淺談鈮在不銹鋼中的應(yīng)用

1、    淺談鈮在不銹鋼中的應(yīng)用         1 前言鈮是一種過(guò)渡族元素，位于第五周期VB族，原子量約為93，遠(yuǎn)大于鐵元素的原子量（56），因此，常用于固溶強(qiáng)化提高材料強(qiáng)度。同時(shí)鈮也是一種強(qiáng)鐵素體形成元素，通過(guò)成分設(shè)計(jì)可以對(duì)鋼的奧氏體、鐵素體含量進(jìn)行微調(diào)。鈮還是一種強(qiáng)碳氮化物形成元素，通過(guò)鈮與鋼中的碳、氮元素形成碳氮化物，改善材料耐晶間腐蝕性能并達(dá)到細(xì)化晶粒、析出強(qiáng)化的效果。由于鈮的諸多作用，國(guó)外對(duì)含鈮不銹鋼的研究應(yīng)用非常重視，到現(xiàn)在已有70余年的歷史，形成了一整套含鈮不銹

2、鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)。我國(guó)從上世紀(jì)70年代才開(kāi)始進(jìn)行含鈮不銹鋼的研究，起步較晚，但經(jīng)過(guò)科研工作者的不懈努力，已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域取得了進(jìn)展。2 鈮在不銹鋼中的應(yīng)用針對(duì)鈮在不同不銹鋼中的行為和不同的作用，結(jié)合各個(gè)領(lǐng)域?qū)Σ讳P鋼性能的要求，含鈮不銹鋼發(fā)展出了多個(gè)系列，品種涉及奧氏體、鐵素體和馬氏體等多種組織結(jié)構(gòu)的鋼種，產(chǎn)品包括冷軋板、熱軋板、管坯、鍛件以及中厚板等，含有多種規(guī)格。2.1 汽車排氣系統(tǒng)用含鈮不銹鋼隨著國(guó)內(nèi)汽車消費(fèi)的不斷攀升，我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展迅猛。根據(jù)歐、美、日資料，每輛轎車排氣系統(tǒng)用不銹鋼15kg-20kg左右，市場(chǎng)巨大。汽車排氣管（見(jiàn)圖1）是汽車上的高溫部件，與發(fā)動(dòng)機(jī)緊接的排氣歧管的溫度甚至達(dá)到

3、了700-1000。同時(shí)，由于汽車排氣管中排氣冷凝后的濃縮水中含有氯離子、硫離子等，是極苛刻的腐蝕環(huán)境，需要排氣管材料有較好的耐蝕性能。另外，隨著汽車技術(shù)的發(fā)展以及人類對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)排氣系統(tǒng)使用的材料也不斷提出新的要求。以汽車排氣歧管為例，最開(kāi)始使用的是鑄鐵件，由于汽車“輕量化”的要求，沉重的鑄鐵件被較輕的低鉻鐵素體不銹鋼所替代；隨著汽車尾氣排放的要求越來(lái)越高，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)溫度也越來(lái)越高，高溫性能差的低鈮鐵素體不銹鋼被高溫性能好的高鈮鐵素體不銹鋼所取代。太鋼生產(chǎn)的排氣系統(tǒng)用不銹鋼材料包括SUH409L、429、439M、441等牌號(hào)。不同的牌號(hào)根據(jù)其特點(diǎn)被應(yīng)用到排氣管不同的部位。&

4、#160;鐵素體不銹鋼的導(dǎo)熱性能好、熱膨脹率低，是制造排氣管這類需要導(dǎo)熱的部件的理想材料，但鐵素體不銹鋼的高溫強(qiáng)度不足，影響了其在排氣管領(lǐng)域的應(yīng)用。通過(guò)研究，人們發(fā)現(xiàn)鈮在高溫下也有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，可以顯著提高鐵素體不銹鋼的高溫強(qiáng)度，另外，通過(guò)添加鈮使得鐵素體不銹鋼在高溫下形成細(xì)小的含鈮析出物，也可以提高鐵素體不銹鋼的高溫強(qiáng)度。因此，排氣管歧管材料從過(guò)去的低鈮的409向高鈮的441、429牌號(hào)轉(zhuǎn)變。鈮在這類不銹鋼中不但能夠提高高溫強(qiáng)度，還能夠提高綜合性能。409不銹鋼作為汽車排氣系統(tǒng)一個(gè)專用的鋼種，約占整個(gè)排氣系統(tǒng)用不銹鋼比例的65%。最早開(kāi)發(fā)出的409全部為鈦單穩(wěn)定化不銹鋼，通過(guò)鈦與不銹鋼

