎳奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能特點是：硬度較低，強度適中，塑性、韌性優(yōu)良(見表1)，因而非常適應(yīng)于各種機械成形和制造加工。加之焊接性能良好：可采用各種常用焊接方法(如鎢極氬弧焊、手工焊、帶極堆焊等)，焊縫不會產(chǎn)生裂紋，焊接接頭的耐蝕性和力學(xué)性能與母材相當。所以可以很順利地加工制造各種常用設(shè)備、裝置和構(gòu)件等。
表1 鉻鎳奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能(室溫，固溶態(tài))
牌號 | σ0.2/MPa | σb/MPa | δ5 /％ | Ψ /％ | HRB |
大量常用牌號 | 220～330 | 520～660 | 45～60 | 55～80 | 80～95 |
00Cr19Ni10 | 230 | 570 | 55 | 72 | 90 |
0Cr18Ni11Ti | 250 | 600 | 50 | 66 | 90 |
00Cr20Ni25Mo4.5Cu | 260 | 610 | 50 | 65 | 90 |
鉻鎳奧氏體不銹鋼的低溫性能也很好，即使在液氮溫度(-196℃)也不會變脆。在較高溫度下也能維持一定的強度和良好塑性。這為其擴大使用范圍提供了良好條件。此外，該類鋼在加熱和冷卻過程中無相變，因而無法通過熱處理來強化，惟一的強化方式是冷變形。這樣其強化程度當然是很有限的，而且會伴隨著塑性和韌性的損失。
鉻鎳奧氏體不銹鋼的物理性能特點是：導(dǎo)熱系數(shù)低、電阻大、熱膨脹系數(shù)大和無磁等。常用物理常數(shù)列于表2。
表2 鉻鎳奧氏體不銹鋼物理常數(shù)(固溶態(tài)的數(shù)值范圍)
密度D(20℃)/g ρ ;cm-3 | 7.9～8.1 |
導(dǎo)熱系數(shù)%26lambda;(100℃)/W%26middot;(m%26middot;K)-1 | 14.6～16.3 |
質(zhì)量熱容C(20℃)/W%26middot;(m%26middot;K)-1 | 460～500 |
電阻率%26rho;(20℃)/%26mu;%26Omega;%26middot;cm | 69～88 |
線膨脹系數(shù)%26lambda;(20～400℃)/K-1 | (16.7～18.2)%26times;10-6 |
彈性模量E(20℃)/MPa | (19.3～20.3)%26times;104 |
磁導(dǎo)率%26mu;0(20℃) | 1.008 |
熔點Tm/℃ | 1371～1454 |
廣泛的應(yīng)用，使用范圍遍及國民經(jīng)濟各領(lǐng)域，除化工、石化、核能、冶金、紡織和輕工等工業(yè)部門是傳統(tǒng)的主要用戶外，在海洋開發(fā)、交通運輸、商業(yè)、建筑以及日常生活等方面用量也日益增加。當前，鉻鎳奧氏體不銹鋼的用量約占所有不銹鋼總量的70％左右。
