高性能鐵素體不銹鋼簡介
高性能鐵素體不銹鋼除了有少量穩(wěn)定化的碳化物和氮化物外，具有完全的鐵素體顯微結(jié)構(gòu)。這種鐵素體結(jié)構(gòu)的獨特特性在于其很好的耐氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂性能，但是它的韌性有限。大斷面或晶粒效應(yīng)以及脆性的二次相的析出會進一步降低其韌性。由于韌性有限，這些鋼種通常不生產(chǎn)成中厚板。開發(fā)這些鋼種，是為了以低于高鎳奧氏體合金的價格得到優(yōu)于18-8不銹鋼的耐應(yīng)力腐蝕斷裂和耐點蝕性能。它們一般只用于熱交換器管形材料或薄板，熱處理不會使它們硬化，但在退火狀態(tài)下，它們顯示出高于許多奧氏體不銹鋼的強度。下表按照耐氯化物點蝕性能增加的順序，列出了主要的鍛軋鐵素體鋼種。
鋼種 | UNS牌號 | 類別 | C | N | Cr | Ni | Mo | Cu | 其它 | 耐腐蝕當量 |
444型 | S44400 | F1 | 0.025 | 0.035 | 17.5~19.5 | 1 | 1.75~2.50 | Ti，Nb | 23 | |
26-1S | S44626 | 0.06 | 0.04 | 25.0~27.0 | 0.5 | 0.75~1.50 | Ti | 27 | ||
E-BRITE 26-1 | S44627 | 0.01 | 0.015 | 25.0~27.0 | 0.5 | 0.75~1.50 | Nb | 27 | ||
MONIT | S44635 | F2 | 0.025 | 0.035 | 24.5~26.0 | 3.5~4.5 | 3.5~4.5 | Ti，Nb | 36 | |
SEA-CURE | S44660 | 0.03 | 0.04 | 25.0~28.0 | 1.0~3.5 | 3.0~4.0 | Ti，Nb | 35 | ||
AL29-4C | S44735 | F3 | 0.03 | 0.045 | 28.0~30.0 | 1 | 3.6~4.2 | Ti，Nb | 40 | |
AL29-4-2 | S44800 | 0.01 | 0.02 | 28.0~30.0 | 2.0~2.5 | 3.5~4.2 | 40 |
F1類鐵素體不銹鋼這類不銹鋼，如E-BRITE26—1，其耐局部腐蝕能力與316不銹鋼相似，但耐應(yīng)力腐蝕斷裂的能力大大優(yōu)于后者。這種良好的應(yīng)力腐蝕斷裂性能使其可用于熱的濃縮堿溶液和含氯化物的溶液。
F2類鐵素體不銹鋼這一類的不銹鋼，包括SEA-CURE，為耐常溫海水的局部腐蝕而設(shè)計，廣泛用于電廠的海水冷卻冷凝器。由于它們鉻含量高，鉬和鎳含量適中，對強有機酸和氧化性的或中等還原性的無機酸也有很好的耐蝕性。但是這些鋼種中的鎳降低了耐氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂的性能，增加了對形成有害的二次相的敏感性。所有的這些鐵素體不銹鋼在氯化鈉試驗溶液中，都能夠耐應(yīng)力腐蝕斷裂，但由于其鎳含量為0．5％～4．2％，可能無法耐氯化鎂試驗溶液的應(yīng)力腐蝕斷裂。
F3類鐵素體不銹鋼如同A6類的高性能奧氏體不銹鋼，這一類中的AL29-4-2，是為了達到鐵素體不銹鋼綜合性能的最高水平而設(shè)計，它兼具良好的耐局部腐蝕和耐酸腐蝕性能。
