不锈钢基础知识

第一章不锈钢基础知识

1. 不锈钢发展简史

不锈钢是不锈钢和耐酸钢的总称。在冶金学和材料科学领域中，依据钢的主要性能特征，将含铬量大于12%，且以耐蚀性和不锈性为主要使用性能的一系列铁基合金称为不锈钢。

狭义的不锈钢是指在大气中不容易生锈的钢。广义的不锈钢指在特定条件下的酸、碱、盐中耐蚀的钢。不锈钢的不锈性和耐蚀性是由于钢的表面上富铬氧化膜（钝化膜）的形成，这种不锈性和耐蚀性是相对的。试验表明，钢在大气、水等弱介质中和硝酸等氧化性介质中，其耐蚀性随钢中铬含量的提高而增加，当铬含量≥10%时，钢的耐蚀性发生突变，即从易生锈到不易生锈，从不耐蚀到耐腐蚀。所以通常称不锈钢是铬含量为12%以上的铁基合金。由于不锈钢材具有优异的耐蚀性、成型性、相容性以及在很宽温度范围内的强韧性等系列特点，所以在石油化工、原子能、轻工、纺织、食品、家用器械等方面得到广泛的应用。通常对在大气、水蒸汽和淡水等腐蚀性较弱的介质中具有不锈性和耐腐蚀性的钢种称不锈钢；对在酸、碱、盐等腐蚀性强烈的环境中具有耐蚀性的钢种称耐酸钢。两个钢类因成分上的差异而导致了它们具有不同的耐蚀性，前者合金化程度低，一般不耐酸；后者合金化程度高，既具有耐酸性又具有不锈性。

为了了解不锈钢发展的历程，有必要追溯到本世纪初期。大约在1910年左右，在世界上的一些地方出现了对新材料需求的危机，这种对材料需求的动力使得人们发明了不锈钢，并使其得到了飞速发展。

在英格兰的希菲尔德，H. Brearly 希望发明一种新型材料用来制作存放重型枪支的桶，这种桶要求必须耐磨损和擦伤。他经过调查发现在合金材料中加入高含量的铬元素，这种材料就不容易被刻伤。这个重大发现使他获得了专利，即钢中加入9－16％的铬，并且碳含量小于0.70％，第一代不锈钢诞生了。这些不锈钢最初用于不锈钢餐具，而如今普通碳钢已经取代不锈钢在餐具领域的应用。

几乎与此同时，在德国埃森的B. Strauss 发现了一种适合用于热电偶和高温计的保护管的材料。在许多铁基合金中，他发现了含有高含量铬的铁－铬－镍合金。含有超过20％含量Cr的合金样品被发现在实验室里即使放置很长时间也不会生锈。这个发现开发出了含有0.25％碳，20％铬和7％镍的钢，即最初的奥氏体不锈钢。

在英格兰和德国人致力于研究不锈钢的同时，F.M. Becket 正在美国的尼亚加拉大瀑布潜心研究希望发现一种便宜且耐氧化的材料，用于

温度高达1200°C 的推式炉的推槽。他发现至少需要20%的铬才能达到阻止氧化的目的。这就是开发出耐热钢的起源。

然而，直到二次世界大战结束后，冶炼工艺技术的发展才使得现代不锈钢得到发展和广泛传播。

我国不锈钢生产起步较晚，工业化生产开始于1952年，采用原苏联标准，在50年代末至60年代初，是我国不锈钢工业的初创时期，在此期间，在消化引进技术的同时，开始研究我国锈钢生产和使用过程中暴露出的重大质量问题，如研究了钛稳定化奥氏体不锈钢的钛碳比、热处理制度对晶间腐蚀行为的影响；研究了Crl7型、Cr25型铁素体不锈钢的冶金生产工艺，稀土元素以及热处理制度与其性能之间的关系；提出了马氏体不锈钢裂纹和发纹的成因及解决措施等。同时，为节约贵重金属镍，开展了以锰代镍的开发和仿制工作。1956年首先仿制了1Cr18Mn8Ni5N(AISI204),在此基础上，先后开发了1Crl8Mn8Ni5Mo3N、0Cr18Mn14N和1Cr25Mn5N等。

