开发廉价204Cu不锈钢代替304不锈钢

摘要：在改型201基础上添加3%的铜，开发出一种填补200系列和300系列之间空白的不锈钢。

304和204Cu不锈钢在20世纪才进入合金钢这个古老系列中。大约在1910年，在铁铬合金中添加镍，发明了奥氏体钢，通用的18-8型奥氏体钢成分含18%铬和8%镍。这种奥氏体钢除具有良好的延展性、韧性和无磁外，还具有在酸性介质中耐腐蚀的特性。

目前18-8型奥氏体钢已形成了一个完整的系列，美国钢铁协会颁布的牌号有300多个。18-8型最具有代表性的牌号是304，其他牌号是304成分为基础上，为改进某种性能，如力学性能、焊接性能、耐腐性能和成型性而开发的，关键元素是对钢的性能影响如图1所示。如加硫改进的切削性能、降低碳改进焊接性能、加钼改进耐蚀性能、加铜改进冷成型性。

到1930年因镍资源匮乏，德国人研究成功以锰和氮代替部分镍。朝鲜战争期间，美国人因为同样的原因，经深入研究，开发出一系列高锰奥氏体不锈钢，即200系列不锈钢。

韩鲜战争后一段时期，200系列钢一度陷入困难境地，人们对它能否代替300系列生产怀疑，直到1970年市场才发生重大变化。关键原因是：尽管200系列材料成本比300系列低，但抗拉强度高。随着304带材和丝材的用量迅速猛增，其加工成本低的优势在一定程度上弥补了材料成本偏高的弱点。而200系列钢由于冷加工硬化率高，加工成本居高难下。新开发的204Cu钢在200系列和300系列之间架起桥梁，填补了两者之间的空白。与304相比，204Cu由于镍含量低，材料成本低，由于加工硬化相近，加工成本也相近。同时204Cu成型性比304好，退火后强度高于304，这些特性对某些使用304钢的行业很有吸引力。

1、204Cu实验室研制

实验方案是以低镍奥氏体不锈钢——改型201为基础开发研究的，表1列出改型201和304常规成分，比较两者成分可以看出：改型201的碳、锰、氮的含量较高，而铬镍量较低，尽管改型201和304两者成分有很大差别，但从舍菲尔（Schaeffler）组织结构图上可以看出，两者成分当量基本相同。

表1  304及其试验用基础合金的化学成分/%

新试验钢是基础钢加1%、2%和3%的铜。

舍菲尔组织结构图原先用来判定不锈钢焊接后的铸态相组织，特别是铁素体的含量。现在依斯皮（Espy）对这个图做一些改进，并用于200系列钢的研制和开发。在这个图上，元素被分为铬当量和镍当量两种。铁素体形成元素分在铬当量中，奥氏体形成元素分在镍当量中。合金的金相组织取决于铬当量和镍当量平衡状况。304和改型201在组织结构图上都处于黑色矩形框位置，两者具有相近的铸态铁素体含量，可铸造性和焊接性能也基本相当。对于丝材产品，由于热加工过程的扩散作用，钢中铁素体含量一般都有所减少。

从图2还可以看出，这两种钢接近马氏体区，所以加工时容易产生马氏体转变。另外304和改进型201都处于奥氏体区域的底部，意味着奥氏体合金含量最低，两者都是最经济的。相比之下，因为镍是较贵的合金元素，改型201含镍量小于6%，价格要便宜些。与304相比，改型201的最大不足是冷加工硬化率高，导致带材和丝材制品加工成本增加，制造难度增大。根据以往经验，在奥氏体钢中增加铜，能降低钢的冷加工硬化率，改进钢的成型能力，防止冷加工时产生形变马氏体。在舍菲尔组织结构图上，铜属于奥氏体形成元素。为此决定在改型201基础上添加1%，2%和3%的铜，以降低钢的冷加工硬化率，改善成型性能和耐蚀性能，最终目的是开发一种性能介于304和改进型201之间的新钢号。

