鐵素體的應(yīng)用

現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用中國特鋼協(xié)會(huì)不銹鋼分會(huì)專家委員會(huì)—李天寶現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用

鐵素體不銹鋼系指鉻含量在10.5%～30%，具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)，在使用狀態(tài)下以鐵素體組織為主的不銹鋼。在許多應(yīng)用不銹鋼的環(huán)境中，由于現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的諸多特性和優(yōu)點(diǎn)，使不銹鋼材料的應(yīng)用從300系列奧氏體不銹鋼向400系列鐵素體不銹鋼的鋼種轉(zhuǎn)換。由于現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的諸多特性和優(yōu)點(diǎn)，使紫銅管，白銅管逐步被400系列鐵素體不銹鋼不同牌號(hào)的材料所替代。一、現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的諸多特性和優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換和替代的其他原因還有：冶金技術(shù)的提高，可實(shí)現(xiàn)C、N含量小于250ppm；冷軋技術(shù)的提高可實(shí)現(xiàn)高鉻含量的冷軋薄帶；可實(shí)現(xiàn)對(duì)照300系列不銹鋼相同使用環(huán)境來對(duì)照牌號(hào)的相互轉(zhuǎn)換?？梢赃m用紫銅管，白銅管的使用條件。銅和鎳價(jià)波動(dòng)很快，且波動(dòng)大，不能適應(yīng)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的需要。紫銅管，白銅管價(jià)格昂貴，失去了性價(jià)優(yōu)勢。由于環(huán)境保護(hù)政策的要求，限制了紫銅管，白銅管的使用環(huán)境，使超純鐵素體不銹鋼得到更廣泛的應(yīng)用。由此，在鐵素體不銹鋼應(yīng)用選材中，對(duì)其性能了解和應(yīng)用性能的掌握顯得尤其重要的。一、現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的諸多特性和優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用鐵素體不銹鋼可根據(jù)其所含鉻量的不同大致分為Cr11%～15%，Cr16%～20%和Cr21%～30%三大類。也可以分為五類鐵素體系列不銹鋼。其中三類為標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)，兩類為特殊牌號(hào)。迄今為止，用量最大和應(yīng)用范圍最廣的主要集中于標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)。因此，標(biāo)準(zhǔn)鐵素體不銹鋼一般完全能夠滿足和適用大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的要求。二、鐵素體不銹鋼分類現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用第1類（409或410L型）

這類鋼在所有不銹鋼中鉻含量最低，因而最便宜，最適合在沒有腐蝕或輕微腐蝕及允許有局部輕微生銹的環(huán)境下使用。409型不銹鋼起初專門為汽車排氣系統(tǒng)消音器（腐蝕不嚴(yán)重的外部）所設(shè)計(jì)。410L型不銹鋼常用于容器、公共汽車和長途大轎車，最近用作液晶顯示器的外框。二、鐵素體不銹鋼分類現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用第1類化學(xué)成分表二、鐵素體不銹鋼分類現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用二、鐵素體不銹鋼分類第2類（430型）

它是一類使用最廣的鐵素體不銹鋼，含有較高的鉻，具有較好的耐蝕性，其多數(shù)性能與304類似。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，可替代304型不銹鋼，一般在室內(nèi)使用具有足夠的耐蝕性。典型的用途包括洗衣機(jī)滾筒、室內(nèi)面板等。典型的430經(jīng)常作為304替代材料，用于廚房設(shè)施、洗碗機(jī)、壺和鍋等?，F(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用二、鐵素體不銹鋼分類第2類化學(xué)成分表現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用二、鐵素體不銹鋼分類第3類（包括430Ti、439、441等）與第2類相比，這類型牌號(hào)具有良好的焊接性和成形性。在多數(shù)情況下，其性能甚至優(yōu)于304。典型用途包括水槽、熱交換管（制糖業(yè)、能源等）、汽車排氣系統(tǒng)（比409壽命長）和洗衣機(jī)的焊接部位。第3類牌號(hào)甚至可替代304用于性能要求更高的場合?，F(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用二、鐵素體不銹鋼分類第3類化學(xué)成分表現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用二、鐵素體不銹鋼分類第4類（包括434、436、444型等）這類牌號(hào)通過添加鉬增加耐蝕性，其典型的應(yīng)用領(lǐng)域是熱水箱、太陽能熱水器、汽車排氣系統(tǒng)、電加熱壺和微波爐部件、汽車裝飾條和戶外面板等。444鋼的耐蝕性能與316相當(dāng)?，F(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用二、鐵素體不銹鋼分類第4類化學(xué)成分表現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用二、鐵素體不銹鋼分類第5類（包括446、445/447型等）