5、中的碳、氮形成化合物，從而穩(wěn)定碳氮。鈮也是強(qiáng)碳氮化物形成元素，在鈦單穩(wěn)定的409中添加鈮，形成鈮鈦雙穩(wěn)定的SUH409L，與傳統(tǒng)的鈦單穩(wěn)定409不銹鋼相比，提高了表面質(zhì)量、成形性和焊接性能，并具有良好的高溫強(qiáng)度、抗蠕變性、熱疲勞性、耐高溫氧化性和耐蝕性。2.2 鐵路貨車用含鈮不銹鋼近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全國(guó)鐵路貨運(yùn)需求居高不下，鐵路運(yùn)輸緊張成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要“瓶頸”。鐵路貨車由于要裝載具有輕度腐蝕的貨物，必須有一定的耐腐蝕性能；同時(shí)，由于貨車車體是通過(guò)焊接制造的，材料必須擁有較好的焊接性能；我國(guó)氣候條件復(fù)雜，低溫下焊接部位的韌性也嚴(yán)重影響著貨車的壽命。過(guò)去國(guó)內(nèi)鐵路貨車采用

6、的車體材料主要是耐候鋼，根據(jù)鐵道部組織車輛腐蝕調(diào)查的數(shù)據(jù)顯示，車體墻板、地板、門板等部位腐蝕嚴(yán)重。車體材料耐腐蝕性差，造成鐵路貨車檢修周期短、使用效率低，檢修費(fèi)用和運(yùn)用成本高，綜合經(jīng)濟(jì)效益差。3CR12鐵素體不銹鋼最早由安賽樂(lè)米塔爾集團(tuán)所屬的南非哥侖布廠在20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)，具有中等的耐蝕性、良好的可焊性，在國(guó)外貨車車輛等方面得到成功應(yīng)用，但焊接熱影響區(qū)低溫韌性差的特點(diǎn)也阻礙了其在我國(guó)貨運(yùn)上的應(yīng)用。2002年太鋼開(kāi)始研究鐵路車輛用鐵素體不銹鋼；2003年由太鋼提供材料，株州車輛廠生產(chǎn)了第一輛C80B不銹鋼車（見(jiàn)圖2）。2005年開(kāi)始與北車集團(tuán)合作，推廣應(yīng)用TCS不銹鋼作為貨車車體材料，并首先

7、應(yīng)用于C80B運(yùn)煤車上，在大秦鐵路進(jìn)行運(yùn)行考驗(yàn)。2006年太鋼正式開(kāi)始生產(chǎn)TCS345、T4003不銹鋼供應(yīng)鐵道部，至今已生產(chǎn)TCS345、T4003不銹鋼約20萬(wàn)t，大秦鐵路上運(yùn)行的23000輛C80B不銹鋼車的車體材料幾乎全部由太鋼提供，此外所有新造貨車制動(dòng)風(fēng)缸用的不銹鋼也由太鋼提供。與國(guó)外同類材料相比，太鋼生產(chǎn)的TCS345、T4003不銹鋼加入鈮調(diào)整鐵素體；馬氏體含量，同時(shí)通過(guò)鈮鈦雙穩(wěn)定保證焊接熱影響區(qū)耐晶間腐蝕性能、析出碳氮化鈮鈦細(xì)化焊接熱影響區(qū)晶粒，大大提高了該材料焊接熱影響區(qū)的低溫韌性。目前太鋼生產(chǎn)的TCS345、T4003不銹鋼實(shí)物水平已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)國(guó)外同類材料水平，除供應(yīng)鐵道

