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元素含量对奥氏体不锈钢性能的影响


元素含量对奥氏体不锈钢性能的影响
奥氏体不锈钢含有较多的 Cr、Ni、Mn、N 等元素。与铁素体不锈钢和马氏体不锈钢相 比,奥氏体不锈钢除了具有较高的耐腐蚀性外,还有许多优点。它具有很高的塑性,容易加 工变形成各种型材, 如薄板、 管材等; 加热时没有同素异构转变, 即没有γ 和α 之间的相变, 焊接性好;低温韧性好,一般情况下没有冷脆倾向;奥氏体不锈钢不具有磁性。由于

奥氏体 不锈钢的再结晶度比铁素体不锈钢的高,所以奥氏体不锈钢还可以用于 550℃以上工作的热 强钢。 奥氏体不锈钢是应用最广的不锈钢,约占不锈钢总产量的 2/3。由于奥氏体不锈钢具有 优异的不锈钢酸性、抗氧化性、高温和低温力学性能、生物相容性等,所以在石油、化工、 电力、交通、航天、航空、航海、能源以及轻工、纺织、医学、食品等工业上广泛应用。

1. 高钼(Mo>4%)奥氏体不锈钢
高钼奥氏体不锈钢的典型代表是:00Cr18Ni16Mo5 和 00Cr18Ni16Mo5N。因为含钼量高, 所以在耐还原性酸和耐局部腐蚀方面性能有很大提高, 可用于更加苛刻的腐蚀环境中。 含氮 00Cr18Ni16Mo5N 钢,由于氮的加入,奥氏体更加稳定,由于铁素体的生成,σ (χ )等脆 性相的析出受到一定抑制。 00Cr20Ni25Mo4.5Cu 由于此钢含有更高的 Cr、Ni、Mo 等元素,加之 Mo 与 Cu 的复合 作用,使 00Cr20Ni25Mo4.5Cu 既在含 Cl 离子的水介质中耐点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀的能 力有显著提高,图 1~图 4 系在不同温度 H2SO4、H3P O4 和含 F 50%H3P O4 中耐全面腐蚀和在氯 化物水介质中耐应力腐蚀的实验结果。 可以看出 00Cr20Ni25Mo4.5Cu 比 18-12-2 型不锈钢的 耐蚀范围有所扩大。

图 1 00Cr20Ni25Mo4.5Cu 在 H2SO4 中的腐蚀

图 2 00Cr20Ni25Mo4.5Cu 在 H3PO4 中的腐
蚀(≤0.1mm/a)

图 3 00Cr20Ni25Mo4.5Cu 在 50℃含 HF 的 50%P2O5 溶液中的腐蚀

图 4 00Cr20Ni25Mo4.5Cu 钢的耐应力腐蚀性能 σ —外加应力;σ 0.2—钢的屈服强度; CaCl2+CuCl2-40%CaCl2+lg/1CuCl2/1100℃;MgCl2—35%MgCl2(154℃,充气)
当 Cr17Ni14Mo2 和 Cr17Ni13Mo3 以及 00Cr18Ni14Mo2 等耐腐蚀性不能满足使

用要求时,此类含 Mo 约 4.5%的高钼不锈钢则是可供选择的理想牌号。

2. 超级奥氏体不锈钢
当 Cr-Ni 奥氏体不锈钢的耐点蚀当量值(PREN=Cr%+3.3×Mo%+16×N%)≥40 时,便称 为超级奥氏体不锈钢。超级奥氏体中的 Cr、Mo、N 含量都比普通奥氏体不锈钢高出很多。 表 1 列出了几种超级奥氏体不锈钢的商品牌号、 化学成分标号和它们的耐点蚀当量 (PREN) 值。

超级奥氏体不锈钢主要是为了解决在苛刻腐蚀条件下原有的 Cr-Ni 奥氏体 不锈钢耐点蚀、 耐缝隙腐蚀等性能的不足而发展起来的。氮在奥氏体不锈钢中的 大量应用为此类钢的发展创造了条件。超级奥氏体不锈钢的出现还填补了过去 Cr-Ni 奥氏体不锈钢与高镍耐蚀合金之间没有高耐点蚀和高耐缝隙腐蚀不锈钢 的空白。 超级奥氏体不锈钢性能的最大特点是在苛刻的腐蚀环境中,此类钢的耐

点蚀、耐缝隙腐蚀性能优异,不仅远远优于原有的所有奥氏体不锈钢,还可与一 些知名的镍基耐蚀合金相媲美。
表 1 几种超级奥氏体不锈钢牌号和 PRE 值

图 5 和表 2 系超级奥氏体不锈钢的耐点蚀和耐缝隙腐蚀性能与各种 Cr-Ni 奥氏体不

锈钢性能的比较。可以看出超级奥氏体不锈钢 254SMO(00Cr24Ni22Mo6.5CuN) 和 AL6XN(00Cr21Ni25Mo6.5N)性能最佳

图 5 在 10%FeCl3 溶液中,PRE 值对产生点蚀和缝隙腐蚀的临界温度的影响

表 2 各种 Cr-Ni 奥氏体不锈钢焊前焊后产生缝隙腐蚀的温度的比较

表 3 列出了两种超级奥氏体不锈钢的力学性能。由于钢中高 Mo、高 N 量的 强化作用,超级奥氏体不锈钢的屈服强度约比普通 Cr-Ni 奥氏体不锈高 50%,虽 然塑、韧性稍有降低,但并不影响超级奥氏体不锈钢的工程应用。
表 3 两种超级奥氏体不锈钢的力学性能