這類牌號(hào)通過添加更多的鉻和含有鉬來提高耐蝕性和抗氧化性。這類牌號(hào)的耐蝕性和抗氧化性優(yōu)于316。典型用途在沿海建筑，水熱交換器和其它含氯離子較高耐蝕環(huán)境。國產(chǎn)?？嵋惶?hào)的耐蝕性與金屬鈦相當(dāng)?，F(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用二、鐵素體不銹鋼分類第5類化學(xué)成分表現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用高質(zhì)量鐵素體不銹鋼已經(jīng)出現(xiàn)多年，通過大量的深入研究，目前已經(jīng)形成了系列性能優(yōu)異的商業(yè)牌號(hào)。這類鐵素體不銹鋼對(duì)市場和經(jīng)驗(yàn)豐富的生產(chǎn)企業(yè)來說并不陌生。但奇怪的是，大家對(duì)這類牌號(hào)似乎漠不關(guān)心，這是歷史原因造成的。430不銹鋼曾經(jīng)是早期唯一認(rèn)可的鐵素體不銹鋼種，但早期的用戶對(duì)這個(gè)鋼種的使用，特別是在焊接或腐蝕嚴(yán)重的條件下，沒有足夠的技術(shù)支持。經(jīng)過一些事件，在最近幾十年形成了鐵素體不銹鋼性能差而奧氏不銹鋼性能優(yōu)良的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。鐵素體不銹鋼很早就得到了改進(jìn)。現(xiàn)代技術(shù)的全面支持和鋼種的增加和多樣化來保證在性能上滿足用戶的需求。鐵素體不銹鋼的性能可與奧氏體不銹鋼相比，因此，把鐵素體不銹鋼認(rèn)為是性能差的或極其優(yōu)異都是錯(cuò)誤的。他們之間僅僅是性能和用途不同。三、鐵素體不銹鋼優(yōu)異的性能現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用三、鐵素體不銹鋼優(yōu)異的性能鐵素體不銹鋼特殊的優(yōu)異特性表現(xiàn)為：鐵素體不銹鋼有磁性。鐵素體不銹鋼的熱膨脹率低（加熱時(shí)膨脹程度小于奧氏體不銹鋼）。鐵素體不銹鋼的高溫抗氧化性好（表面氧化剝落傾向小于奧氏體不銹鋼）鐵素體不銹鋼熱傳導(dǎo)率高（鐵素體不銹鋼比奧氏體不銹鋼熱傳導(dǎo)更加均勻）。含有穩(wěn)定化元素鈮的鐵素體不銹鋼有良好的蠕變抗力（在長時(shí)間應(yīng)力作用下的應(yīng)變比奧氏體不銹鋼?。╄F素體不銹鋼比奧氏體不銹鋼更易于切削和加工（奧氏體不銹鋼的切削加工需要專用工具和大功率的機(jī)械，造成工具損耗也更大）。在冷加工變形時(shí)，鐵素體不銹鋼的形變回復(fù)傾向比奧氏體不銹鋼小鐵素體不銹鋼的屈服強(qiáng)度更高（與碳鋼相當(dāng)），高于304不銹鋼。鐵素體不銹鋼，不同于奧氏體不銹鋼，無應(yīng)力腐蝕斷裂傾向?，F(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用三、鐵素體不銹鋼優(yōu)異的性能耐蝕性不銹鋼之“不銹”是由于Cr含量賦予了其特殊的耐蝕性。從某種程度上來講，所有鋼種都有發(fā)生腐蝕的傾向，然而，不銹鋼由于其含鉻比碳鋼更耐蝕。鉻（不是鎳，但人們常誤以為耐蝕的原因是鎳）是不銹鋼獲得耐蝕性的主要成分。耐局部腐蝕性：不銹鋼在使用過程中通常不需要維護(hù)，但是，在某些情形下，為延長使用壽命，少量維護(hù)（例如，去掉沉積物）也是必要的。不銹鋼的耐蝕性主要取決于化學(xué)成分而與奧氏體或鐵素體相結(jié)構(gòu)無關(guān)。從耐蝕性角度來講，鐵素體相與奧氏體相甚至可以被看作是不銹鋼家族中兩個(gè)可互換的成員。五類鐵素體系不銹鋼與奧氏體304不銹鋼耐蝕性相比，非常鮮明地體現(xiàn)了鉻的作用，同時(shí)也進(jìn)一步說明含鎳（奧氏體）不銹鋼與大多數(shù)鐵素體不銹鋼的耐蝕性相當(dāng)?，F(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用三、鐵素體不銹鋼優(yōu)異的性能耐蝕性下圖給出的結(jié)果表明，只有含鉬的鐵素體不銹鋼比304不銹鋼具有更優(yōu)異的耐局部腐蝕（點(diǎn)蝕）性能。然而，穩(wěn)定化的鐵素體不銹鋼，在圖中盡管位于304不銹鋼之下，但是仍具有很好的耐點(diǎn)蝕性。典型的鐵素體/奧氏體/雙相鋼的耐局部腐蝕現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用三、鐵素體不銹鋼優(yōu)異的性能耐蝕性第1類鐵素體不銹鋼最適合于一些溫和的環(huán)境條件，例如室內(nèi)（使用過程中不銹鋼或者不與水接觸或被定期擦干）或室外，不銹鋼表面的一些輕微腐蝕是可以接受的，在這樣的服役環(huán)境中鐵素體不銹鋼的壽命比碳鋼更長。第2類鐵素體不銹鋼在溫和的環(huán)境條件下更耐蝕，甚至包括與水間歇接觸的一些環(huán)境條件。第3類鐵素體不銹鋼適用環(huán)境與第二類不銹鋼類似，但更容易進(jìn)行焊接加工。第4類鐵素體不銹鋼比304不銹鋼耐蝕性優(yōu)異，其使用范圍更為廣泛。第5類鐵素體不銹鋼，例如含有非常高的鉻，大約29%左右，以及4%鉬，在海水中其耐蝕性與鈦金屬相當(dāng)?，F(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用三、鐵素體不銹鋼優(yōu)異的性能耐蝕性PRE指數(shù)

