开发和推广200系列不锈钢

2003-07-18 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel

　

　

1、概述

    二战期间镍供应严重不足，德国人首先研制出以锰-氮代替部分镍的不锈钢。20世纪50年代美国人因为同样理由，经深入研究，将锰-氮代镍钢定型，开发了高锰系列奥氏体不锈钢，即200系列不锈钢。

    我国镍资源匮乏，铬资源也不丰富，以锰、氮代镍，开发和推广200系列不锈钢不仅可以降低不锈钢成本，还有深刻的战略意义。印度在200系列不锈钢推广应用方面走在世界前列，目前全世界200系列钢70%以上是印度生产的，值得我们借鉴。

2、200系列不锈钢特点

    200（Cr-Mn-Ni）系列不锈钢常见牌号的化学成分如表1。200系列以锰、氮代镍，材料成本显著降低。但降低镍柏，为保持奥氏体组织必须有足够高的锰、碳和氮来增加镍当量。200系列钢具有以下特性：（1）固溶处理后的抗拉强度偏高，一般为800-1100MPa，而且无法将抗拉强度降下来；（2）冷加工硬化率成本增加；（3）钢丝具有优良的耐磨性能；（4）钢丝弯曲成形和冷顶锻性能较差；（5）传统的200系列钢，对晶间腐蚀很敏感，而且加稳定化元素也无法改变其敏感性；（6）部分钢（如205，2Cr15Mn15Ni2n）由于其稳定奥氏体元素含量相对比304高，抗磁性能优于304。鉴于上述特性，201，202和205等钢丝主要用于制作弹簧、筛网和精密轴等。

表1  200（Cr-Mn-Ni）系列不锈钢各成分质量分数  %

牌号 C Mn Si P S Cr Ni Mo Cu N
1Cr17Mn6Ni5N(201) ≤0.15 5.50-7.50 ≤1.00 ≤0.060 ≤0.030 16.0-18.0 3.50-5.50 　 　 ≤0.25
1Cr18Mn8Ni5N(202) ≤0.15 7.50-10.0 ≤1.00 ≤0.060 ≤0.030 17.0-19.0 4.00-6.00 　 　 ≤0.25
2Cr17Mn15Ni2N(205) 0.12-0.25 14.0-15.0 ≤1.00 ≤0.060 ≤0.030 16.5-18.0 1.00-1.75 　 　 0.32-0.40
1Cr18Mn10Ni5Mo3N ≤0.10 8.50-12.0 ≤1.00 ≤0.060 ≤0.030 17.0-19.0 4.00-6.00 2.8-3.50 　 0.20-0.30
2Cr15Mn15Ni2N 0.15-0.25 14.0-16.5 ≤1.00 ≤0.060 ≤0.030 14.0-16.0 1.50-3.00 　 　 0.15-0.30
1Cr17Mn15Ni2N 0.06-0.15 14.0-16.5 ≤1.00 ≤0.060 ≤0.030 16.0-18.0 1.00-3.00 　 　 0.32-0.40
0Cr18Mn8Ni5(204) 0.06 8.0 0.60 　 　 18.0 5.50 　 　 0.20
1Cr17Nm8Ni3Cu3N(204Cu) 0.09 7.8 0.60 　 　 16.5 2.5 　 　 0.20
0Cr17Mn6Ni5Cu2N(211) 0.05 6.0 　 　 　 17.0 5.5 　 　 0.20
0Cr20Mn8Ni6Mo2N(216) 0.06 8.3 　 　 　 20.0 6.0 　 　 0.37
0Cr15Mn12NiMoCuN(223) 0.08 12.0 　 　 　 15.5 0.5 　 　 ≥0.25

    为提高200系列钢在各种介质中的耐蚀性能，改善钢的冷加工和冷顶锻性能，达到用200系列钢代替304的目标，近年来主要从以下几方面着手开发新牌号：（1）以氮代替碳，稳定奥氏体，在提高强度同时提高耐蚀性能，如204，211，216；（2）适量添加Mo,Nb等元素，改善钢的抗点蚀、晶间腐蚀和抗应力腐蚀性能，如216，223；（3）加铜降低钢的冷加工硬化率，改善冷顶锻和冷成形性能，如204Cu,211,233。美国冶金学家、ASTM会员约翰·迈杰，用204Cu代替304的研究成果尤其令人鼓舞。

