日本高性能不锈钢的种类和用途简介（之二）

高强度不锈钢 

根据社会对钢的高强度化要求研究了种种的强化方法，并作为应用开发的重点，对耐蚀性的不锈钢亦不例外地被要求高强度化。因为强度提高后板厚可变薄，有利于部件轻量化，同时使用寿命亦可延长，从而好处很多。特别是在2000年日本建筑标准法实施修订后，不锈钢被列入钢结构用材料，JISG4321建筑结构用不锈钢作为一般结构材料被批准，从而不锈钢的高强度化更为重要。

钢的变形主由于位错运动。由于抑制位错运动致使变形困难时，钢则得到强化。具体方法有固溶强化、析出强化、加工强化、马氏体相变强化和晶粒微细化强化等，现就不锈钢的强化方法、强化后的结构和用途简介如下：

（1）固溶强化。使合金元素固溶入纯金属时，一种为合金元素进入基体金属晶粒的原子间隙，称为侵入型。不锈钢是将Cr和Ni固溶入铁中的合金，应属于固溶强化状态，但Cr、Ni对Fe的固溶强化作用很小。经试验得知，对Cr、Ni奥氏体不锈钢强化作用最大的为侵入型元素的N和C，如在SUS304中使N固溶后产生的SUS304N1（含N0.1%-0.25%），和SUS304N2（含N0.15%-0.30%），其含N量为SUS304（含0.04%）的2-7倍，其强度为SUS304的1.5-2倍。按JISSG4305有关固溶化状态的力学性能规定，SUS304为205N/mm²以上，SUS304N2为345Nmm²以上。由于加N而产生的此类强化不锈钢已在结构和强度部件上广泛应用。

固溶强化不仅限于常温强度，对提高高温强度亦有效。由此，比其它方法更有利于焊接用高强度不锈钢。如后述的利用加工硬化的SUS301（17Cr-7Ni）为改善其焊接部件的耐蚀性而将C降低的SUS301L，为保持焊接部件的强度便靠加入0.2%以下的N来解决，现已被铁道车辆普通采用。

（2）析出强化。是在基体金属中制造析出物（碳化物、氮化物、金属间化合物等）使之强化的方法，由于析出物可妨碍位错运动，故在母相中以微细而多数分布的状态最有利于提高强度。析出强化利用钢中合金元素的固溶度随温度变化而不同的原理。利用析出强化的不锈钢称为析出硬化（PH）型不锈钢，JIS G4304中按固溶化状态的基体组织分类为马氏体系和半奥氏体系的2类析出硬化型不锈钢。

马氏体系的不锈钢SUS630（17Cr-4Ni）含Cu约4.0%，在1050°左右的高温下将Cu固溶于奥氏体相中，在冷却过程中Cu在过饱和的马氏体组织中发生作用，再经450-480℃、1-4h析出硬化处理后，则在基体的马氏体中以Cu富化物公散析出而使钢强化。其硬度经固溶化处理后为350HV，经析出硬化处理后达450HV。SUS630以强度高及耐蚀性与SUS304相当的优势，已广泛用于弹簧材、飞机结构用材、刀具等处。

半奥氏体系的PH不锈钢为强度和加工性兼优的特殊钢种，它是在SUS301中加入Al的17.7PH不锈钢SUS631（17Xr-7Ni-1.2Al），它在固溶强化处理后的常温下具有加工性好的奥氏体组织；如再经950℃10分钟热处理，通过便C的固溶量变化以提高马氏体相变点（Ms点），接着在Ms点（-70℃）附近冷却，使成为马氏体组织（RH950处理）。亦有在固溶强化处理后经冷加工生成加工诱发马氏体的方法（CH900处理）。马氏体形成后，在510℃左右加热以实施析出硬化处理时，Al、Ni析出，使在奥氏体状态下为280N/mm²的强度经析出硬化后达到1520-1700N/mm²的高水平。

（3）由加工硬化产生的强化。使钢变形时给晶粒施加剪切应力，位错在运动的同时给晶粒引发更多的位错。加工硬化指通过轧制、拉拔等塑性变形使晶粒内的位错密度增大以对钢强化的方法。这种加工硬化的作用，对奥氏体系比铁素体系更大。如18Cr-8Ni成分的准稳定奥氏体系在随着位错密度的加大而使硬化上升，便生成马氏体（加工诱发变态），很易得到高强度。