60年代初开始生产0Cr21Ni5Ti，0Cr21Ni5Mo2Ti双相不锈钢并研制沉淀硬化型不锈钢。60年代中期为满足石油化工和核燃料工业对超低碳不锈钢的需要，在电弧炉中首次冶炼成功超低碳奥氏体不锈钢。60年代后半期，曾开展了无镍铬不锈钢的研究，但由于大截面钢材热处理后易于炸裂等原因而没有商品化。70年代初期，我国开始仿制18-5型双相不锈钢00Crl8Ni5Mo3Si2(3RE60)，为了改进双相钢的焊后性能，进而发展了既含氮又含铌的18-5型双不锈钢00Cr18Ni5Mo3Si2Nb。与此同时研制了Cr26型双相不锈钢00Cr26Ni6Mo2Ti和00Cr26Ni24Mo4.5Cu、高硅耐浓硝酸腐蚀的不锈钢、马氏体时效不锈钢、耐强氧化性硝酸腐蚀的00Cr25Ni20Nb、硫钙复合易切削不锈钢等，并取得重要成果。

80年代初，我国开始“六五”计划。此时，自1973年开始研制的AOD 和VOD精炼不锈钢装备开始投入使用，可以采用高碳铬铁冶炼超低碳不锈钢，解决了电弧炉冶炼成本高和生产难度大等技术难题。根据精炼装备的特点，开展了超低碳不锈钢和高纯铁素体不锈钢的精炼工艺、工艺性能、力学性能以及耐蚀性能的研究，提出适用于不同钢种的精炼工艺。不锈钢钢锭的年产量开始突破10万t，并向20万t迈进，此时双相不锈钢的研究和应用取得重大进展。1986-1990年是我国不锈钢生产、科研取得重大进展的5年，钢锭最高年产量达到34万t，产品的内在质量接近国际水平，低碳、超低碳不锈钢的产量，从占不锈钢总产量的1%提高到12%-13%。

我国不锈钢的生产和品种开发，经40年奋斗取得了重大进展，目前已形成了较完整的不锈钢系列。但在产量、钢种结构、产品质量、配套供应等方面与国际工业发达国家相比差距很大，尤其是生产装备，为

使钢材品种、质量和产量赶上世界先进水平，急需解决工艺装备的更新、技术改造和质量管理等一系列问题。

2. 不锈钢装备水平

冶炼：当前，电弧炉加二次精炼工艺是不锈钢生产的主导工艺，通常称二步冶炼工艺。不锈钢的二次精炼方法较多，包括AOD、VOD、CLU、VAD、SKF、LF等。其中AOD、VOD是不锈钢二次精炼的主导工艺.

铸造：目前，连续铸钢、压力浇铸、保护渣浇铸等在不锈钢生产中均得到应用。相比之下，连续铸钢得到快速度发展。。

热加工机组：热轧带卷的生产可采用连轧、半连轧、炉卷轧机和行星轧机。连轧是不锈钢板卷生产的主要方向，但在年产量不超过30万t 的较小规模情况下，炉卷轧机和行星轧机仍然具有优越性和竞争能力。

冷加工系统：这类产品主要是采用ZM森吉米尔轧机进行生产。目前全世界用于不锈钢生产的林吉尔米尔冷轧带钢装备有140台左右。作为不锈钢带的冷轧先进技术，是日新制钢周南厂70年代初建造的四机架森吉米尔连轧机。近年来的发展是8-10个机架组成的串联装置。

热处理：热处理是确保不锈钢材具有良好综合性能的关键工序。正确的热处理可使不锈钢具有满意的力学性能，最佳耐蚀性和良好的工艺性能，不锈钢材包括板、管、丝、棒等。根据不同类型钢材的特点发展了与此相适应的热处理装备和工艺。

