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1、元素含量对奥氏体不锈钢性能的影响 奥氏体不锈钢含有较多的 Cr、Ni、Mn、N等元素。与铁素体不 锈钢和马氏体不锈钢相比，奥氏体不锈钢除了具有较高的耐腐蚀性 外，还有许多优点。它具有很高的塑性，容易加工变形成各种型材，如薄板、管材等；加热时没有同素异构转变，即没有丫和a之间的相 变，焊接性好；低温韧性好，一般情况下没有冷脆倾向；奥氏体不锈 钢不具有磁性。由于奥氏体不锈钢的再结晶度比铁素体不锈钢的高，所以奥氏体不锈钢还可以用于 550C以上工作的热强钢。奥氏体不锈钢是应用最广的不锈钢，约占不锈钢总产量的 2/3。由于奥氏体不锈钢具有优异的不锈钢酸性、抗氧化性、高温和低温力 学性能、生物相容性等，
2、所以在石油、化工、电力、交通、航天、航 空、航海、能源以及轻工、纺织、医学、食品等工业上广泛应用。1.高钼(MO4%奥氏体不锈钢 高钼奥氏体不锈钢的典型代表是：00Cr18Ni16Mo5 和 00Cr18Ni16Mo5M 因为含钼量高，所以在耐还原性酸和耐局部腐 蚀方面性能有很大提高，可用于更加苛刻的腐蚀环境中。含氮 00Cr18Ni16Mo5N 钢，由于氮的加入，奥氏体更加稳定，由于铁 素体的生成，(T(X)等脆性相的析出受到一定抑制。00Cr20Ni25Mo4.5Cu 由于此钢含有更高的 Cr、Ni、Mo 等元 素，加之 Mo 与 Cu 的复合作用，使 00Cr20Ni25Mo4.5Cu
3、既在含 Cl 离子的水介质中耐点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀的能力有显著 提高，图 1图 4 系在不同温度 HSO、HP O4和含 F50%HP O4中 图 1 00Cr20Ni25Mo4.5Cu 在 H2SQ 中的腐蚀 图 2 00Cr20Ni25Mo4.5Cu 在 HPQ(耐全面腐蚀和在氯化物水介质中耐应力腐蚀的实验结果。可以看 出 00Cr20Ni25Mo4.5Cu 比 18-12-2 型不锈钢的耐蚀范围有所扩 大。图 3 00Cr20Ni25Mo4.5Cu 在 50C含 HF 的 50%PO 溶液中的腐蚀(M 0.2 0J 0-4 05 U.ft 07 IH%)5 4 12 HXM)500
4、P 100 了 50 10 0 0.2 04 0.6 0 用 LO 40时，便称为超级奥氏体不锈钢。超级奥氏体中的 Cr、Mo、N含量都比普通奥氏体不锈钢高出很多。表 1列出了几种 超级奥氏体不锈钢的商品牌号、化学成分标号和它们的耐点蚀当量(PREN)值。超级奥氏体不锈钢主要是为了解决在苛刻腐蚀条件下原有的 Cr-Ni奥氏体不锈钢耐点蚀、耐缝隙腐蚀等性能的不足而发展起来的。氮在奥氏体不锈钢中的大量应用为此类钢的发展创造了条件。超级奥 氏体不锈钢的出现还填补了过去 Cr-Ni奥氏体不锈钢与高镍耐蚀合 金之间没有高耐点蚀和高耐缝隙腐蚀不锈钢的空白。超级奥氏体不锈 钢性能的最大特点是在苛刻的腐蚀环境
5、中，此类钢的耐点蚀、耐缝隙 腐蚀性能优异，不仅远远优于原有的所有奥氏体不锈钢，还可与一些 知名的镍基耐蚀合金相媲美。表1几种超级奥氏体不锈钢牌号和 PRE值 商品牌母 化学成分标号 PRE值 934LN 1/D*241.5 AL 6XN 00Cr21Ni25Mo6/7N0+1/0.3 45 254 G0CT20NI18MO6/?CUN0.15/0.2S 43 備 4 SML OOCr24Ni22M07/8Mn3CuNO.5 56 图5和表2系超级奥氏体不锈钢的耐点蚀和耐缝隙腐蚀性能与各 种Cr-Ni奥氏体不锈钢性能的比较。可以看出超级奥氏体不锈钢 254SM(00Cr24Ni22Mo6.5Cu
6、N 和 AL6XN(00Cr21Ni25Mo6.5N性能最 佳 v ii n 1 1 S4S制门 O6X crfiX 700 9 Q 2HK63 2町如L 卫/nSl7L 254SMO 36L Q 厶吧 V4 1 L 严,IL 图5在10%FeCl溶液中，PRE直对产生点蚀和缝隙腐蚀的临界温度的 影响 0与；虑蚀I与:缝隙腐蚀4与:含N網药仁鬲15WJ和 6XN均为趙级奥氏徉不锈網 表2各种Cr-Ni奥氏体不锈钢焊前焊后产生缝隙腐蚀的温度的比较 不锈钢 CCT/X?焊前 弊后 304L Z.5-Z.5 316L-2.5-2.5 317L 650 300 羽5 97*5 K)25 3(1 35
7、40 45 50 6XN 768 379 50 100b 由于超级奥氏体不锈钢中 Cr、Mo、N量高，在冶金厂生产和用 户使用此类钢时的难点是：冶炼时高氮量的控制；钢的热塑性差，热 加工工艺的掌握；在热加工、热处理和焊接过程中，x（）相等脆 性相易析出的防止等等。3.高硅奥氏体不锈钢 高温、高浓度（超过共沸浓度特别是高于 85%）的硝酸具有 非常强的氧化性；高温、高浓度（90%）硫酸与中、稀浓度的 硫酸的强还原性不同，前者具有非常强的氧化性，为了解决这些 强氧化性酸的腐蚀，仅含铬是不够的，因而促进了高硅（4%）奥氏体不锈钢的发展。00Cr18Ni15Si4（Nb）在硝酸浓度高于沸腾浓度（68.