PRE或點(diǎn)蝕當(dāng)量指數(shù)是衡量不銹鋼在含氯離子環(huán)境中耐點(diǎn)蝕性的指標(biāo)，PRE值越大，耐點(diǎn)蝕性越好。由PRE對(duì)照表可見，每一種奧氏體不銹鋼都有與之相對(duì)應(yīng)的耐蝕性相當(dāng)?shù)蔫F素體不銹鋼。在通用的PRE簡化公式中，PRE=%Cr+3.3%Mo，由公式可知鉬耐點(diǎn)腐蝕能力是鉻的3.3倍。然而，鉻通常是保證耐蝕性的基本成分，鉬在不銹鋼中不可取代鉻，但可以提高不銹鋼的耐蝕性能。由于在大多數(shù)的應(yīng)用中鎳對(duì)抗點(diǎn)腐蝕不起任何作用，因此在上述公式中沒有考慮鎳含量。現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用許多連接不銹鋼的方法都能夠很好地應(yīng)用于鐵素體不銹鋼。焊接：通過母材和添充金屬熔化后重結(jié)晶使相互分離的兩個(gè)或更多的材料達(dá)到完全的結(jié)合。軟釬焊：使用熔點(diǎn)在450°C以下的添充金屬，加熱其到釬焊溫度（低于母材金屬的熔點(diǎn)）以獲得連接。硬釬焊：與軟釬焊相同，但焊接溫度>450°C。機(jī)械連接：包括嵌合，卷邊結(jié)合，鉚接和機(jī)械緊固等。粘接：使用粘接劑并對(duì)干凈和活性的表面施加壓力來實(shí)現(xiàn)，粘接劑通過氧氣，水或化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)連接作用。四、鐵素體不銹鋼的連接現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用四、鐵素體不銹鋼的連接焊接諸多為碳鋼而研發(fā)的焊接方法也可以使用在不銹鋼焊接中，只有少數(shù)真正適合于不銹鋼并且已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)的方法有：電弧焊、電阻焊、電子束焊，激光焊和磨擦焊。焊接是連接金屬的最經(jīng)濟(jì)且效率最高的方法。這個(gè)過程使得結(jié)構(gòu)的輕量化成為可能（通過選用最佳材料），連接所有的工業(yè)金屬并可提供設(shè)計(jì)的適應(yīng)性。不銹鋼的焊接性受其化學(xué)成分，金相組織和物理性能的影響，鐵素體不銹鋼在進(jìn)行焊接時(shí)，具有一些比奧氏體不銹鋼所不能比的非常實(shí)用的優(yōu)勢，這是由于其有較低的熱膨脹系數(shù)，較低的電阻率和較高的導(dǎo)熱性。現(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用四、鐵素體不銹鋼的連接焊接（穩(wěn)定化和非穩(wěn)定化的鐵素體類鋼）一般說來，鐵素體不銹鋼與奧氏體不銹鋼相比，焊后產(chǎn)生晶間腐蝕的傾向要小。尤其是對(duì)于經(jīng)“穩(wěn)定化處理”的鐵素體不銹鋼來說，更是這樣。所謂穩(wěn)定化處理，就是添加強(qiáng)碳化物形成元素，如鈦(Ti)和鈮(Nb)。這些元素在鋼中與碳牢固結(jié)合起來，在焊接過程中，避免碳與鉻結(jié)合形成鉻的碳化物。這樣就避免了在晶間產(chǎn)生貧鉻區(qū)，經(jīng)穩(wěn)定化處理過的鐵素體不銹鋼的確沒有晶間腐蝕傾向。為了保證完全穩(wěn)定化，鈦的含量必須高于五倍的碳含量，或者鈮加鈦的含量必須高于三倍的碳含量。有時(shí)，適當(dāng)加入氮，氮與鈦、鈮形成的氮化物可以細(xì)化熔合區(qū)的晶粒。非穩(wěn)定化處理的鐵素體不銹鋼不含鈦或鈮，因此在熱影響區(qū)具有晶間腐蝕敏感性，這是由于產(chǎn)生了鉻的碳化物。這種現(xiàn)象叫“敏化”，其程度主要取決于碳含量。敏化態(tài)的不銹鋼的耐蝕性可以通過在600-800°C的溫度范圍內(nèi)退火處理而恢復(fù)?，F(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用四、鐵素體不銹鋼的連接焊接（高匹配的添充金屬）為了保證焊縫也具有耐蝕性，使用的任何鐵素體添充金屬的Cr，Mo，Ti和（或）Nb