不锈钢中厚板的热处理，通常在一般的辊底式加热炉中进行。不锈钢冷轧薄板和带一般采用连续退火和酸洗作业线进行最终固溶处理。不锈钢光亮热处理是广泛采用的热处理方式，适用于冷轧带钢和丝材。对于窄带、丝材采用水平型带式退火炉。不锈钢宽带钢采用先进的光亮退火炉是立式退火炉。

3. 不锈钢的分类

不锈钢传统的分类是分成六大类：马氏体，马氏体-奥氏体，铁素体，铁素体-奥氏体，奥氏体以及沉淀硬化钢。前面五种是按照它们不同的微观结构来命名的。最后一个实际上是指通过特殊的机械加工使得微观结构内形成沉淀物以得到硬化。表2给出了这些不同种类钢大致成

分。

前面两类，即马氏体和马氏体-奥氏体不锈钢是可以硬化的，也就是说，可以通过采取与普碳钢硬化相似的热处理方法来改变它们的性能。马氏体-奥氏体不锈钢有时也被称为铁素体-马氏体不锈钢。第三类是沉淀硬化不锈钢，可以通过热处理来硬化。这些钢种使用特殊的热处理或者机械加热处理工艺以及最后的沉淀硬化和老化步骤。沉淀硬化钢有时也被称为马氏体时效钢。后面三类钢，铁素体，铁素体－奥氏体和奥氏体钢是不可以硬化的。铁素体－奥氏体钢经常被称为双相不锈钢。需要指出的是，只有奥氏体不锈钢是唯一不具磁性的。所有其他钢种都具有磁性。

3.1 奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢为面心立方结构的奥氏体组织。工业牌号可分为Cr-Ni和Cr-Ni-Mn-N两大类型。在正常热处理条件下，钢的基体组织为奥氏体，在不恰当热处理或不同受热状态下，在奥氏体基体中有可能存在少量的碳化物、δ相和α相等第二相。此类钢不能通过热处理方法改变它的力学性能，只能采用冷变形的方式进行强化。可采用加入钼、铜、硅等合金化方法派生出适用于各类腐蚀环境的不同钢种。此外，无磁性、良好的低温性能、易成型性和可焊性是此类钢的重要特性。

3.2 铁素体不锈钢

铁素体不锈钢为体心立方结构的铁素体组织，不能采用热处理方法改变其组织结构。铁素体不锈钢有磁性，易于成型，耐锈蚀、耐点蚀。根据钢中的碳、氮含量可将铁素体不锈钢分成高纯（C+N≤150ppm）和普通铁素体不锈钢两大类。

3.3 双相不锈钢

双相不锈钢通常由奥氏体和铁素体两相组织构成。两相比例可以通过合金成分和热处理条件的改变予以调整。此类钢屈服强度高、耐点蚀、

耐应力腐蚀，易于成型和焊接。

3.4 马氏体不锈钢

马氏体不锈钢淬火后可以得到马氏体组织。具有高强度和高硬度，通过热处理可以调整钢的力学性能。马氏体不锈钢具有中等水平的不锈性。

3.5 沉淀硬化不锈钢

沉淀硬化不锈钢按其组织可分成马氏体沉淀硬化不锈钢（以0Crl7Ni4Cu4Nb为代表），半奥氏体沉淀硬化不锈钢（以OCrl7Ni7Al和OCrl5Ni25Ti2MoVB为代表）和奥氏体加铁素体沉淀硬化不锈钢（以PH55A、B、C为例）。此类型钢可借助于热处理工艺调整其性能，使其在钢的成型、设备制造过程中处于易加工和易成型的组织状态。随后，半奥氏体沉淀硬化不锈钢通过马氏体相变和沉淀硬化，奥氏体、马氏体沉淀硬化不锈钢通过沉淀硬化处理使其具有高的强度和良好的韧性相配合。这类钢的铬含量近于17%，加之含有镍、钼等元素，因此，除具有足够的不锈性外，其耐蚀性接近于18-8型奥氏体不锈钢。