     图2  舍菲尔不锈钢组织结构图（经依斯皮修订）

2、实验室评价

四炉分别含0.2%、1%、2%和3%铜的改型201钢锭，被顺利的热加工成0.2英寸（5.1mm）厚，1英寸（25.4mm）宽的退火带坯，含0.2%铜的炉号作为改型201。另外，将25.4mm的304钢棒也加工成5.1mm厚，25.4mm的退火带坯。由于铜对热中工非常不利，所以保证高铜钢热加工是非常关键的环节。5个钢号的退火带坯，按5%-80%的加工率，冷轧成不同规格的钢带。将退火和冷轧钢带取样测定硬度，其加工硬度化趋势如图3。其结果，改型201的硬化率最高，添加铜能明显地降低冷加工硬化率，当含铜含量达到3%时，钢的冷加工硬化率已与304基本相同。

对经80%加工率冷轧的钢带及轧后退火的钢带分别进行力学性能检测，图4和图5分别显示了5个牌号钢带在不同状态下的屈服强度和抗拉强度（译者注：1ksi=6.896MPa）。在退火条件下，改型201比304和含3%铜的钢具有更高的屈服强度和抗拉强度，钢的强度随含铜量增加而降低。改型201的屈服强度和抗拉强度最高，而含铜3%的钢，屈服强度稍低于304，添加3%的铜对加工硬化有益的作用得到证实。基于带材实验的良好结果，决定试制丝材，考查含铜3%的钢丝是否具有与304相近的冷拉强度，变形能力和耐蚀性能。

3、204Cu生产试验评价

冶炼一炉含铜3%的钢（现在定名为204Cu），连续浇注，顺利地热轧成5.6mm的盘条。将盘条退火，以5%-60%的不同减面率拉拔成钢丝，测定冷拉抗拉强度。同时有两个不同的炉号304作对比测试（按标准生产），为降低冷加工硬化率，其中一炉304含镍量较高（9.5%）。图6和图7显示了屈服和抗拉强度随冷拉减面率变化的情况，当冷拉减面率小于50%时，三种钢的强度增高比例基本一致。当减面率达到60%以上时，304的抗拉强度急剧上升，而204Cu的屈服强度已接近304，抗拉强度反而低于304。

生产试验证明：204Cu可以按304工艺路线拉拔出成品钢丝，因为204Cu镍的含量较低（仅为6%），其最终生产成本比304低。镍的价格按3美元/磅计算，每磅204Cu可节约材料成本约10美元分。如果镍的价格按4.5美元/磅计算，材料节约费用更多。3美元/磅到4.5美元磅是近4年来镍价正常波动的范围。

表2  性能对比数据

注：在冷锻机上将头部镦扁（厚0.093英寸，2.36mm），镦到钢丝直径的1/3.5。

开发方案的另一项内容是比较204Cu与304的变形能力和耐蚀性能。将340FQ（高镍）、改型201和204Cu三个钢号的热轧退火5.6mm的盘条，拉拔成3.53mm的钢丝，再进行成品退火，并对三种钢丝进行抗拉强度、冷顶锻和盐雾腐蚀试验，试验结果如表2。其中，改型201退火钢丝抗拉强度最高，204Cu次之，304最低。冷顶锻试验是用来比较三种钢的变形能力的，选用制作紧固件的模锻机，经两个道次顶锻成形，如图8所示。每钢号都顶锻出数百个零件，检验这些零件的裂纹状况，裂纹百分比小的，冷变形能力较好。结果显示：改型201冷顶锻裂纹率最高，变形能力最差。204Cu制作的零件裂纹率远低于成形能力较好的304，裂纹率之比为2:37。上述结果出乎意料，但充分证明204Cu是介于300系列和200系列之间，具有较高变形能力的奥氏体不锈钢。盐雾试验是将试样存放在95℃，气氛中含有5%NaCl的密封室内，存放时间为96小时，经肉眼观察，只有改型201表面有锈蚀，204Cu具有与304试样相同的抗盐图腐蚀性能。此外，还用熔铸的204Cu和304试样进行耐腐蚀实验，实验结果如表3。腐蚀实验选用几种常规酸性气氛，包括硫酸、盐酸、醋酸、甲酸和硝酸。硝酸气氛通常用来检验钢的耐晶间腐蚀性能，耐氯化物缝隙腐蚀性能通常用在临界温度下缝隙尺寸大小来衡量。实验结果显示：在含氯气氛中，204Cu具有与304相同的耐缝隙腐蚀性能。由于对合金元素铬、钼、氮和镍进行了仔细的平均计算，204Cu在酸性溶液和氯离子气氛中都具有良好的抗腐蚀性能。