8、4%）时，此钢具有良好的耐腐蚀性。在高浓度硝酸中，其腐蚀率w 0.25mm/a。由于焊接性较好，可作为浓硝酸容器用钢。但是为了 防止磁钢焊后的碳化物和碳、氮化物析出，使耐蚀性降低，钢中 含 C 量要求非常低（0.01%）。00Cr9Ni25Si7（Nicrofer 2509 Si7）此钢系德国克虏伯公 司发展的。钢中铬量仅 9%远低于一般奥氏体不锈钢的铬量（17%-18%，其目的是为了使此种咼硅钢具有可接受的热加工 20(性。由于钢中硅量高，故此钢仍具有不锈性。同时，高镍量也可 使此钢在高硅量条件下获得稳定的奥氏体组织，但镍量太高，会 有 FesNisSiz金属间化合物析出而使钢的性能恶化。此
9、钢的强度比 4%Si钢高，但是延伸率仍可高达 70%这有益于板式换热器的冷 加工的成形。00Cr9Ni25Si7 钢的耐浓硫酸性能的等腐蚀图见图 6，结果是令人满意的 4(X1 92 94 孙 100 图6几种不锈钢在浓硫酸中的等腐蚀图 00Cr11Ni22Si6Mo2Cu(SS-920)是20世纪九十年代国内开发的 耐咼温，咼浓度硫酸用奥氏体不锈钢，除咼硅外，还含2%M和 1%Cu 以便更适用于硫酸用途。此钢的力学性能、耐蚀性、冷成型性和焊接 性等与前述00Cr19Ni25Si7钢有许多类似之处。此钢具有良好的耐高 温、高浓度硫酸腐蚀性能，高塑性，较好的冷成型性；但焊接性能也 较差，必须采用
10、激光焊且焊后需固溶处理，才能保证钢的综合性能。图7是此钢在90%浓硫酸中的耐蚀性。2X17 200 0.1mm/a)解度，从而可提高氮向钢中的加入量,所以为获得奥氏体组织,以锰、图7 SS-920在浓硫酸中的等腐蚀率曲线 4.以锰、氮代镍的奥氏体不锈钢 锰和氮均为奥氏体形成元素，特别是氮，其在钢中形成奥氏体的 能力约为镍的30倍。锰形成奥氏体的能力虽然较弱，仅为镍的二分 之一，但锰稳定奥氏体的能力很强，而且还能显著提高氮在钢中的溶 氮相结合代镍是最佳匹配，成为了既能获得奥氏体组织又能节约铬镍 奥氏体不锈钢中镍的主要合金化方向 据统计，全世界的镍产量中每年约有 60%用于生产不锈钢。镍是 比较稀
11、缺且价格昂贵的元素，特别是在战争时期，由于镍也是战略物 资，因此镍的供应更为紧张；而在和平时期，不锈钢的成本和售价也 常随镍价的涨跌而波动。为此，自20世纪30年代起，德、美诸国便 开始了以锰、氮代镍的铬锰奥氏体不锈钢的研究，至20世纪40年代 便取得成效，开发了铬锰（氮）系奥氏体不锈钢。一般认为，目前已有的以锰、氮代镍的一些铬锰奥氏体不锈钢牌 号与其所希望代替的铬镍奥氏体不锈钢相比，是一类虽然强度高但耐 蚀性、成型性(包括热加工性)和焊接性等均相对较低的一类节镍不 锈钢。SS92O 近来，由于向钢中加入高氮量的工艺、技术、装备的进步，国内 外不仅在大力开发高氮高强度的铬锰奥氏体不锈钢，而且对
12、不加锰仅 向钢中加入氮而开发的无锰、低镍、高氮和无锰、无镍、高氮奥氏体 不锈钢的研究已取得了引人注目的进展，引起了国内外的日益广泛的 关注。AISI200系铬锰奥氏体不锈钢 AISI201(1Cr17Mn6Ni5N和 AISI202(1Cr18Mn8Ni5N。为了节镍，AISI201 和 AISI202 所对应 着代替的Cr-Ni奥氏体不锈钢的牌号是 AISI301和302。表4列出了 AISI201和202与希望它们替代的AISI301和302力学性能的对比，可以看出AISI201和202的屈服强度比AISI301和302高达30%以上。这虽然在一定程度上弥补了 Cr-Ni奥氏体不锈钢固溶态
