什么是超級不銹鋼

超級不銹鋼系指20世紀70?90年代先后問世的，其性能（特別是耐蝕性）優于原有的同類不銹鋼的那些牌號的統稱。本書所介紹的主要是高合金、高性能的三大類超級不銹鋼，即高鉻量、高鉬量（PRE≥35）的超級鐵素體不銹鋼和高路、鉬I、氮量（PRE值≥40）的超級奧氏體不銹鋼與PRE值≥40的超級雙相不銹鋼。這三大類超級不銹鋼的共同特點是除耐全面腐蝕外，耐點蝕、耐縫隙腐蝕等局部腐蝕的性能優異。

各類超級不銹鋼所面臨的共同課題是隨鋼中鉻、鉬量或鉻、鉬、氮量的提高，鋼的組織熱穩定性下降，碳、氮化物和金屬間相析出所導致的焊后（或從高溫到低溫的冷卻過程中）塑、韌性和耐蝕性的劣化問題。這一問題的存在將嚴重阻礙超級不銹鋼的進一步發展。

1  超級鐵素體不銹鋼

鐵素體不銹鋼系指11%?30%Cr,具有體心立方晶體結構，在使用狀態下具有鐵素體組織的一類不銹鋼。根據鋼中含鉻量的不同，鐵素體不銹鋼大致可分為含11%?15%Cr（低鉻）、16%?20%Cr（中鉻）和21%?30%Cr（高鉻）三種類型。超級鐵素體不銹鋼的鉻含量一般在25%?30%,屬于高鉻鐵素體不銹鋼。

1.1  鐵素體不銹鋼的發展和超級鐵素體不銹鋼

鐵素體不銹鋼系五大類不銹鋼中的重要不銹鋼類，其產量和消費量僅次于鉻鎳奧氏體不銹鋼。鐵素體不銹鋼除具有良好的不銹性和耐全面腐蝕性能外，其耐氯化物應力腐蝕、耐點腐蝕和耐縫隙腐蝕性能優良；與鉻鎳奧氏體不銹鋼相比，鐵素體不銹鋼不含鎳或僅含少量鎳，因而是一類無鎳和節鎳不銹鋼；鐵素體不銹鋼強度高，但冷加工硬化傾向較低，導熱系數為奧氏體不銹鋼的130%?150%,線膨脹系數僅為奧氏體不銹鋼的60%?70%,雖然鐵素體不銹鋼有如此多的優點，但自1912年問世以來直到1970年，與鉻鎳奧氏體不銹鋼相比，產量比較低且用途受到諸多限制，其主要原因是鐵素體不銹鋼，特別是含倍量以16%時存在一些缺點和不足，突岀地表現在它們的脆性轉變溫度高，室溫和低溫韌性差，缺口敏感性高，對晶間腐蝕比較敏感，而這些缺點隨鋼的截面尺寸增加，受熱（例如焊接）后冷卻速度慢以及熱履歷的影響而更加強烈地顯示出來。雖然人們早在1950年前就已經了解到鋼中碳、氮等間隙元素的存在是影響鐵素體不銹鋼存在上述缺點和不足的主要原因（見表1-1-1）,但并未獲得解決。

表1-1-1傳統鐵素體不銹鋼的主要缺點、不足及其原因和改進方向

1970年，通過真空雙聯工藝（真空感應爐+真空自耗爐或真空電子束爐冶煉）雙真空冶煉，在傳統鐵素體不銹鋼AISI446基礎上開發出了第一種C+N量極低（≤150ppm）的高純鐵素體不銹鋼EB26-1。此鋼系在AISI446鋼基礎上的高純化，主要是碳、氮、氧量的顯著降低，AISI446鋼的脆性轉變溫度為+120°C,而且對晶間腐蝕非常敏感，而高純化后的EB26-1鋼的脆性轉變溫度則在-60°C,且耐晶間腐蝕性能顯著改善。隨后于1971年出現了高純28Cr-2Mo和1974年的高純29Cr-4Mo等高純鐵素體不銹鋼。最早人們曾把EB26-1,29Cr-4M。和28Cr-2Mo等均稱為新鐵素體不銹鋼，但最后（20世紀70年代末?80年代初）人們才把超級鐵素體不銹鋼定義為鋼中Cr%+3.3%*Mo%≥35的那些牌號并一直沿用至今。