表3  204Cu和304的各种耐蚀性能比较

注：从0℃开始试验，然后每次升高5℃，一直上升到所有钢号都产生侵蚀裂纹，25℃为止。

*表示不产生侵蚀裂纹的最高温度。

综上所述，204Cu钢丝的研制获得成功，从冶炼到成品钢丝的生产成本都比较低。与304相比，204Cu退火后强度高，冷加工硬化率低，在各种腐蚀介质中耐蚀性能基本与304相同，变形能力比304更好。良好的性能使204Cu很快进入商业化的批量生产阶段，并以204Cu的牌号纳入新标准（ASTM A313-1998）中，美国钢铁协会UNS系统定名为S20430。

4、实际应用

由于304是通用钢号，能替代304的204Cu也具有潜在的广泛的工业应用前景。在计算机、通讯、安全防护、食品制作、能源和烟草加工业都具有大量使用的可能性。例如，计算机需要高强度、无磁性、冷成形、抗磨损的传动轴，选用300系列的302HQ无法满足抗磨损的要求，而且要达到需要的高强度必须经大减面率拉拔。选用200系列钢，如改型201，制作无裂纹的传动轴，成形困难。204Cu填补了这个空白，将高强度与良好的成型性能完美地结合在一起，是最优良的首选材料。

在电话通讯行业，架空的电话线需要用架空线固定，多年来考虑到防锈、耐潮湿和耐盐雾腐蚀，一直选用304钢丝。204Cu应该是最好的替代材料，用204Cu生产架空线的试验也获得成功，生产工人认为：204Cu减面率比较小，相对304来说，更容易拉直。此外，204Cu生产成本低，耐盐雾腐蚀实验证明，架空线不容易生锈。

工业上常用的紧固件是梯形丝扣的螺栓，这种紧固件多用来固定房屋面板及地下污水管，螺栓成形及螺纹轧制一直是紧固件生产难关，但使用204Cu来制作没有遇到什么困难。

在安全防护行业，最常见的产品是刺钢丝，该产品由带刺部件和加强钢丝组成，加强钢丝具有很高的抗拉强度（大于200ksi），还必须保持良好的成型性能，要耐大气腐蚀，采用204Cu大减面率拉拔，已成功地生产出直径2.5mm盘卷钢丝，其生产成本低于304，204Cu已经被纳入ASTM A313《不锈弹簧钢丝》标准中。

大量的304钢丝用于制作各种传输网带，各种传输网带制作工艺不同，但基本要求是钢丝必需具有良好的弯曲性能，能轧扁，并具有良好的焊接性能。由于钢丝常被用作强化筋，所以必须具有很高的抗拉强度。不锈钢传送带在食品制作业广泛应用，如粉碎机传送带，将饼干和其他食品送入烤炉中的传送带等。用204Cu钢丝制作的食品用传送带，其化学成分获得了FDA（美元教育和福利部，粮食和药物管理局）的认可。

筛网钢丝通常用在煤的分选设备上，从泥浆中筛出煤粉。泥将腐蚀性强，而且煤矿粉对筛网的磨损很厉害，腐蚀和磨损的双重作用使环境变得很恶劣，如用碳钢和410型不锈钢根本承受不了这种腐蚀，不得不采用寿命更长的304钢，204Cu的价格优势对筛网业很有吸引力，现在204Cu已广泛用于这个行业。

最新开发的应用领域是烟草加工业，输送烟草筐蓝的合页销柱，原来用玻璃纤维制作，因其强韧性较差，经常导致机器故障停车。最近试用204Cu，其低成本，良好的耐腐蚀性能和优异的强韧性引起了人们的关注，初步试用成功，该行业正考虑签订试供订单。

许多习惯用302、304和430系列不锈钢丝的领域已经认识到204Cu的优越性，估计204Cu每年实际用量已达10万t左右。

5、结论

本次研制的目标是开发一种价格低廉、代替304的牌号，通过在改型201中加入3%的铜，开发了一个新牌号，其生产成本介于300系列和200系列之间，已定名为204Cu。204Cu由于镍含量低（6%），价格比304便宜，由于钢中加铜降低冷加工硬化率，成型性优于改型201和304。由于仔细平衡钢中合金元素铬、钼、锰、氮和镍的含量，钢的腐蚀性能与304相当。