利用加工硬化形成的材料称为硬材，其强度随轧制的变化分为H（硬度）、2/3H、1/2H等不同的水平。SUS302（17Cr-7Ni）硬材已广泛用于家用电器的压紧板簧、汽车发动机垫圈和通信机器的连接器等板簧制品。由加工诱发的马氏体带有磁性，故SUS301和SUS304等硬材亦有磁性。

非磁性的弹簧用材料首推高Mn不锈钢的AISI205（17Cr-15Mn-1.5Ni-0.35N），它是以Mn取代SUS301中的Ni，其性质不同主要由于N而生成较多的固溶体并充分发挥了固溶强化的效果。如固溶化处理状态下的硬度SUS304为180HV，而AISI205则为270HV。进一步加工后发现有显著的加工硬化特性。

AISI205在高温下具有优良的弹簧弹性，故用于发动机的垫圈等处。

（4）由结晶细化生产的强化。晶粒大小对强度的作用很早即发现，如退火后软钢的晶粒尺寸愈小则屈服强度愈高并呈直线关系，这一关系称为霍尔佩其法则。这由于变形使在结晶内运动的位错在晶界被阻止，故晶粒细化造成的更多晶界使材料的强度提高。上述的固溶强化、析出强化和加工硬化若过度时则韧性呈下降趋向，从而因加工和使用条件而有时使强度受限；但晶粒细化则在强度提高的同时仍保持韧性不受影响。为此，这一方法已为研发中“超级金属”项目所应用。

通常不锈钢的粒径为数十μm，而目前的研发成果已达其1/100的100nm级水平。如粒径达300nm左右的奥氏体不锈钢其抗拉强度达普通粒径材2倍的1100N/mm²，且韧性不降。现通过晶粒细化以提高强度的不锈钢，已列入JIS中，即具有复合组织的双相系不锈钢。如SUS329J4L（25Cr-6Ni-3Mo-N）为在铁素体母相中具有岛状的奥氏体相分散组织，且通过加入N，经固溶强化可提高强度和耐孔蚀性。由于晶粒细化和固溶强化的复合作用，其强度特性比奥氏体系和铁素体系均大，成为兼具有耐应力腐蚀性好的铁素体系和高强度的奥氏体系不锈钢的特性，广泛用于贮水槽、含硫油气用油井管和化工贮罐配管等腐蚀严重的环境。

（5）马氏体相变生产的强化。不锈钢中具有最高硬度的SUS440C（13Cr-1C）（640-700HV）即属于马氏体系不锈钢。由于马氏体组织的结构非常微细，加上内部存在高密度的位错和碳的过饱和固溶物，故达到了高强度。另外，经以后的回火处理，碳化物等析出物又形成分散的微细化组织，故马氏体系不锈钢通过固溶C和回火处理以调整其强度。如SUS420J2（13Cr-0.3C）由1000℃的高温的奥氏体区急冷时，相变为固溶0.3%C的马氏体，再经回火热处理使碳化物等分散微细化后强度可达550HV左右。它和SUS420J1（13Cr-0.2C）及SUS410（13Cr-0.1C）并列为发电、化工设备等结构用不锈钢。

最后对称为高强度不锈钢的代表性钢种的主要成分、用途和对应的强化机理及其强度水平如表1所示。此外，各公司还在开发表1以外的耐蚀性高强度钢。它们的强度有多种，应根据不同用途，综合考虑耐蚀性、加工性和耐氧化性以选定最佳适用的钢种。

表1  主要高强度不锈钢的用途和强度水平

高加工成形性不锈钢板材

    不锈钢板以原状使用的较少，大多通过加工成型后使用。兹就拉伸成形和深冲成形简介如下：

（1）拉伸成形。用球型冲模压板将板的四周固定，通过球型冲头使板厚变薄的同时增加其表面积，并作冲头和模合成形的加工方法称为延伸加工法。由于表面延伸率的极限使其深部亦受到限制外，为保证成品性能，延伸量亦受到限制。由此，作为材料特性的延伸率和n值（加工硬化指数）大的材料其延伸性亦好。