8、部外還出口到澳大利亞和美國(guó)等地。 2.3 含鈮超純鐵素體不銹鋼由于冶煉水平的限制，鐵素體不銹鋼的碳、氮含量一直較高，晶間腐蝕問(wèn)題一直無(wú)法得到解決，同時(shí)鐵素體不銹鋼還有成形性能較差的特點(diǎn)，這些問(wèn)題都阻礙了鐵素體不銹鋼在民用領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著冶煉技術(shù)的發(fā)展，鐵素體不銹鋼的碳、氮含量降低到極低水平，另外，在超純鐵素體不銹鋼中加入鈮元素，形成小顆粒的碳氮化鈮，進(jìn)一步降低了基體中的碳、氮元素含量，實(shí)現(xiàn)了超純鐵素體不銹鋼的冶煉，改善了鐵素體不銹鋼的耐晶間腐蝕性能。民用不銹鋼領(lǐng)域，包括餐具、城市裝飾、電梯制造、面板等行業(yè)，過(guò)去以傳統(tǒng)304不銹鋼為主，由于304不銹鋼含8%-10%的鎳元素，因此其價(jià)格

9、隨鎳價(jià)波動(dòng)很大。近年來(lái)，超純鐵素體不銹鋼的問(wèn)世打破了這一僵局，鐵素體不銹鋼的綜合性能已接近304的水平。而伴隨著節(jié)約資源的理念深入人心，不含鎳或少含鎳的超純鐵素體不銹鋼以其優(yōu)異的性價(jià)比和優(yōu)良的綜合性能在民用不銹鋼領(lǐng)域逐漸取代了304不銹鋼。這些領(lǐng)域?qū)Σ牧嫌凶约旱囊螅珉娞蓊I(lǐng)域要求材料表面應(yīng)具有優(yōu)異的耐蝕性、良好的板型和漂亮的外觀，同時(shí)還要減輕視覺(jué)影響，避免光污染；廚具在加熱過(guò)程中要求具有良好的導(dǎo)熱性能，同時(shí)還需要受熱均勻；而作為城市景觀，特別是沿海城市，不但要求表面美觀，還必須保證建筑物免受“飛鹽”的危害。同時(shí)，這些領(lǐng)域都要求材料具有較好的成形性能，以便制成所需的形狀。研究表明，鈮在鐵素休

10、不銹鋼中能夠穩(wěn)定碳、氮元素，減少基體中的碳、氮間隙原子，從而大大提高材料的深加工性能。因此，導(dǎo)熱性好的含鈮超純鐵素體不銹鋼是民用不銹鋼領(lǐng)域的理想材料。太鋼生產(chǎn)的含鈮超純鐵素體不銹鋼主要包括TTS439、TTS443（M）、444和TTS446等牌號(hào)，其中TTS439用于電梯領(lǐng)域，443用于餐具、電梯制造領(lǐng)域，444用于水箱及太陽(yáng)能熱水器制造，446用于濱海電站制作冷凝管。2.4 含鈮耐熱不銹鋼火力發(fā)電是指利用煤、石油、天然氣等自然界蘊(yùn)藏量極其豐富的化石燃料發(fā)電。近年來(lái)，我國(guó)電力工業(yè)整體規(guī)模有所提高。從總體看，我國(guó)火電占全部發(fā)電能力的比重在80%以上。目前，低于30萬(wàn)千瓦級(jí)的中小機(jī)組效率低、煤耗

11、高，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重且占的比例較大，急待以高參數(shù)、高效大機(jī)組和潔凈的燃燒技術(shù)來(lái)替代中小機(jī)組，因此近年來(lái)國(guó)家大力推行60萬(wàn)千瓦級(jí)的超臨界和100萬(wàn)千瓦級(jí)的超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)，同時(shí)關(guān)閉小型火電廠，減少污染?；鹆Πl(fā)電電站鍋爐行業(yè)用不銹鋼主要為不銹鋼無(wú)縫鋼管（見(jiàn)圖3）。亞臨界機(jī)組的典型參數(shù)為16.7MPa/538/538，其發(fā)電效率約為38%。超臨界機(jī)組的主蒸汽壓力通常為24MPa左右，主蒸汽和再熱蒸汽溫度為538-560；超臨界機(jī)組的典型參數(shù)為24.1MPa/538/538，對(duì)應(yīng)的發(fā)電效率約為41%。超超臨界機(jī)組的主蒸汽壓力為25MPa-31MPa，主蒸汽和再熱蒸汽溫度為580-610，發(fā)電效率可達(dá)

