日本高性能不锈钢的种类和用途简介(之一)

2003-05-27 00:00 来源: 我的钢铁 作者:mysteel
    随便我国经济发展和人民生活水平的提高,对不锈钢的需求亦将迅猛扩大。据介绍2002年不锈钢的表观消费已达320万t,比上年增加了41%。尽管不锈钢产量比上年增加了13%,但进口不锈钢材仍高达238万t,比上年增加了32%,即2/3以上依靠进口。为了尽快达到基本自给,太钢和宝钢等大钢和不少民营、合资企业都在积极发展不锈钢。在使国内不锈钢生产企业能更好地生产出满足国内需求的不锈钢产品,兹据日刊资料摘译“日本高性能不锈钢的种类和用途”如下,以供有关人士参考。
    日本不锈钢生产现状
    (1)概况:日本年产不锈钢能力约350万t,其中新日铁、住金不锈钢为110万t,日新制钢60万t,JFE公司55万t,日金工和日冶工各30万t,其余由大同特殊钢等特钢厂生产。所生产品种按日本标准JIS的规定为100种,加上各企业自行开发的品种总计约200种左右。不锈钢的用途随着产业的发展在不断扩大,目前主用于餐炊具等耐蚀用品、汽车、家电、电子等机械部件,石油化工等贮运设施、医疗机构和建材等。
    (2)材料的选定。按照用途选用品种时,首先应考虑使用性能和加工性能;其次为经济条件,即考虑购入价格的同时还应考虑加工费用和使用中的维护费用。特别是近年来从可持续发展方针出发还应考虑对环境的影响及再生利用的资源合理利用等因素。
    (3)锈钢的种类和性能。不锈钢的基本性能为耐蚀性,在JIS标准中按其组织的不同,其分为以下5大类:
    1、马氏体体系不锈钢。其特点是硬度高,多作刀具、气轮机叶片等用。在本系中随着含碳量的提高,硬度提高的同时耐磨性亦改善。典型品种为SUS410(含Cr13%,含CO.15%),其同类品种有:420JI、420J2、429J1、440A,通过降低C以改善加工性能的为410L,则归入铁素体系不锈钢。
    2、铁素体系不锈钢。当将Fe-Cr系马氏体合金的C降低时便得到铁素体组织,同时耐蚀性和加工性改善。另和奥氏体不锈钢比较,耐蚀性基本相当,但由于不含镍而价廉,故在加工性和焊接性要求不太严的场合可用以代奥氏体不锈钢。
    此系的典型品种为430(18Cr-0.5C),其降C后的同类品种有:430LX(18Cr-Ti/Nb)、430J1(18Cr-0.5Cu-Ti),加Mo的品种有436J1(18Cr-0.5Mo-Nb)、436L(18Cr-1Mo-Nb/Ti)和444(18Cr-2Mo-Nb/Ti),增Cr的品种有445J1(22Cr-0.8Mo-Nb/Ti)、445J2(22Cr-2Mo-Nb/Ti)和447J1(30Cr-2Mo-Nb/Ti)。它们的主要用途为:430类和436类多用于家电和汽车排气管等部件;444多弥补奥氏体对氯化物耐蚀性差的缺点而很早即用于电热水器桶;高Cr高Mo系的445J2和447J1则对海滨的耐候性好,多用于海滨大型建筑的屋面板。
    3、奥氏体系不锈钢。它占不锈钢的大半以上,典型品种为304(18Cr-18Ni),由于用途广泛,兹分7大类简介如下:
    (a)耐蚀性类。又分以下4小类:(Ⅰ)耐晶界腐蚀类有:304L(18Cr-10Ni-低C)、321(18Cr-8Ni-Ti)t347(18Cr-8Ni-Mo);(Ⅱ)耐一般腐蚀类有316L(18Cr-10Ni-2Mo)-317L(18Cr-12Ni-3Mo)、317J1(17Cr-15Ni-5Mo)和890L(20Cr-25Ni-4.5Mo-1.5Cu;);(Ⅲ)耐孔洞间隙腐蚀类有:317J2L(25Cr-14Ni-1Mo-0.3N)、317J3L(21Cr-12Ni-2.5Mo-0.2N)和836L(23Cr-25Ni-5.5Mo-0.2N;)(Ⅳ)防应力腐蚀裂纹类有:315J1(18Cr-10Ni-Mo-Cu-Si)、315J2和XM15J1(18Cr-12Ni-3.5Si)。
    (b)耐热性类有两小类:(Ⅰ)增Si类有302B(18Cr-8Ni-2Si);(Ⅱ)增Cr、Ni类有309S(23Cr-14Ni)和310S(25Cr-20Ni)。
    (c)加工性类有两小类:(Ⅰ)深冲性佳类有304J1(17Cr-7Ni-2Cu)和340J2(17Cr-7Ni-4Mn-2Cu);(Ⅱ)软质类有305(18Cr-12Ni)和XM7(18Cr-9Ni-3.5Cu)。