3.6 合金元素的影响

每种合金元素都对钢的性能有着特定的影响。某种程度上，正是所有合金元素的共同作用决定了每个钢种的性能。为了弄懂为什么不同钢种都含有不同的化学成分，有必要先了解各种合金元素以及它们对钢的结构和性能的影响。合金元素对一些重要材料性能的影响将在后面的章节中作详细的讨论。需要指出的是，可硬化和不可硬化不锈钢中合金元素的影响在某些方面是不一样的。

铬 (Cr)

这是不锈钢中最重要的合金元素。正是它赋予了不锈钢的耐腐蚀这一基本特性。耐腐蚀性能将随着铬含量的增加而增强。提高铬含量也会提高高温耐氧化性能。铬属于铁素体结构元素。

镍 (Ni)

添加镍元素主要是提高奥氏体结构。镍一般会增加材料的延展性和刚性。同时它还能延缓腐蚀速率，因此在酸介质环境中具有优势。在沉淀硬化钢中，镍被用于形成中间金属复合物从而增加强度。

钼 (Mo)

钼能显著的提高抗全面腐蚀和局部腐蚀能力。它一定程度上提高了不锈钢的机械性能并且促成铁素体结构。钼而且也能促进铁，铁素体－奥氏体和奥氏体相中第二相的形成。在马氏体中，由于它对碳化物析出的影响，能提高较高回火条件下的硬度。

铜(Cu)

铜提高了不锈钢在某些酸中抗腐蚀能力，并且促成奥氏体结构。在沉淀硬化钢中，铜被用来形成金属间化合物，以提高强度。

锰(Mn)

不锈钢中的锰一般用来提高热延展性。它能随着温度影响着奥氏体－铁素体平衡：低温时它是奥氏体稳定元素，而高温时它则铁素体稳定元素。锰能提高氮（N）的溶解性，被用来获得高氮（N）含量的奥氏体不锈钢。

硅(Si)

不管在高温条件下，还是在低温强氧化性溶液中，硅都提高不锈钢的耐氧化性能。它促成铁素体结构。

碳(C)

碳是一种很强的奥氏体形成元素，它能极大促成奥氏体结构的形成。它还能显著提高钢的机械性能。碳降低了不锈钢的耐晶间腐蚀性能。在铁素体钢中，碳不仅降低其韧性而且还降低了耐腐蚀性能，在马氏体和马氏体－奥氏体钢中，碳能提高硬度和强度。在马氏体钢中，在碳提高了强度和硬度的同时一般伴随着韧性的降低。

氮(N)

氮也是很强的奥氏体形成元素，它显著促成奥氏体结构。它还能显著提高钢的机械性能。氮能提高耐局部腐蚀能力，特别是在钢中同时含有钼的时候。在铁素体钢中，氮显著降低韧性和耐腐蚀性。在马氏体和马氏体－奥氏体钢中，氮提高了硬度和强度，同时也降低了韧性。

钛 (Ti)

钛是很强的铁素体和碳化物的形成元素，因此它降低了碳含量对钢的不良影响，同时也促成了铁素体结构。在奥氏体钢中，加入钛元素提高了钢的耐晶间腐蚀性能并且提高了高温下机械性能。在铁素体钢中，加入钛元素, 是为了通过减少固态溶液中晶界物的数量，来改善韧性和耐腐蚀性。在马氏体钢中，钛降低了马氏体硬度，增加耐回火能力。在沉淀硬化钢中，钛用来形成金属间化合物以提高强度。

铌(Nb)

铌是一种很强的铁素体和碳化物形成元素，跟钛一样，它促成铁素体结构的形成。在奥氏体钢中，加入铌素提高了钢的耐晶间腐蚀性能并且提高了高温下机械性能。在马氏体钢中，钛降低了马氏体硬度，增加耐回火能力。