1．奥氏体系不锈钢的延伸性。SUS304和SUS301被称为标准奥氏体系不锈钢在常温下加工时，奥氏体的一部分相变为马氏体相（称为加工诱发马氏体相变），产生显著的加工硬化。即局部变形时该部分受到强化，并将变形传播至全体而引起大变形。由此奥氏体系的延伸性比铁素体系较好。作为对应加工诱发马氏体变态的奥氏体稳定度的指标Md₃₀（指真变形下引起0.30的延伸变形的50%马氏体相的生成温度）常被应用。

经过对SUS304和SUS301试验的结果，Md₃₀的最大值前者为0℃，后者为15℃，说明此时的延伸性最大。

2．铁素体系不锈钢的延伸性。SUS430等铁素体不锈钢，它不像标准奥氏体不锈钢会产生加工诱发相变，故提高延伸性的手段只有从成分上减少次要元素以达到高纯度化。

从Cr13铁素体不锈钢的试验结果得知，通过减少侵入型固溶元素的C、N以及加入可将碳、氮化物固定的Ti，均有利于提高加工硬化系数。

（2）深冲成形。它指在模具内通过材料的移动，将平板成形为容器状的方法。它和延伸成形不同处是将增加的表面积形成立体。由所成形的容器看，从成形的角度可分为以下部分；（a）底部：受冲头力的部分；（b）侧部：传达冲头力的部分；（c）凸缘部分：向圆周方向收缩的同时并向模孔中进入的部分。为此决定深冲性的因素为冲头底部的材料强度和凸缘收缩变形时材料强度的综合影响。

1．奥氏体系不锈钢的深冲性。如上所述的SUS304和SUS301由于产生加工诱发马氏体相变而使n值加大，从而深冲性亦好，但如这种相变过大时将使收缩凸缘的变形阻力加大反使深冲性变差。为此在提高深冲性时，应降低收缩凸缘的变形阻力，亦即为使钢质软化而加入Cu,SUS304J1即属于此类。还有为减少C、N而加入Cu、Al复合物对提高深冲性亦有效。

另外，在奥氏体不锈钢压力成形时还会发生过期裂纹，即深冲成形后数分钟乃至数个月后发生的延迟破坏。对此，从材料方面应采取以下措施：（a）降低C、N含量；（b）奥氏体的稳定化（降低Md₃₀）；（c）降低钢中含氢量。作为成形方法应该设法降低残留应力。

2．铁素体系不锈钢的深冲性。它主要受r值的支配。r值为表示钢板异向性的指标，r值高时，变形时板厚减少困难，即板面内方向的材料流动比板厚方向的容易。r值受材料的集合组织而变化，而集合组织则受成分和生产条件的影响较大，特别是受冷轧时的压下率和退火条件的综合影响较大。为此，从成分上应尽力降低C、N含量，并增加Ti、Nb以降低固溶C、N而使r值提高；冷轧时增大压下率和冷轧道次亦有利r值提高。

还有铁素体系不锈钢特有的扭伤和条痕等缺陷的问题。前者为对延伸方向45°发生的凹凸现象，起因于侵入型元素C、N的位错而发生的屈伏不均所致，应通过适当的调质轧制以解决。后者为成形时产生的和轧制方向平行的凹凸现象，它起因于连铸坯柱状晶的带状组织在钢板上的残留，故应从铸坯、热轧和冷轧各工序上加以改善。

（3）材料、用途的新动向。在冲压成形方面不仅是深冲或延伸等个别形态的加工，往往以复合成形的方式较多。从反映深冲性极限的深冲比的LDR值和反映延伸性的杯突试验看，SUS304J1为2.2/15，SUS34J2为2.1/13，SUS304L为2.1/12.6，SUS304为2.0/13.2，可知以SUS304J1为最优，但以3段深冲的裂纹发生度（10天后）看，则以SUS304L和SUS304J2为优，故应按成型品的形状和加工度以合理选用材料。

关于材料、用途的新动向，在奥氏体系不锈钢方面，各公司均在开发软质材料，如NSS304ES和NAS304D；在铁素体系不锈钢方面则开发成功深冲性可知奥氏体匹敌的YUSPDX及条痕很少的R430XT等新品种。在用途方面，家电等产品已用上高级感、清洁感的不锈钢，特别是电炊具和电冰箱的外装材方面已广泛应用。并尚在不断发展中。