日本高性能不锈钢的种类和用途简介（之三）
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六、高加工性不锈钢棒材 近年随着不锈钢在建筑、汽车、家电、工厂机器、化学设备等方面的应用范围扩大，从提高生产效率和降低成本出发以及从切削加工向冷轧加工的转变，都希望改善不锈钢产冷轧加工性能。兹就不锈钢棒材成形加工时的冷轧加工性能简介如下。 （1）代表型冷轧加工用不锈钢。在JISG4315冷轧加工时用不锈钢棒材中，有奥氏体系9钢种、铁素体系2钢种、马氏体系2钢种。兹分述如下： 1．奥氏体系的9钢种为：SUS304、SUS304L、SUS304J3、SUS305、SUS305J1、SUS316、SUS316L、SUS384和SUSXM7（主要成分见表2）。本系不锈钢除耐蚀性好外，其低温韧性、高温强度和非磁性等特性均较好，故广泛用于螺栓、螺帽和螺钉等处。作为冷轧加工用钢要求变形阻力越低越好。从反映这一特性的加工硬化特性看，奥氏体系不锈钢比炭素钢、铁素体系不锈钢和马氏体系不锈钢等的加工硬化特性均非常大，亦即由于变形阻力大而造成冷轧加工性低。其原因为在加工硬化特性已大的基础上加上在冷轧加工中引起的加工诱发马氏体相变的作用。为此，采取加入不易引起加工诱发马氏体的成分以对应。如加入Ni、Cu可使奥氏体组织稳定化，或降低C、N、Si等因溶强化元素以降低固溶热处理后的强度以及通过强化精炼以减少钢中的非金属夹杂等。如SUSXM7和SUS304J3则加入了3%-4%和1%-3%的Cu。 表2 日本近年开发成功的高加工性不锈钢（棒材）
注：（）内指开发企业，除新日铁和日立制作所外，系均为特殊钢企业。 2．铁素体系不锈钢有SUS430和SUS434两上钢种。由于本系不锈钢在淬火下仍不硬化，故加工性优良，加上热膨胀系数小，耐蚀性和电磁性均好，故多用于汽车尾气排放部件，电磁阀、喷咀和各种测头处。通常为提高铁素体系不锈钢的冷轧加工性能，多采用降低C、N、Si、Mn等固溶强化元素、降低不纯元素和非金属夹杂，以及使晶微粒细化等措施，特别是晶料的微细化受制造工艺的条件影响较大，它的再结晶粒径一般随加工度的加大而变细，热处理温度则以温度较低方为细。如冷加工率为5%-10%的低水平时，晶粒明显粗大化，而冷加工率超过20%则热处理后的结晶粒粗大化受到抑制。为此，在使用铁素体不锈钢时应注意此点。 另在用于电磁阀的电磁不锈钢为提高其电磁特性，多采取加入Si、Al的措施，此时为改装其冷轧加工性，应采取极低C、N化和加入Ti等可形碳化物的元素。还为改善冷轧加工后的切削性能，可适量加入铅等易切削元素。 3．马氏体系不锈钢有SUS403和SUS410两个钢种。本系不锈钢可通过淬火、回火以提高强度，故为改善冷轧加工性时可采取降低Si、Mn等固溶强度元素，降低非金属夹杂和控制晶粒径等措施。还有可通过对退火处理后Cr碳化物大小的控制以降低硬底。另为改善冷轧加工的切削性亦可加入铅等易切削元素。 （2）最近的开发动向。近年为了部件功能的多样化和低成本化，多采取复杂形状部件的冷轧加工，从而对不锈钢冷轧加工性的要求更为严格，据此开发出不少高性能的不锈钢，具体钢种如表2所示。 由上可知，在奥氏体系不锈钢方面，开发出冷轧加工性好且兼具高强度、易切削、高耐蚀和高强度非磁性等性能具佳的不锈钢；在铁素体系不锈钢方面则开发成功兼具耐蚀性、冷轧加工性和以电磁特性为主的不锈钢；马氏体系不锈钢方面，在过去不可能提供的冷轧加工的SUS440C类的高强度不锈钢中，通过对Cu-C含量的调整平衡以抑制了粗大的一次碳化物的生成从而成为可冷轧加工的材料；还在SUS420类通过对Cr、Mo、N的适度调整以开发成功耐蚀性和冷轧加工性均提高的新材料；最近在析出硬化系（如SUS630等）不锈钢中，通过对C、N、Cb量调整平衡以使固溶化处理后的硬度下降而开发成功可供建筑螺栓用的新材料。 七、耐热不锈钢 不锈钢由于含Cr高而具有较好的高温作用，如在一般热处理炉、工业用耐热部件、火电锅炉和化工用反应炉等工业方面已广泛应用，此外在汽车的尾气排放部和家用炉具等方面亦在应用。作为高温使用性能应要求同时具备耐蚀性、高温强度、热膨胀性和传热性等多种，此处重点介绍耐热不锈钢在高温环境下重点考虑的必要性能。 （1）要求耐热不锈钢的主要性能。在高温环境下使用的耐热不锈钢，将面临以下问题： 1．关于耐蚀性方面（a）高温氧化。由于和氧反应使表面生成氧化膜，它的生成速度和剥离可决定氧化速度；（b）耐高温气腐蚀。