鐵素體不銹鋼(400系)含鉻量在15%~30%，具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)。這類鋼一般不含鎳，有時還含有少量的Mo、Ti、Nb等元素，這類鋼具有導(dǎo)熱系數(shù)大，膨脹系數(shù)小、抗氧化性好、抗應(yīng)力腐蝕優(yōu)良等特點，多用于制造耐大氣、水蒸氣、水及氧化性酸腐蝕的零部件。鐵素體不銹鋼價格不僅相對低且穩(wěn)定，并且具有許多獨特的特點和優(yōu)勢，業(yè)已證明，在許多原先認為只能采用奧氏體不銹鋼(300系)的應(yīng)用領(lǐng)域，鐵素體不銹鋼是一種極為優(yōu)異的替代材料，鐵素體不銹鋼不含鎳，主要元素為鉻(>10%)和鐵，鉻是不銹鋼特別耐腐蝕的元素，其價格相對穩(wěn)定。
鉻含量12%~30%，在高溫和常溫下均以體心立方晶格的鐵素體為基體組織的不銹鋼。這類鋼一般不含鎳，有的含有少量鉬、鈦或鈮等元素，具有良好的抗氧化性，耐蝕性和耐氯化物腐蝕破裂性。鐵素體不銹鋼根據(jù)鉻含量可分為低鉻、中鉻和高鉻三類，根據(jù)鋼的純凈度，特別是碳、氮雜質(zhì)含量又可分為普通鐵素體不銹鋼和超純鐵素體不銹鋼。普通鐵素體不銹鋼有低溫和室溫脆性，缺口敏感性及較高的晶間腐蝕傾向，焊接性較差等缺點，雖然這類鋼發(fā)展的較早，在工業(yè)應(yīng)用一直受到很大限制。普通鐵素體不銹鋼的這些不足，與鋼的純凈度，特別是與鋼中碳、氮等間隙元素的含量較高有關(guān)。只要鋼中碳、氮足夠低，例如不大于150×10~250×10，基本上可克服上述缺點。20世紀70年代后由于冶煉技術(shù)特別是真空冶金和二次精煉工藝的發(fā)展，已能生產(chǎn)出碳+氮≤150~250×10的高純鐵素體不銹鋼，使這類鋼在工業(yè)上獲得了廣泛應(yīng)用。
分類
一般可分為普通鐵素體不銹鋼和高純鐵素體不銹鋼兩大類。
普通鐵素體
此類鋼包括低、中、高三種鉻含量。低鉻鐵素體不銹鋼，含鉻大約為11%~14%，如中國的00Cr12，0Cr13Al。美國的AISI400、405、406MF-2(見表)。此類鋼具有良好的韌性，塑性，冷變形性及可焊性。由于鋼中含有一定量鉻、鋁，因此有較好的抗氧化性和不銹性。405可用作石油精煉塔、槽襯里、蒸汽渦輪機葉片、耐高溫硫腐蝕裝置等。400用作家庭及辦公室用具等。409用于汽車排氣消音系統(tǒng)裝置及冷、溫水管等。中鉻鐵素體不銹鋼，鉻含量為14%~19%，如中國的1Cr17、1Cr17Mo。美國的AISI429、430、433、434、435、436、439。此類鋼有著較好的耐銹性和耐蝕性。其加工硬化系數(shù)較小(n≈2)，有著良好的深拉深性能，但延性較差。430用作建筑裝飾、汽車裝飾、廚房裝備、氣體燃燒器及硝酸工業(yè)裝置的部件等。434用于汽車，建筑的外部裝飾。439用作燃氣熱水器、煤、氣管線的軟管等。高鉻鐵素體不銹鋼含鉻量19%~30%，如 中 國 的 Cr18Si2、Cr25，美國 的AISI442、443、446。此類鋼有良好的抗氧化性。442在大氣中斷續(xù)使用，上限溫度為1035℃，連續(xù)使用最高溫度為980℃。446有更好的抗氧化性。
高純鐵素體
此類鋼含有極低碳、氮;高鉻、鉬、鈦、鈮等元素。如中國的00Cr17Mo、00Cr18Mo2、00Cr26Mol、00Cr30Mo2國外18-2、Cr26Mol、25Cr-5Ni-4Mo-Nb、MoNiT、Al29-4、Al29-4-2。這類鋼有良好的力學(xué)性能(特別是韌性)，焊接性能，耐晶間腐蝕性，耐點蝕、縫隙腐蝕性，優(yōu)異的耐應(yīng)力腐蝕破裂性。如18-2在硝酸，醋酸，NaOH中有良好耐蝕性，在3%NaCl和FeCl3中耐點蝕性相當或超過18-8奧氏體鋼，耐SCC性遠超過18-8鋼。26CrMo鋼在許多介質(zhì)中耐腐蝕，特別是有機酸，氧化性酸，強堿中。在強氯化物介質(zhì)中有良好的耐點蝕性。在氯化物、硫化氫、過多硫酸及強堿中不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。30Cr-2Mo在保持耐應(yīng)力腐蝕同時具有更高耐點蝕、縫隙腐蝕性。加少量鎳的鋼，提高在還原性酸中的性能。