    (d)非磁性类有高强度的高Mn高N类(17Cr-1.5Ni-15Mn-0.35N)。
    (e)高强度类有两小类:(Ⅰ)增N类有304N1(18Cr-8Ni-0.1N)和304N2(18Cr-8Ni-0.2N-Nb);(Ⅱ)适于冷加工类有301(17Cr-7Ni)、301L(17Cr-7Ni-N低C)和301J1。
    (f)提高切削性类是303(18Cr-8Ni-S)、303Se(18Cr-8Ni-Se)和303Cu(18Cr-8Ni-Cu)。
    (g)遮蔽中性子类有18Cr-8Ni-B。
    此外还有节Ni型的201(17Cr-4Ni-6Mn)和202(18Cr-5Ni-9Mn)。近来各企业还开发成功通过在表面镀金、蚀刻、涂装和表面加工处理等以改善抗菌、遮热和美观性的不锈钢。
    不锈钢的耐蚀性和合金成分的关系以N的作用最大,其次为Mo和Cr。被称为超级不锈钢的836L,即作为镍基超合金和钛的代用品而用于高浓度氯化物的条件下。非磁性钢的高Mn高N钢尚未列入JIS,但已作为弹簧材料用于电子零部件,它除了非磁性外,耐蚀性亦好。还有中子遮蔽用的加B不锈钢亦未列入JIS,它是304L中加入1.0%B,主用于核燃料的贮存容器。
    4、双相不锈钢系。它是奥氏体组织和铁素体组织各1/2所构成,成分亦取决于两者生成元素的平衡。其典型品种为329(27Cr-4Ni-1.5Mo),通过增加Mo和N含量以提高耐蚀性的主要品种有329J1(25Cr-4.5Ni-2Mo-N)、329J3L(22Cr-5Ni-3Mo-N)和329J4L(25Cr-6Ni-3.5Mo-N),它们的特点是高耐蚀的同时由于结晶微细致强度亦高。
    5、析出硬化型不锈钢系。在304基础上加入Cu、Al、Ti和Mo等成分并经时效处理以提高其强度。根据时效前的组织可分为三类:
    (a)630类,成分为17Cr-4Ni-4Cu-Nb,经固溶化处理为马氏体组织,再经470~625℃时效热处理后铜呈微细化析出;
    (b)631(17Cr-7Ni-Al)类,系在301中加入Al、Cu后并经固溶化处理为奥氏体组织,再经热处理和冷加工后成为马氏体,并经450~550℃时效热处理而硬化。还有631J1(17Cr-8Ni-1Al)和631J2(17Cr-7Ni-1.5Si-Cu-Ti)2种。
    (c)660(15Cr-25Ni-Mo、Ti、Al、V、B)类,原为奥氏体组织,经716℃时效热处理使Y析出,它在比较稳定的700℃以下作为高温材料应用,在JIS中分类为耐热钢。
    高耐蚀性不锈钢
    不锈钢在表面Cr的稳定皮膜的保护下在一般生活环境下发挥了较好的耐蚀性,并具有长期的金属光泽,从而在炊具、建筑内外装饰材和铁道车辆等方面得到了广泛应用。但当Cr的稳定皮膜在过苛环境下受到破坏后,仍易带来被腐蚀等重大损伤。据此,近年来针对中性条件下孔洞、间隙等局部腐蚀、强酸中的全面腐蚀和氯化物环境下的应力腐蚀裂纹等条件下的特殊需要,开发成功如下的比一般不锈钢更耐蚀的新钢种:
    (1)耐孔洞、间隙腐蚀的优良不锈钢。孔洞腐蚀是由Cl-等卤化物离子对稳定皮膜局部破坏而引起的局部深度腐蚀。在平滑表面上产生的点状或虫食状腐蚀称为孔洞腐蚀,在螺栓连接结构部分的间隙或附件下部产生的腐蚀称为间隙腐蚀,两者的腐蚀机理相同。
    为抑制孔洞间隙腐蚀,从材料方面主要应选择含强化稳定皮膜元素Cr、Mo、N等高的钢种。从合金成分计算耐孔蚀性的指标PI=Cr+3Mo+16N(N仅用于奥氏体钢)。尽管随着PI值的提高耐孔蚀性亦上升,但由于合金量增加后成本上升,故应根据使用环境采用最佳钢种。各生产厂已按此原则开发成功各种用途的新钢种。
    在汽车部件和建材外装饰用的铁素体系不锈钢的代表钢种SUS430(17Cr)为基础,通过加入新成分以改善耐孔蚀性方面,各生产厂已开发成功SUS430J1L(18Cr-Ci-Nb低C、N)、SUS436J1L(19Cr-0.5Mo-Ti/Nb低C)和SUS436L(成分见前)等新钢种。此类高纯铁素体系不锈钢,不仅耐蚀性好,且由于C、N等杂质低和加入微量Ti、Nb,其加工性特别是焊接性亦佳。
