铁素体不锈钢的发展与应用

铁素体不锈钢的发展与应用摘要：铁素体不锈钢作为一种不含镍的铬系不锈钢，具有含镍不锈钢所具有的成形性、经济性、耐蚀性、抗氧化性等性能，具有成本低、耐应力腐蚀性能优异等显著特点，被称为经济型不锈钢。

本文主要分析了铁素体不锈钢的发展以及其合金化，同时介绍了基于铁素体不锈钢特性的各种应用。

关键字：铁素体不锈钢发展应用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制作汽车尾气排放控制系统[1,2,3]。

为了这种用途，现在已经开发了许多种铁素体不锈钢。

在宝钢不锈钢事业部总经理楼定波看来，铁素体不锈钢不含镍，可以回避镍价的波动带来的风险；它同样可以防腐、防锈，但价格比含镍的不锈钢具有竞争力，并且，比含镍不锈钢制造更有门槛。

1 铁素体不锈钢的发展优势及劣势1.1 铁素体不锈钢的发展优势铁素体不锈钢具有体心立方晶体结构。

除个别牌号外，一般不含稀缺的贵重元素镍。

低铬铁素体不锈钢又称为经济不锈钢；中、高铬铁素体不锈钢与所能代用的铬镍奥氏体不锈钢相比，成本和价格也较低。

铁素体不锈钢屈服强度较铬镍奥氏体钢高，伸长率稍低，但加工硬化倾向小，易于冷镦，也易切削。

众所周知，铬镍奥氏体不锈钢对应力腐蚀非常敏感，在奥氏体不锈钢制设备、构件等的失效事例中，应力腐蚀破坏事故占有很大比例，而铁素体不锈钢耐应力腐蚀性能优异，虽然在试验室内一些条件下人们也曾发现铁素体不锈钢也产生应力腐蚀的某些现象，但在实际工程应用中，国内外都很少见到铁素体不锈钢产生应力腐蚀破坏的实例。

铁素体不锈钢具有铁磁性，导热系数高，约为铬镍奥氏体不锈钢的130％～150％，非常适用于有热交换的用途；线膨胀系数小，仅为铬镍奥氏体不锈钢的60％～70％，非常适用于热胀、冷缩，有热循环的使用条件。

1.2 铁素体不锈钢的发展劣势铁素体不锈钢是一种节镍钢，强度高，冷加工硬化倾向较低，导热系数为奥氏体不锈钢的130％～150％，线膨胀系数仅为Cr—Ni奥氏体不锈钢的60％～70％。

虽然有上述优点，但与奥氏体不锈钢相比，其用途有限，这主要是因为铁素体不锈钢，特别是Cr>16％的铁素体不锈钢存在一些缺点和不足。

1．2．1 室温脆性和裂纹敏感性高铁素体不锈钢的室温、低温塑性差，缺口敏感性高，对晶间腐蚀比较敏感，而且这些缺点随铁素体不锈钢截面尺寸的增加，冷却速度的变慢和焊接的热影响而更加强烈地显示出来。

铁素体不锈钢性能上的几乎所有缺点都与钢中的碳、氮有关[4]。

随碳、氮含量的增加，铁素体不锈钢的冲击韧性下降，脆性转变温度明显上移，尤其是当钢中铬含量高于15％～18％时更为明显。

钢的缺口敏感性，冷却速度效应和尺寸效应也随钢中碳、氮量的增加而显著增强。

钢中氧含量也有类似影响，随氧含量的提高，铁素体不锈钢的脆性转变温度升高。

随C+N量增加，铁素体不锈钢的晶间腐蚀敏感性增加，碳、氮对铁素体不锈钢的耐一般腐蚀，耐点蚀，耐缝隙腐蚀和耐应力腐蚀也都是有害的。

在冶炼过程中虽然能够去除钢中部分或大部分的碳和氮，但若要完全去除却是非常困难的，钢中碳、氮越低，铁素体不锈钢的生产成本就越高。

1．2．2 起皱起皱是铁素体不锈钢在成型过程中应变量较大时易产生的一种表面缺陷，发生在板带的轧制方向表现为狭窄凸起条纹，即表面皱折。

可通过控制生产工艺减轻起皱，例如减少连铸坯的柱状晶，增加等轴晶；选择适宜的板坯加热温度，低的终轧温度和高的退火温度等。

最近，Hyung—Joon Shin等[5]采用电子背散射衍射(EBSD)技术研究了409L和430两种铁素体不锈钢的柱状区试样，验证了在理论模型中提出的晶粒簇的存在，得出了晶粒簇与起皱的关系。

Jun—ichi HAMADA[6]等人的研究也证实了430不锈钢的初始凝固组织对起皱的影响，认为具有初始柱状晶组织的试样退火后的起皱程度比具有初始等轴晶组织的试样更严重。