耐蝕性
(1)均勻腐蝕。鉻是最容易鈍化的元素。在大氣環(huán)境中，鉻含量在12%以上的鐵-鉻合金就可自鈍化。在氧化性介質(zhì)中鉻含量在17%以上就可鈍化，在某些侵蝕性較強的介質(zhì)中，高鉻并加鉬、鎳、銅等元素可獲得良好的耐蝕性。
(2)晶間腐蝕。鐵素體不銹鋼與奧氏體不銹鋼一樣都會發(fā)生晶間腐蝕，但敏化處理及避免這種腐蝕的熱處理恰好相反。鐵素體不銹鋼從925℃以上急冷容易遭受晶間腐蝕，而容易遭受晶間腐蝕的狀態(tài)(敏化態(tài))經(jīng)過650~815℃短時間回火，便可消除。鐵素體鋼產(chǎn)生晶間腐蝕也是由于碳化物析出引起貧鉻的結(jié)果。所以降低鋼中碳、氮含量并加入鈦、鈮等元素，可降低晶間腐蝕敏感性。
(3)點蝕和縫隙腐蝕。鉻、鉬是提高不銹鋼耐點蝕和縫隙腐蝕最有效元素。鉻含量增加則氧化膜中的鉻含量也增加，膜的化學(xué)穩(wěn)定性增加。鉬以MoO4的形式吸附在活性金屬面上，抑制金屬的溶解，促使再鈍化，防止膜的破壞，因此高鉻、鉬鐵素體不銹鋼具有優(yōu)異的耐點蝕和縫隙腐蝕性能。
(4)抗應(yīng)力腐蝕破裂性。由于組織結(jié)構(gòu)的特點，鐵素體不銹鋼在奧氏體不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的介質(zhì)中卻是耐蝕的。
力學(xué)性能
鐵素體不銹鋼因無相變，不能靠熱處理強化。一般在700~800℃退火后使用。由于鐵鉻原子尺寸相差不多固溶強化效果較小，鐵素體不銹鋼屈服強度、抗拉強度略高于低碳鋼，延性則低于低碳鋼。
普通鐵素體不銹鋼易產(chǎn)生脆性:(1)室溫脆性。普通鐵素體不銹鋼對缺口敏感，脆性轉(zhuǎn)變溫度除了低鉻(如405)外均在室溫以上，鉻量愈高冷脆性愈大。這種冷脆性與鋼中碳、氮等間隙元素有關(guān)，而超純鐵素體鋼由于碳、氮等間隙元素含碳非常低，可得到良好的韌性，脆性轉(zhuǎn)變溫度可降至室溫以下。
(2)高溫脆化。普通鐵素體不銹鋼加熱到927℃以上后急冷至室溫，塑性和韌性顯著降低。這種高溫脆化與碳(氮)化物在427~927℃溫度迅速地在晶界或位錯上析出有關(guān)。降低鋼中碳氮含量(采用超純技術(shù))可以極大的改善此脆性。此外，鐵素體鋼加熱到927℃以上晶粒容量粗化，粗大晶粒將使鋼的塑性，韌性惡化。
(3)σ-相的形成。根據(jù)鐵-鉻相圖(見圖1)，在500~800℃保溫，含鉻40%~50%合金將形成單一相σ，含鉻小于20%或大于70%的合金，將形成α+σ雙相組織。σ-相形成會顯著地降低鋼的塑性和韌性。所以此類鋼不宜在500~800℃長時間使用。
(4)475℃脆性。高鉻(>15%)鐵素體鋼，在400~500℃保溫將強烈脆化。這種脆化所需時間較σ相析出短，例如0.080C-0.4Si-16.9Cr鋼在450℃保溫4h，室溫沖擊韌性幾乎下降到零。脆化程度隨鉻含量增加而增加，但在600℃以上處理可恢復(fù)韌性。475℃脆化是由于富鉻α′相沉淀的結(jié)果。此類鋼應(yīng)避免在475℃附近加熱。
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