铁素体不锈钢特性及其应用

   1　引言
 
   不锈钢在如今已得到广泛应用，这是因为它具有许多优越特性，如可成形性、强度及耐腐蚀性。不锈钢开始商业化生产并作为材料用于各种用途大约只有短短50年的历史。304型及430型不锈钢因其最常用而为大家所熟知，其产量占到不锈钢总产量的一半以上。但是，近十年来对不锈钢的需求显著增长，因此，人们一直在开发适用于各种用途的不同种类的不锈钢。

   以430型不锈钢为代表的铁素体不锈钢的生产成本比奥氏体不锈钢要低。因而，用铁素体不锈钢来制造的产品现在发展很快，例如，铁素体不锈钢的用途之一是汽车尾气排放控制系统[1，2，3]。为了这种用途，已经开发了许多种铁素体不锈钢。

   本文介绍铁素体不锈钢的主要特性，如耐腐蚀性、可成形性、韧性及高温强度特性。此外，还回顾了基于铁素体不锈钢特性的各种应用。

   2　标准铁素体不锈钢
         JIS（日本标准协会）、ASTM（美国材料试验学会）以及EN（欧洲标准）包括了名义成分分别为11%Cr(409,410)，18%Cr(430,436,444)，22%Cr（445）以及30%Cr(447)的各种铁素体不锈钢，其中的一些品种含有稳定化元素钛及铌。铬含量的多少旨在谋求耐腐蚀性及韧性之间的平衡。这些钢种允许碳和氮的含量在0.01%～0.03%之间，而铌和/或钛的添加量在8（C+N）～0.8%之间，以固定溶质碳和氮。近来，含铌和/或钛元素的铁素体不锈钢主要应用在建筑物的屋顶和幕墙以及汽车尾气排放控制系统中。

   3　铁素体不锈钢的抗大气腐蚀性

   由于铁素体不锈钢具有良好的抗大气腐蚀性，近来一直被用作建筑物的屋顶和幕墙[4]。但是，离海较近地区的大气环境特别恶劣，尤其是来自海水的空气中悬浮微粒是相当强的腐蚀性物质，因此，使用在这些环境下的高铬铁素体不锈钢得到了开发。表1给出了具有代表性的抗大气腐蚀的不锈钢的化学成分。这种不锈钢含有高铬和高钼，并添加了少量的铌和钛。该钢种实际含22%的铬和1.2%的钼，足够的铬和钼对改善不锈钢的抗点蚀能力是必不可少的[8]。图1显示了各种不锈钢试样在经过周期腐蚀试验后的生锈面积[4]。304型和316型奥氏体不锈钢随着试验周期次数的增加，生锈面积显著增多。相反，如444型及研发钢种这样的铁素体不锈钢，在前600次试验周期内，生锈面积稍微增加，而在经过更长的试验周期后，生锈面积处于饱和状态。研发钢种（22Cr-1.2Mo-Nb-Ti）则显示出其在任何试验周期生锈面积均为最少的特性。

   表1  用于大气腐蚀环境下的铁素体不锈钢的化学成分/%
 

 
 
   图1  周期腐蚀试验后试样的生锈面积

 
   图1  周期腐蚀试验后试样的生锈面积

   4　铁素体不锈钢的抗晶间腐蚀性

   410L或409型不锈钢由于具有良好的抗腐蚀性、成型性及耐热性而被用作汽车尾气排放控制系统材料。近几年来，汽车排气的设计温度提高了，这是因为汽车排气温度的升高能够提高催化转化器的转化效率，减少有害气体诸如NOx、SOx以及碳氢化合物（HC）的排放量[6]。但温度的提高可能导致材料的腐蚀条件更恶劣。例如，在排气温度下碳化铬将在消音器上产生沉积物，即在400～500℃的温度下，将导致晶界贫铬，发生晶间腐蚀。由于焊缝区域对晶间腐蚀特别敏感，有必要对含12%Cr的铁素体不锈钢提高其耐腐蚀性。解决此问题的另一条途径是研发新的铁素体不锈钢。其中一例是对含12%Cr的钢中添加铌。这些钢作为耐晶间腐蚀材料广泛应用于汽车尾气排放系统中，如前管、中管及消音器上（见表2）[3]。

   表2  用于晶间腐蚀条件下的铁素体不锈钢的化学成分/%

 

     对于含12%Cr的铁素体不锈钢添加铌和钛以提高焊缝耐晶间腐蚀性的研究结果如图2所示[3]。众所周知，降低钢中的碳和氮含量对防止晶间腐蚀是相当有效的[7]。这样，在钢中添加铌和钛就可以进一步提高其耐晶间腐蚀性。
 
      