合金元素的含量要稍高于其母材中的含量。這是由于在焊接區(qū)會(huì)由于熱的作用而使鉻燒損。另外，也可以使用奧氏體填充金屬，Cr和Mo的含量要高于母材?，F(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用四、鐵素體不銹鋼的連接焊接（保護(hù)氣體）由于含Cr高，不銹鋼在熔化狀態(tài)下被強(qiáng)烈氧化。如果在焊接過程中沒有使其與空氣隔離，鉻就會(huì)燒損并形成氧化物，結(jié)果會(huì)喪失致密性，降低焊接接頭的耐蝕性。對(duì)焊縫表面和附近區(qū)域的保護(hù)通常是通過提供惰性氣體的保護(hù)來實(shí)現(xiàn)的。這種保護(hù)氣體可以是純氬（Ar）或氦氣（He）或者是二者的混合氣體。在焊接鐵素體不銹鋼時(shí)，保護(hù)氣體應(yīng)是純氬或者是氬和氦的混合氣體。氬氫混合氣體通常用于奧氏體不銹鋼中，但這可能會(huì)引起焊接接頭的氫脆。在焊接鐵素體不銹鋼時(shí)，氬是最常見的背保氣體（用來保護(hù)工件的背面）。在焊接鐵素體不銹鋼時(shí)是絕對(duì)禁止用氮?dú)獾摹，F(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用四、鐵素體不銹鋼的連接焊接鐵素體不銹鋼焊接問題的發(fā)現(xiàn)和解決除了上述危險(xiǎn)之外，還會(huì)在高溫下由“形成相”和“晶粒粗化”而產(chǎn)生的脆化。這些危險(xiǎn)的解決方法列在下面的“補(bǔ)救方法”表中?，F(xiàn)代鐵素體不銹鋼的性能及應(yīng)用四、鐵素體不銹鋼的連接焊接：鎢極氬弧焊（GTAW或TIG/WIG）在這種方法中（也稱為鎢或Wolfam

惰性氣體方法），熔化金屬所需要的能量是由鎢極和工件之間產(chǎn)生的電弧來提供的。需要強(qiáng)調(diào)的是鐵素體不銹鋼除具有不銹性和耐一般腐蝕性能外，其耐氯化物應(yīng)力腐蝕、耐點(diǎn)蝕、耐縫隙腐蝕等局部腐蝕性能優(yōu)良耐水中氯離子含量見表2，是此類鋼耐蝕性方面的主要特點(diǎn)。與用量最大的Cr-Ni奧氏體不銹鋼相比，鐵素體不銹鋼不含鎳或僅含少量鎳，因而是一種節(jié)鎳不銹鋼；鐵素體不銹鋼的強(qiáng)度高，而冷加工硬化傾向較低，導(dǎo)熱系數(shù)為奧氏體不銹鋼的130%～150%，線膨脹系數(shù)僅為Cr-Ni奧