3、200系列中204Cu的性能特点

    迈杰在改型201(ω(C)=0.03%，ω（Mo）=0.2%)钢基础上分别添加质量分数为1%，2%和3%的铜，发现随Cu含量增加的屈服强度和抗拉强度稳步下降，见表2。

表2  铜对改型201力学性能的影响

牌号 固溶处理后 经80%冷加工
σb/MPa σs/MPa σb/MPa σs/MPa
改型201 803 380 1890 1652
ω(Cu）=1% 726 360 1703 1503
ω(Cu)=2% 692 344 1620 1096
ω(Cu)+3% 663 335 1517 1121
304 599 270 1415 1317

    204Cu由于ω(Cu)+3%，软化处理后的抗拉强度已与304接近，但其冷加工硬化率显著降低，如图1。

    从图1可以看出，冷拉减面率≤45%时，204Cu的冷加工硬化趋势基本与304和304FQ（304M）相近，减面率＞45%时，204Cu的冷加工硬化率明显低于304。取304，204Cu和改型201钢丝（φ3.5mm）在同样条件下进行冷顶锻试验，试验结果见表3。

表3   冷顶锻试验结果

牌号 σ0.2/MPa σb/MPa 盐雾腐蚀试验

冷顶锻试验裂纹率/%
304 262 628 无锈蚀 37，35，40（平均37）
204Cu 365 717 无锈蚀 3，1，2（平均2）
改型201 476 890 40%-60%锈蚀 72，93，68（平均78）

注：φ3.5mm钢丝经多道次模具冲顶成形，螺栓头部直径为钢丝的3.5倍。每个牌号取数百个螺栓，肉眼检查头问裂纹状况。

    从表3可以看出，改型201加ω（Cu）=3%的Cu后，耐盐雾腐蚀和冷成形能力有了根本性的改善。204Cu冷顶锻成形性能优于304，耐盐雾腐蚀能力与304相当。

    进一步试验证明，在5种常见酸性介质中，204Cu的耐腐蚀性能优于304，见表4。

表4  204Cu与304耐蚀性能

介质环境 试验时间/h 平均腐蚀率μm/a
204Cu 304
ω（H2SO4）=5%室温 3-48 0 12
ω（CH3COOH）=5% 3-48 0 0
沸腾ω（HCI）=1%室温 3-48 3 7
ω（HCOOH）=5%，176°F（80℃） 3-48 0 0
ω（HNO3）=65%沸腾 3-48 33 59
ω（FeCl3）=5% 24h直到出现裂纹 20℃* 20℃*
ω(NaNO3)=1%

注：（1）试验温度从0℃开始，每次升5℃，逐步上升到全部试样出现浸蚀裂纹的温度25℃为止。

（2）“*”为不产生浸蚀裂纹的最高温度。

4、结语

    204Cu与304相比，204Cu的抗拉强度和屈服强度高，冷加工硬化率低，冷成形性能好；在各种腐蚀环境中的耐蚀性能优于（至少是相当于）304；再加上200系列钢固有的耐磨损、材料成本低等优势，204Cu完全有可能取代304成为通用不锈钢。美国近年来在电子、通讯、安全防护、食品加工、能源和烟草加工行业大力推广204Cu，成效显著。

参考文献

1（美）DONALD PECKNE主编 不锈钢手册 顾守仁 周有德译 北京：机械工业出版社，1987.1569

2林慧国，腾长明，马韶弥，等 中国不锈钢·耐热钢·特殊合金钢号与标准手册 北京：中国不锈钢市场杂志社，1999.562

3John Magee.Development of Type 204Cu Stainless Steel,a Low-Cost alternate to Type 304.Wire Journal International,2002(5):84-90

作者简介

徐效谦  1947年生，高级工程师，大钢集团三大特殊钢钢丝有限公司副总经理。

　

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