由于1960年末在不銹鋼生產中先后出現了VOD和AOD等爐外精煉工藝，可以比較容易地降低鋼中有害的碳、氮、氧等間隙元素的含量，加之C+N量V100?150ppm的高純鐵素體不銹鋼的真空雙聯工藝成本較高，大規模工業生產一直未能完全實現，人們轉向稍提高鋼中碳、氮量并加入鈦、鈮以解決焊后的晶間腐蝕傾向；有些牌號又加入適量鎳。以降低超級鐵素體不銹鋼由于碳、氮量稍高和鈦、貿的加入所引起的脆性轉變溫度升高和韌性下降的缺點。除個別牌號仍釆用真空感應爐冶煉外，目前大量生產的耐點蝕當量（PRE）值（Cr%+3.3%*Mo%）≥35的一些超級鐵素體不銹鋼均釆用VOD、AOD爐外精煉工藝，而日本所開發的高純Cr30Mo2（C+N≤150ppm）超級鐵素體不銹鋼則系釆用SS（強烈攪拌）VOD進行生產。表1-1-2中列入了一些主要的超級鐵素體不銹鋼的牌號和化學成分。

①最早Cr29Mo4加鎳是為了提高在沸騰10%HzSO4和沸騰1%HCl中的耐蝕性。

表11-2超級鐵素體不銹鋼的牌號和化學成分/%

1.2  Fe℃r合金相圖，鐵素體和超級鐵素體不銹鋼的析出相及其對鋼性能的影響

1.2.1  Fe~Cr合金相圖

Fe℃r合金相圖見圖1-1-1。從表1-1-2中所列超級鐵素體不銹鋼的化學成分中可知，由于超級鐵素體不銹鋼中含鉻量一般均在25%（含）-31%（含）范圍內，因此從圖1-1-1中可以看出，雖然所有超級鐵素體不銹鋼在820℃以上均處于α（鐵素體）單相區，而≤820°C時則均處于α+σ雙相區內，但隨溫度降低，α+σ區擴大，溫度再低，≤550°C后，α消失，σ'析出，從而進入α+σ'二相區。

1.2.2  鐵素體和超級鐵素體不銹鋼的析出相及其對鋼性能的影響

表1-1-3中列出了超級鐵素體不銹鋼中所存在的相。大量的研究和實際表明，最為常見并對超級鐵素體不銹鋼性能影響最為顯著的是各種碳、氮化物和α'、α相等金屬間相；圖1-1-3中還指出了含26%Cr,0.018%C,1%?4%Mo，0?4%Ni的鐵素體（包括超級鐵素體）不銹鋼自高溫冷卻過程中，鋼中碳、氮化物和σ'、χ、η等金屬間相的析出行為。從圖1-1-3中可以看出，當超級鐵素體不銹鋼中含有鈦、鈮時，溫度低于液相線，首先析出的是鈦的氮化物（由于在鐵素體中溶解度很低，此相在固相線以下的所有溫度內均以穩定相存在）；隨后，處于非敏化態時，有鈦、鈮、鉻的碳化物和氮化物析出，而處于敏化態（500?800°C）時，則主要是鉻的碳化物和氮化物的析出；各種金屬間相的沉淀明顯滯后于鋼中碳、氮化物的析出，其中。σ'、χ、η可等相的析出溫度范圍基本相同，而最敏感的溫度約在800°C。α'相的沉淀又滯后于。σ'、χ、η和可相，最敏感的析出溫度在475°C左右。

表11-3超級鐵素體不銹鋼中的金相