首先是H2S及SOX反应形成的硫化物在低融点下呈多孔状，致硫化铁皮的剥离速度快，危害比氧化重而温度低，其次是由CO和HC产生的C扩散入金属内部后形成碳化物，由于Cr的碳化物析出形成缺Cr层；还有由NH3产生的N扩散入金属内形成氮化物，亦由于Cr的氮化物析出而形成缺Cr层；此外还和Cl形成腐蚀性更强的卤化物膜。（c）熔融监腐蚀是由硫酸盐和氯化物等低熔点化合物付着和熔融使保护性氧化物熔解，锅炉上付着的熔融灰亦起类似腐蚀作用。重点说明如下： （a）高温氧化。不锈钢在空气中燃烧时产生的高温氧化膜在其中的金属的离子和氧离子的作用下逐步加厚，其生成速度较大并遵循抛物线法则。铁素体不锈钢中的11.5Cr和14Cr在850-900℃以上时氧化陡然加速，称之为异常氧化，它的氧化物呈抛物线走增，主要由于氧化铁皮的生成使其下的基体因Cr减少而不稳定，致产生由铁素体相向奥氏体相相变并伴生应力，并使氧化膜产生裂纹致加速了氧化。和铁素体相比比奥氏体系在高温环境下的耐氧化性更好。在提高耐氧化性方面Cr、Si、Al等较为有效。 （b）高温硫化。在使用矿物燃料条件下由于燃料中含S，故由燃烧气中的SOX所产生的高温硫化成为耐蚀性劣化的重要原因。届时腐蚀生成物的硫化物的成长速度比氧化铁皮还大，矿不锈钢的耐蚀性比高温氧化呈更快劣化。在改善耐硫化性方面Cr、Al、Si有效。 （c）渗碳。它是由从气相析出的炭于材料表面所生产。即在高温环境下金属表面析出的C易向内部扩散，并和对C亲和加高的元素（Cr、Ti、Nb等）在内部结合。如和Cr结合生成Cr23C6的碳化物时将使基体中的Cr减少而产生缺Cr层，从而引直起耐氧化性的劣化。在改善耐渗碳性方面Ni、Cr、Si有效。 2．关于力学性能方面。在高温下将产生以下问题： （a）高温强度。各种不锈钢的抗拉强度随温度的提高而下降，具体见表3。 表3 几种不锈钢的抗拉强度和温度的关系
由表3可以看出，铁素体不锈钢的强度随温度变化较大，到800℃以上时已很低。奥氏体系不锈钢则在600℃以上还有较好的强度，加上耐氧化性好故用途广泛。为增加高温强度，以通过Mo、Nb、Ti等使基体的固溶强化和碳氮化物析出为有效。 （b）疲劳和蠕变。不锈钢在高温环境下使用时，由于加热时膨胀和冷却时收缩而产生的热应力重复致产生热疲劳。还有在高温下长期运行时还会发生蠕变现象。因为在常温下施加应力时可由产生的塑性变形量而使变形停止，但在高温下被称为蠕变的变形则继续进行。主要是由晶界滑动和位错运动产生的位错蠕变及原子和空穴移动产生的扩散蠕变，均是由温度升高而引起的。 （2）耐热不锈钢的种类和用途。 1．铁素体系不锈钢比奥氏体系不锈钢因Cr的扩散系数大致易生成Cr氧化皮膜，从而耐氧化性好；但应考虑超过规定使用温度时产生的异常氧化。另强度随温度上升而下降快，通常多用于800℃以下。为提高耐氧化性可增加Cr、Si和Al，为提高强度则可加入Mo和Nb。 铁素体系耐热不锈钢主用于汽车尾气排放部件，对更高温（600-950℃）的尾气集合管和催化剂转换器则要求综合性能更好。过去尾气集合管多使用铸件，为轻量化和排放标准改严后才乞讨用耐热不锈钢，从耐疲劳性出发，以热膨胀系数小的铁素体系为主，SUS430类、SUS409类和SUS444类亦被应用。另催化剂转换器作为催化剂的载体多陶瓷，近年开始用SUH21和高Al的20Cr-5Al的铁素体不锈钢。在对耐磨耗性和强度要求严的发动机吸气阀则使用SUH2和SUJH11，对温度高的排气阀则使用奥氏体系的SUS430和加入Si、Al以提高耐氧化性的材料，煤气热水器的燃烧器和热水容器则多用SUS430。 2．奥氏体系不锈钢由于高温下的耐氧化性和强度较好，故多用于工业加热炉。在热处理炉的炉内部件多用SUS304、309S和310S等钢种，如加热器的辐射管由于接触氧化气故特别采用耐氧化性好的SUS310S；回转窑和烘烤炉等高温炉由于使用热风，热风温度在风机处达600-750℃，故用SUS304，在换热器处达800-1100℃故用SUS310S；在火电锅炉的过热器等处汽温达600℃以上，故多用JIS3464中的SUS321H和SUS347H，亦有用SUS340H和SUS310H。 3．马氏体系不锈钢由于通过淬火、回火以提高强度，故工作温度用于回火温度以下，另马氏体组织形成靠C在回火温下形成的Cr23C6的碳化物，这在提高了强度的同时却由于Cr减少而导致耐氧化性下降，故只在要求高强度的发动机吸气阀等处应用。 4．析出硬化系不锈钢是靠时效热处理析出金属间化合物以改善其性能的不锈钢，使用时应和马氏体系不锈钢同样限制使用温度范围。SUS630是经时效热处理使Cu-条微细析出而提高强度的，多用于高温输送带等处。 |
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