2 铁素体不锈钢的合金化2.1 铁素体不锈钢合金化的主要目的铁素体不锈钢合金化的目的可以归结为4点：(1)改善耐蚀性；(2)提高强韧性；(3)改善抗氧化性；(4)改善机加工性。

众所周知，不锈钢的耐蚀性是由于一种相当薄的表面氧化膜(不导电)，在钢和使用环境之间提供了一种物理势垒(阻挡层)使合金趋于钝化状态。

所以提高耐蚀性的关键在于促使钢的表面形成一种连续的(不因沉淀物、夹杂物或第二相的存在而间断)、稳定的(不因强侵蚀环境而击穿或由于缺陷的存在而丧失)、易修复的(被击穿或机械破坏后能自行修复)氧化膜这是铁素体乃至于全部不锈钢合金化的主要出发点。

2.1 铁素体不锈钢的合金元素作用铬是氧化膜的主要成分，有助于形成更稳定的氧化膜，同时又是稳定铁素体的主要元素，也是导致新型铁素体不锈钢不断发展的一个重要元素。

钼：能显著增加钝化膜的稳定性，在苛刻的侵蚀性环境中防止钝化膜被局部击穿。

点蚀电位、临界点蚀温度(CPT)、临界缝隙腐蚀温度(CCT)都随钼含量的增加而提高。

钼对提高局部腐蚀抗力的效力约为铬的3．3倍。

铬和钼对耐氯化物溶液腐蚀性能的综合影响可用点蚀指数(PI)来表示如下[7]：PI=％Cr+3．3×％Mo。

铁索体不锈钢的强韧性主要通过铬和钼的固溶强化来达到。

硅和铝：提高合金的高温抗氧化性。

铜：有助于增加不锈钢在还原性环境中的表面钝性，如在还原酸环境中。

碳和氮：在铁索体不锈钢中．间隙元索碳和氮的含量是非常关键的。

碳化铬的沉淀可能导致敏化；碳氮化物沉淀可能导致高温脆性，(C+N)总量较高时(>200ppm)可使大截面尺寸材料的廷性一脆性转变温度(DBTT)升高到室温以上，把(C+N)总量降低到150ppm以下，使大截面尺寸材料在室温下仍呈韧性状态。

镍：降低铁索体不锈钢的应力腐蚀抗力，但是，在不台硫化物的环境中改善全面腐蚀抗力。

硫：趋向形成硫化物夹杂，尤其是锰存在时。

硫化锰夹杂在钝化氧化层中产生一个脆弱的区域。

在酸性溶液中形成侵蚀性的硫化氢(H2S)气体或形成促进腐蚀的接触电池而使耐蚀性下降。

所以，在超级铁索体不锈钢中硫含量控制在0.01以下。

钛和铌：是碳和氮的稳定化元素．也是一种稳定铁索体的元素。

众所周知，碳和氮在α—铁索体中的固溶度远小于γ—固溶体，易在晶界富集导致敏化；同时，焊缝强度随碳氮含量的增加而增加，但是，当(C+N)>0.01时，焊缝延性下降；当(C+N)>0.03时，焊缝廷性严重下降。

因此，需要降低碳和氮的有效含量。

其方法之一是加钛和(或)铌稳定化[8]，对碳含量为0.01～0.02的钢，稳定化所需的最低钛含量为Ti=0.15+3.7(C+N)，铌的需要量接近化学计算式：Nb=7(C+N)。

在钛和铌联合加入时，Nb+Ti=0.2+4(C+N)。

但是，最佳含量仍需进一步研究。

因为过量的稳定剂也会使DBTT升高。

3 铁素体不锈钢的特性及应用3.1 铁素体不锈钢的耐大气腐蚀性由于铁素体不锈钢具有良好的耐大气腐蚀性，近来一直被用作建筑物的屋顶和幕墙[9]。

但是，离海较近地区的大气环境特别恶劣，尤其是来自海水空气中的悬浮微粒是相当强的腐蚀性物质，因此，在这些环境下使用的高铬铁素体不锈钢得到了开发。

抗大气腐蚀的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耐点蚀能力是必不可少的[10]。

304型和316型奥氏体不锈钢随着周期腐蚀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。

3.2 铁素体不锈钢的耐晶间腐蚀性410L或409型不锈钢由于具有良好的耐腐蚀性、成形性及耐热性而被用作汽车尾气排放控制系统材料[11]。

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。

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，如前导管、中心管及消音器上。

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。

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。

3.3 铁索体不锈钢的可成形性铁素体不锈钢的用途是如此的广泛，每种用途所要求的铁素体不锈钢的性能又各自不同。

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[10]。

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，如要代替就必须改变制品的设计，把它设计成拉延成型的形状。

3.4 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]。

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。

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，在较高的转变温度下，变形可能难以进行。

3.5 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[12]。

4 结语(1)铁素体不锈钢具有独特的使用性能(耐局部腐蚀和高屈服强度)和显著的经济性，成为材料工作者关注的热点。