鉻錳奧氏體不銹鋼較之鉻鎳奧氏體不銹鋼耐蝕性明顯遜色，一般只在弱腐蝕性環(huán)境或氧化性介質(zhì)中耐蝕。但含有一定量的鉬特別是鎳含量又比較高的牌號，如0Cr18Ni5Mn10Mo3N、0Cr20Ni6Mn9Mo2N和0Cr22Nn3Mn5Mo2VNbN等，在氧化性、還原性和氧化還原復(fù)合性介質(zhì)中也能呈現(xiàn)出較好耐蝕性。鉻錳奧氏體不銹鋼力學(xué)性能的突出特點是強度、硬度較高，同時塑性，韌性良好。與同等合金化程度的鉻鎳奧氏體不銹鋼相比，抗拉強度可高出30％～40％，而屈服強度競可高出50％～80％。但是，該類鋼的熱、冷加工工藝性能、冷成形性能和焊接性能等均不如鉻鎳奧氏體不銹鋼，材料的生產(chǎn)加工和用該材料進行設(shè)備制造等會比鉻鎳奧氏體不銹鋼難度更大。鑒于上述情況，該類鋼應(yīng)用受到一定局限。根據(jù)其性能特點，目前主要應(yīng)用于腐蝕性不太強但承受較高機械負荷的工作條件下，如石油勘探及開采、石油加工以及航空和輕工等部門的有關(guān)設(shè)備或裝置與構(gòu)件等。
生產(chǎn)工藝 奧氏體不銹鋼生產(chǎn)工藝性能良好，特(210奧別是鉻鎳奧氏體不銹鋼，采用生產(chǎn)特殊鋼的常規(guī)手段可以順利地生產(chǎn)出各種常用規(guī)格的板、管、帶、絲、棒材以及鍛件和鑄件。由于合金元素(特別是鉻)含量高而碳含量又低，目前多采用電弧爐加氬氧脫碳(AOD)或真空脫氧脫碳(VOD)法大批量生產(chǎn)這類不銹鋼材，對于高級牌號的小批量產(chǎn)品可采用真空或非真空非感應(yīng)爐冶煉，必要時加電渣重熔。鉻鎳奧氏體不銹鋼優(yōu)良的熱塑性使其易于施以鍛造、軋制、熱穿孔和擠壓等熱加工，鋼錠加熱溫度為1150～1260℃，變形溫度范圍一般為900～1150℃，含銅、氮以及用鈦、鈮穩(wěn)定化的鋼種偏靠低溫，而高鉻、鉬鋼種偏靠高溫。由于導(dǎo)熱差，保溫時間應(yīng)較長。熱加工后工件空冷即可。鉻錳奧氏體不。銹鋼熱裂紋敏感性較強，鋼錠開坯時要小變形、多道次，鍛件宜堆冷。可以進行冷軋、冷拔和旋壓等冷加工工藝和沖壓、彎曲、卷邊與折疊等成形操作。鉻鎳奧氏體不銹鋼加工硬化傾向較鉻錳鋼弱，一次退火后冷變形量可以達到70％～90％，但鉻錳奧氏體不銹鋼由于變形抗力大，加工硬化傾向強，應(yīng)增加中間軟化退火次數(shù)。一般中間軟化退火處理為1050～1100℃水冷。
奧氏體不銹鋼也可生產(chǎn)鑄件。為了提高鋼液的流動性，改善鑄造性能，鑄造鋼種合金成分應(yīng)有所調(diào)整：提高硅含量，放寬鉻、鎳含量的區(qū)間，并提高雜質(zhì)元素硫的含量上限。
奧氏體不銹鋼使用前應(yīng)進行固溶處理，以便最大限度地將鋼中的碳化物等各種析出相固溶到奧氏體基體中，同時也使組織均勻化及消除應(yīng)力，從而保證優(yōu)良的耐蝕性和力學(xué)性能。正確的固溶處理制度為1050～1150℃加熱后水冷(細薄件也可空冷)。固溶處理溫度視鋼的合金化程度而定：無鉬或低鉬鋼種應(yīng)較低(%26le;1100℃)，而更高合金化的牌號如00Cr20Ni18Mo-6CuN、00Cr25Ni22Mo2N等宜較高(1080～1150℃)。
展望 奧氏體不銹鋼今后的發(fā)展方向：(1)鋼種極低碳化(碳%26le;0.02％)和高純化(作為雜質(zhì)元素硫、磷、硅、錳等含量極低)。(2)特殊用途鋼種開發(fā)。如熱海水用高鉬鋼、高耐蝕高強度的高氮鋼(氮含量達到0.4％～0.6％甚至0.8％～1.0％)，不銹鋼功能材料(記憶材料、儲氫材料等)等。(3)新工藝開發(fā)。不銹鋼復(fù)合材料、非晶不銹鋼等。
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