    还有由于铁素体系不锈钢的热膨胀率低,用于长尺寸的大型建筑屋面板时比奥氏体系钢在设计、施工上均较为有利,但海上飞来的海盐粒子造成的腐蚀严重,特别是不易受雨水冲刷致海盐易浓缩的部位更为严重。为此,已开发出耐孔蚀性好的建材用不锈钢SUS445J2和SUS447J1。
    对于海滨受海盐粒子浸蚀更多的场所和在浸于海水中受高浓度氯离子浸蚀的场所,需要耐蚀性更高的高Cr、高Mo奥氏体系或双相系不锈钢。现被称为超级不锈钢的SUS836L(20Cr-18Ni-6Mo-0.2N)已开发成功并用于海滨地区的屋顶、海洋结构物吃水部位的金属衬里、海水淡化设施和高盐分浓度食品制造设备等处。对于用氯气杀菌的自来水贮水槽中的所相部分,由于结露水中Cl-浓缩的同时PH值亦降低,故形成严重的局部腐蚀环境。对此,则使用了双相系的SUS329J4L(成分见前)。
    (2)在强酸中耐全面腐蚀的优良不锈钢。不锈钢作为在酸性溶液中耐蚀的钢铁材料,发明后即用于各种化工装置和输送容器,但由于它对各种氧化性不同的酸的适应性不同,在使用时还应详细分析腐蚀环境后合理选定钢种。
    硝酸为氧化性强的强酸,为最能发挥不锈钢特性的环境。在70%以下的浓度下可充分发挥SUS304类的耐蚀性;对于浓度更高或高温领域则应采用含Si高的17Cr-14Ni-4Si-Nb钢等新开发的钢种。但硝酸的晶界腐蚀性强,对于焊接施工的部件可用低碳的SUS304L类,而对于使用高浓度硝酸的用于核燃料再处理设施,则应使用C和P大幅下降以改善耐晶界腐蚀的奥氏体系不锈钢(R-SUS304ULC、R-SUS316USC)等钢种。
    硫酸为非氧化性强酸,故不能像硝酸般在广范围内使用不锈钢。如在低浓度硫酸中或>90%的高深有度硫酸中可使用SUS304类,而含有Mo的SUS316在常温硫酸下亦仅能在<20%的浓度下使用。在中浓度硫酸中一般不锈钢将产生激烈的全面腐蚀,腐蚀速度并随酸中的离子浓度而变化。为抑制全面腐蚀以加Mo、Cu等元素为有效,多使用双相系的SUS329J4L或超级不锈钢SUS836L。
    在火电锅炉的烟气脱硫装置或烟道烟突部的低温结露部位,由于露水澡浓度的硫酸成分可引起激烈的全面腐蚀加上烟气的Cl-离子浓缩,亦会发生间隙腐蚀的局部腐蚀。对这种苛刻的复合环境必须使用高耐蚀性不锈钢板。经对烟道内部的环境分析后,缍开发出厂该环境下既耐全面腐蚀又耐局部腐蚀的奥氏体系不锈钢(成分为20Cr-15Ni-3Mo-1.7Cu-0.2N),现已用于火电厂烟突内衬和烟道的零部件等处。
    (3)氯化物环境下耐应力腐蚀裂纹的优良不锈钢。在局部腐蚀和拉拔应力的双重作用下,奥氏体系不锈钢会产生裂纹,甚至造成设备重大故障。这在氯化物、高温高压水、氢氧化钠和连多硫酸环境下达50℃以上温度时经常发生,在高温下氯化物低浓度的水环境下亦会偶尔发生。对此,作为设计施工方面的对策,应降低Cl-离子和溶氧浓度、除去加工和焊接时的残余应力以及回避应力集中等;同时还应注意防止焊接时再加热引起的晶界Cr碳化物生成而导致的耐蚀性劣化现象和焊接部的应力集中等。从材料方面的对策则应从起因于Cl-离子的孔洞腐蚀多为局部腐蚀的起点出发,如上所述应采用耐孔蚀性的奥氏体系不锈钢,或采取通过添加以提高防应力腐蚀裂纹有效的Si、Cu的SUS315J1(成分见前)和SUS315J2(18Cr-12Ni-2Cu-Mo)。但是奥氏体系不锈钢从本质上防止应力腐蚀裂纹的机理还不十分明确,为此应在考虑使用环境而选用钢种的同时,还应从设计施工上多加注意。
    另外,铁素体系不锈钢则没有产生应力腐蚀裂纹的倾向,从而对回避裂纹有利。但由于其耐蚀性、加工性、焊接性等一般均比奥氏体系不锈钢差,故在应用上受到限制。对此,近年来各企业对上述特性改善后陆续开发出不少新钢种,使用效果亦好。如代表钢种SUS444已广泛用于电热水器。电热水器罐体过去多用SUS304,由于应力腐蚀裂纹曾多次发生故障,加上罐体结构简单,新开发的SUS444已广泛代用。由于本钢种不仅防应力腐蚀裂纹的性能好,而且在铁素体系不锈钢中,一般耐蚀性、加工性和焊接性亦均较好,故亦可用于太阳能热水器和换热器等处。
    烧油的热水锅炉由于结构复杂和焊接点多,一般多使用经改进后奥氏体系的SUS315J1和SUS315J2。

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