由于超级奥氏体不锈钢中 Cr、Mo、N 量高,在冶金厂生产和用户使用此类钢时的难点 是:冶炼时高氮量的控制;钢的热塑性差,热加工工艺的掌握;在热加工、热处理和焊接过 程中,χ (σ )相等脆性相易析出的防止等等。

3. 高硅奥氏体不锈钢
高温、高浓度(超过共沸浓度特别是高于 85%)的硝酸具有非常强的氧化性;高温、 高浓度(≥90%)硫酸与中、稀浓度的硫酸的强还原性不同,前者具有非常强的氧化性,为 了解决这些强氧化性酸的腐蚀,仅含铬是不够的,因而促进了高硅(≥4%)奥氏体不锈钢 的发展。

00Cr18Ni15Si4(Nb)在硝酸浓度高于沸腾浓度(≥68.4%)时,此钢具有良 好的耐腐蚀性。在高浓度硝酸中,其腐蚀率≤0.25mm/a。由于焊接性较好,可作 为浓硝酸容器用钢。但是为了防止磁钢焊后的碳化物和碳、氮化物析出,使耐蚀 性降低,钢中含 C 量要求非常低(0.01%)。 00Cr9Ni25Si7(Nicrofer 2509 Si7)此钢系德国克虏伯公司发展的。钢中 铬量仅 9%,远低于一般奥氏体不锈钢的铬量(17%-18%),其目的是为了使此种 高硅钢具有可接受的热加工性。由于钢中硅量高,故此钢仍具有不锈性。同时, 高镍量也可使此钢在高硅量条件下获得稳定的奥氏体组织,但镍量太高,会有 Fe5Ni3Si2 金属间化合物析出而使钢的性能恶化。此钢的强度比 4%Si 钢高,但是 延伸率仍可高达 70%, 这有益于板式换热器的冷加工的成形。00Cr9Ni25Si7 钢的

耐浓硫酸性能的等腐蚀图见图 6,结果是令人满意的。

图 6 几种不锈钢在浓硫酸中的等腐蚀图 00Cr11Ni22Si6Mo2Cu(SS-920)是 20 世纪九十年代国内开发的耐高温,高 浓度硫酸用奥氏体不锈钢,除高硅外,还含 2%Mo 和 1%Cu,以便更适用于硫酸用 途。此钢的力学性能、耐蚀性、冷成型性和焊接性等与前述 00Cr19Ni25Si7 钢有 许多类似之处。此钢具有良好的耐高温、高浓度硫酸腐蚀性能,高塑性,较好的 冷成型性;但焊接性能也较差,必须采用激光焊且焊后需固溶处理,才能保证钢 的综合性能。图 7 是此钢在≥90%浓硫酸中的耐蚀性。

图 7 SS-920 在浓硫酸中的等腐蚀率曲线(0.1mm/a)

4.以锰、氮代镍的奥氏体不锈钢
锰和氮均为奥氏体形成元素,特别是氮,其在钢中形成奥氏体的能力约为镍 的 30 倍。锰形成奥氏体的能力虽然较弱,仅为镍的二分之一,但锰稳定奥氏体 的能力很强, 而且还能显著提高氮在钢中的溶解度,从而可提高氮向钢中的加入 量,所以为获得奥氏体组织,以锰、氮相结合代镍是最佳匹配,成为了既能获得 奥氏体组织又能节约铬镍奥氏体不锈钢中镍的主要合金化方向。

据统计,全世界的镍产量中每年约有 60%用于生产不锈钢。镍是比较稀缺且 价格昂贵的元素,特别是在战争时期,由于镍也是战略物资,因此镍的供应更为 紧张;而在和平时期,不锈钢的成本和售价也常随镍价的涨跌而波动。为此,自 20 世纪 30 年代起,德、美诸国便开始了以锰、氮代镍的铬锰奥氏体不锈钢的研 究,至 20 世纪 40 年代便取得成效,开发了铬锰(氮)系奥氏体不锈钢。 一般认为, 目前已有的以锰、氮代镍的一些铬锰奥氏体不锈钢牌号与其所希 望代替的铬镍奥氏体不锈钢相比,是一类虽然强度高但耐蚀性、成型性(包括热 加工性)和焊接性等均相对较低的一类节镍不锈钢。 近来,由于向钢中加入高氮量的工艺、技术、装备的进步,国内外不仅在大 力开发高氮高强度的铬锰奥氏体不锈钢, 而且对不加锰仅向钢中加入氮而开发的 无锰、低镍、高氮和无锰、无镍、高氮奥氏体不锈钢的研究已取得了引人注目的 进展,引起了国内外的日益广泛的关注。 AISI200 系 铬 锰 奥 氏 体 不 锈 钢 AISI201 ( 1Cr17Mn6Ni5N ) 和 AISI202 (1Cr18Mn8Ni5N)。为了节镍,AISI201 和 AISI202 所对应着代替的 Cr-Ni 奥氏 体不锈钢的牌号是 AISI301 和 302。表 4 列出了 AISI201 和 202 与希望它们替代 的 AISI301 和 302 力学性能的对比,可以看出 AISI201 和 202 的屈服强度比 AISI301 和 302 高达 30%以上。这虽然在一定程度上弥补了 Cr-Ni 奥氏体不锈钢 固溶态强度偏低的不足,但也给习惯按 301、302 和 304 的性能进行生产、加工 和使用时带来了诸多困难和不便。 表 4 AISI201 和 202 与 AISI301 和 302 的室温力学性能