12、45%。也就是說(shuō)超臨界機(jī)組的熱效率比亞臨界機(jī)組的高20/-3%左右，超超臨界機(jī)組的熱效率比超臨界機(jī)組的高4%左右。而蒸汽壓力從亞臨界機(jī)組的16.7MPa，提高到了超臨界機(jī)組的24MPa左右和超超臨界機(jī)組的25MPa-31MPa；蒸汽溫度從亞臨界機(jī)組的538提高到了超臨界機(jī)組的538-560左右和超超臨界機(jī)組的580-610左右。 由于電站鍋爐中不銹鋼管工作環(huán)境惡劣（溫度高、壓力高還兼有一定的腐蝕），要求鋼管必須長(zhǎng)期在高溫高壓下工作并有一定的耐蝕性，因此大多數(shù)不銹鋼都無(wú)法勝任這種工況。目前，多采用高溫強(qiáng)度較高的含鈮奧氏體不銹鋼作為原料。太鋼生產(chǎn)的含鈮不銹鋼管坯主要包括：TP347H、C

13、ODE CASE 2328-1、CODE CASE 2115-1、13Cr、TGOGl3Cr-1、TGOGl3Cr-2、SUPl3Cr、T4356。這類奧氏體不銹鋼中需要通過(guò)加鈮形成化合物穩(wěn)定化奧氏體基體，提高材料的蠕變強(qiáng)度、持久強(qiáng)度、抗氧化r生能、加工性能以及抗晶間腐蝕性能。2.5 含鈮高強(qiáng)度不銹鋼隨著航天事業(yè)以及國(guó)防事業(yè)的發(fā)展，對(duì)材料的性能也提出了新的挑戰(zhàn)。在苛刻的工作環(huán)境下，材料不但需要有非常高的強(qiáng)度，還需要較好的耐蝕性能。比如制造飛機(jī)起落架，過(guò)去主要使用高強(qiáng)度碳鋼如AerMet100鋼、300M鋼，通過(guò)在碳鋼表面進(jìn)行電鍍達(dá)到一定的耐腐蝕效果。由于電鍍過(guò)程以及電鍍鎘層本身對(duì)環(huán)境有一定的污

14、染，因此人們希望尋找它們的替代品，而高強(qiáng)度不銹鋼則是較好的選擇。顧名思義，高強(qiáng)度不銹鋼要求材料具有較高的強(qiáng)度，高強(qiáng)度不銹鋼的抗拉強(qiáng)度一般都在700MPa-800MPa以上，有的甚至高達(dá)1700MPa，因此多為馬氏體不銹鋼。含鈮高強(qiáng)度不銹鋼是高強(qiáng)度不銹鋼中一個(gè)重要的系列，主要牌號(hào)有17-4PH、15-5PH、Custom 450以及Custom 455，典型應(yīng)用案例包括美國(guó)F15戰(zhàn)斗機(jī)起落架、F111戰(zhàn)機(jī)鑄件使用了17-4PH不銹鋼，波音767起落架、XB-70飛機(jī)主要負(fù)荷軸承以及大鍛件、CA5和C17運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)裝備零件使用了15-5PH不銹鋼。還有多種飛機(jī)緊固件（螺栓、銷等）、配件、蒙皮、閥門、齒輪、彈簧和刃具等均使用了含鈮高強(qiáng)度不銹鋼。高強(qiáng)度不銹鋼要求高強(qiáng)度的同時(shí)還需要不銹鋼的塑韌性不能太差。添加鈮不但可以對(duì)馬氏體基體進(jìn)行固溶強(qiáng)化，還可以通過(guò)在馬氏體基體中析出細(xì)小彌散的碳化鈮達(dá)到析出強(qiáng)化的作用，從而在不影響材料其他性能的同時(shí)大幅度提高材料的強(qiáng)度。3 展望隨著人類環(huán)保意識(shí)