  
   5　铁素体不锈钢的可成形性

   铁素体不锈钢的用途是如此的广泛，每种用途所要求的性能又各自不同。然而，铁素体不锈钢的可成形性比奥氏体不锈钢如304钢要差。尽管铁素体不锈钢的γ值、即深冲性指数在1.0～2.0较宽的范围变化，但n值，即延展性指数有限，约为0.2，比奥氏体不锈钢的0.4～0.65低（如图3所示）[8]。对于拉延成型制品，很难用铁素体不锈钢代替奥氏体不锈钢，这就必须改变制品设计，把它设计成拉延成型的形状[9]。
  
      图3  铁素体及奥氏体不锈钢的γ值与n值

   于是，关于铁素体不锈钢可成形性的许多研究已开展起来，特别是对其深冲性的研究更具有深远意义。就铁素体不锈钢的可成形性而言，对加入钛和/或铌的效果也一直在进行研究。结果表明加入钛和/或铌是一种使铁素体不锈钢获得良好的深冲性的最有效的方法之一[10、11]。对改善深冲性能所必须添加的钛量与碳和氮的含量有关。适量的钛使铁素体不锈钢获得良好的平均γ值（见图4）[10]。此外，经钛稳定化处理的钢板的优良深冲性与基体组织的结构组分有很强的关系，而基体组织取决于冷轧变形量及退火温度[11]。
     

   图4  钛对0.01%C-16.5%Cr不锈钢平均γ值的影响

   403LX型不锈钢的基本化学成分见表3。它是典型的含有少量钛的铁素体不锈钢。由于这种钢较430钢有更好的可成形性（见表4）[9]和优越的耐腐蚀性，因此，其应用正显著地增加。

   表3  430LX铁素体不锈钢的化学成分/%

表4  430LX钢与430钢的力学性能（厚度0.5mm）

   6　铁素体不锈钢的韧性

   关于钛和铌对压力成形性的作用已进行了很多研究，其焦点主要集中于平均γ值的研究，所得出的结论是适量的这些元素可有效地改善压力成形性。但是，过量添加这些元素也会产生有害影响[12、13]。例如，随着钛和铌含量的增加，纵向裂纹的转化温度也随之提高（见图5）[12] 。即使铁素体不锈钢具有良好的平均γ值，但韧性—脆性转变温度可能对深冲性造成损坏。由于转变温度对可成形性是决定性的因素之一，在较高的转变温度的情况下，变形可能难以进行。

  
  
 
     图5  Ti/(C+N)和Nb/(C+N)对转化温度的影响

     7　铁素体不锈钢的高温强度

     409L（11Cr-Ti）不锈钢被用作汽车排气歧管的材料，排气温度设计为大约800℃。当排气温度约为900℃时，使用430J1L（18Cr-0.4Nb-0.5Cu）不锈钢。但是，排气温度还在提高，这就要求进一步提高不锈钢的质量。这样，传统的高铬铁素体不锈钢的耐热性就不能满足排气歧管的要求。因此，对具有成本竞争性的耐高温铁素体不锈钢一直有强烈的需求。考虑到这种需求，一直在研究加入铌和钼对高温性能的影响 [1] 。改变退火温度以弄清楚固溶处理和沉淀硬化处理对18Cr-2.0Mo-0.5Nb钢以及18Cr-2.2Mo-1.0Nb钢在1000℃下的高温强度的影响（如图6所示）。对于18Cr-2.2Mo-1.0Nb钢来说，随着退火温度超过1050℃，其屈服应力显著增加，其曲线与18Cr-2.0Mo-0.5Nb钢的曲线完全不同。如图6所示，对于18Cr-2.2Mo-1.0Nb钢来说，随着退火温度的增加，0.2%屈服应力也随之增加。这可能是由于细小、分散的Fe2Nb Laves相析出的结果。考虑到上述高温特性以及可成形性和焊接性，就可确定排气歧管材料的最佳成分。18Cr-1Mn-2Mo-0.5Nb-Cu为高质量的排气歧管材料，14Cr-1Mn-1Si-0.5Nb-Cu为低成本的排气歧管材料。
  
     8　总结

   回顾了铁素体不锈钢及在日本新研发的一些不锈钢的主要特性。也介绍了铁素体不锈钢的主要用处。展示了22%Cr-1.2%Mo-0.25%Nb铁素体不锈钢突出的抗环境腐蚀性。这种不锈钢已应用于建筑物的屋顶和幕墙。

   在铁素体不锈钢中添加铌和/或钛，对提高其耐晶间腐蚀性具有有益的效果。因而研发了已经应用于汽车排气系统前管、中管及消音器的铁素体不锈钢。

   添加铌和/或钛是使铁素体不锈钢获得优良的深冲性能的最有效的方法之一。另一方面，铁素体不锈钢的拉延成型性比奥氏体不锈钢的要差。因此，对于拉延成型制品，当要用铁素体不锈钢代替奥氏体不锈钢时，则必须将制品设计成可拉延形状。

   铌和钼对提高铁素体不锈钢的高温强度是非常有效的。所以，为汽车排气歧管开发成功了含铌和钼的不锈钢。