表 5 列出了 1Cr17Mn6Ni5N 和 1Cr18Mn8Ni5N 的耐晶间腐蚀性能并与 0Cr18Ni9 (304)进行了对比。可以看出,固溶态的 201 和 202 和 304 均无晶间腐蚀敏感 性,而敏华态则均对晶间腐蚀敏感。但在硝酸中,不论敏化态还是固溶态,304 钢的耐蚀性均优于 201、 202, 而敏化态, 201 和 202 的耐腐蚀性则更远低于 304。 表 5 AISI201 和 202 与 304 晶间腐蚀敏感性对比

低镍高锰的 AISI205 (1Cr17Mn15Ni1.5N0.3) 钢较 AISI201 加工硬化倾向小, 希望用于旋压和特殊的深拉伸以及无磁、低温等用途。 211 钢系在 AISI201 的基础上提镍、去氮加铜。得到:低冷加工硬化钢 211 (0Cr16.5Mn6Ni5.5Cu1.7)和冷镦用钢 204Cu(1Cr16.5Mn8Ni3Cu3N)。提镍和 加铜可降低钢的冷加工硬化倾向。 镍和铜均稳定奥氏体, 提高钢的层错能。 去氮, 把钢中氮量降到≤0.05%,可使氮的固溶强化作用下降,以降低钢的冷成型性因 子(f)(见图 8),有益于改善钢的冷成形性。

图 8 氮对 211 钢的冷成形性因子的影响

图 9 211 钢的冷加工硬化行为

图 9 是 211 钢的冷加工硬化行为。 可以看出 211 钢的冷加工硬化敏感性低于 AISI201,但与 AISI304 相近。211 的冲孔,打印、弯曲、拉伸、等也与 AISI304 相同,是一种在冷成形性方面可与 304 互换的铬锰系钢。 在改进型 201 钢基础上加入 2.0%~ 4.0%Cu,形成了 204Cu 系不锈钢 (0Cr17Mn8Ni2.5Cu3N),虽然含氮量要求在 0.05%~0.25%范围内,但由于氮对 冷成型性的不利影响,而又希望氮量尽量低的一种牌号。为了节镍,此钢的含镍 量在 1.5%~3.5%区间内,此钢主要用于冷镦用途。 高耐腐蚀钢 216 (0Cr20Mn8.5Ni6Mo2.5N0.4)是向 AISI201 钢中加入 2.0%~ 3.0%Mo,提高铬量到约 20%,提高氮量到 0.4%而开发的,由于此钢强度高,耐蚀 性好,希望能代 AISI316。 耐晶间腐蚀优良的 210L 00Cr16.5Mn6.5Ni4.5N0.15) 204L 00Cr18Mn9Ni6) ( 、 ( 和 216L(00Cr20Mn8.5Ni6Mo2.5N0.4)是降低 AISI201 和非 AISI 的 204、206 中 的 C 量到≤0.03%,以提高这些牌号的耐敏化态晶间腐蚀性能,它们可用于厚截 面尺寸钢材的焊接用途。 易切削钢 203EZ(0Cr17Mn6Ni5.5Cu2S)是向钢中加入约 2%的 Cu 和约 0.3% 的 S,使此钢易切削,而且冷成型性好,希望代替 AISI303。

总结:合金元素对奥氏体不锈钢组织性能的影响涉及因素多,情况比较复杂,
且随着钢的化学成分的不同,实验条件、使用条件的变化,所得结果差异较大, 因而很难一一列举。本文仅涉及奥氏体不锈钢的部分元素影响。

参考文献
[1] Peckner D et al. Handbook of Stainless Steels, 1997 [2] Marshall P. Austenitic Stainless Steel Microstructure and Mechanical Propertics,1984 [3] 陆世英,不锈钢,化工腐蚀与防护手册——耐腐蚀金属材料,北京;化学工业出版社,1989 [4] 陆世英等,不锈钢应力腐蚀事故分析与耐应力腐蚀不锈钢,北京,原子能工业出版社,1985 [5] 肖纪美,不锈钢的金属学问题,北京,冶金工业出版社,1983 [6] 冈毅民,中国不锈钢腐蚀手册,北京,冶金工业出版社,1992


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