13、强度偏低的 不足，但也给习惯按301、302和304的性能进行生产、加工和使用 时带来了诸多困难和不便。表4 AISI201和202与AISI301和302的室温力学性能 牌号 J N/mm*)%N/iTini：!)HRB AISI 201 80S 377 56 90 202 720 377 55 90 A1SI 301 758 276 60 肝 302 621 276&0 85 表5列出了 1Cr17Mn6Ni5N和1Cr18Mn8Ni5N的耐晶间腐蚀性能并 与0Cr18Ni9(304)进行了对比。可以看出，固溶态的 201和202和 304均无晶间腐蚀敏感性，而敏华态则均对晶间腐蚀敏感。但
14、在硝酸 中，不论敏化态还是固溶态，304钢的耐蚀性均优于201、202，而敏 化态，201和202的耐腐蚀性则更远低于304。表5 AISI201和202与304晶间腐蚀敏感性对比 牌号 硝酸法 硫酸中硫餓钢展 敏化态 同溶恋 敏化态 AISI 201 0-448 24+21 无品间腐蚀 有品何腐蚀 AIS1 202 S 670 27.22 无捅间僭蚀 AIS1 301 0.2&0 64 无晶風槪饨 有晶间腐烛 低镍高锰的 AISI205(1Cr17Mn15Ni1.5N0.3)钢较 AISI201 加工 硬化倾向小，希望用于旋压和特殊的深拉伸以及无磁、低温等用途。211钢系在AISI201的基
15、础上提镍、去氮加铜。得到：低冷加工 硬化钢 211(0Cr16.5Mn6Ni5.5Cu1.7)和冷镦用钢 204Cu(1Cr16.5Mn8Ni3Cu3N。提镍和加铜可降低钢的冷加工硬化倾向。镍和铜均稳定奥氏体，提高钢的层错能。去氮，把钢中氮量降到w 0.05%,可使氮的固溶强化作用下降，以降低钢的冷成型性因子(f)(见图8),有益于改善钢的冷成形性。1aK 4 o M 14 n al J a-hlj III Lai 0.02 0.02 0.04 0.()6 0.0H OJD Nflb)图 8 氮对 211 钢的冷成形性因子的影响 图9是211钢的冷加工硬化行为。可以看出211钢的冷加工硬化 敏
16、感性低于AISI201，但与AISI304相近。211的冲孔，打印、弯曲、拉伸、等也与AISI304相同，是一种在冷成形性方面可与304互换的 铬锰系钢。在改进型201钢基础上加入2.0%4.0%Cu形成了 204Cu系不锈 钢(0Cr17Mn8Ni2.5Cu3N,虽然含氮量要求在 0.05%0.25%范围内，但由于氮对冷成型性的不利影响，而又希望氮量尽量低的一种牌号。为了节镍，此钢的含镍量在 1.5%3.5%区间内，此钢主要用于冷镦 用途。高耐腐蚀钢 216(0Cr20Mn8.5Ni6Mo2.5N0.4)是向 AISI201 钢中 加入2.0%3.0%Mo提高铬量到约20%提高氮量到0.4%
17、而开发的，由于此钢强度高，耐蚀性好，希望能代 AISI316。耐晶间腐蚀优良的 210L(00Cr16.5Mn6.5Ni4.5N0.15)、204L(00Cr18Mn9Ni6)和 216L(00Cr20Mn8.5Ni6Mo2.5N0.4)是降低 AISI201和非AISI的204、206中的C量到W 0.03%,以提高这些牌 号的耐敏化态晶间腐蚀性能，它们可用于厚截面尺寸钢材的焊接用 途。20 44)60 狰加工率 图 9 211 钢的冷加工硬化行为 易切削钢203EZ(0Cr17Mn6Ni5.5Cu2S是向钢中加入约 2%勺Cu 和约0.3%的S,使此钢易切削，而且冷成型性好，希望代替AIS
18、I303。总结：合金元素对奥氏体不锈钢组织性能的影响涉及因素多，情况比 较复杂，且随着钢的化学成分的不同，实验条件、使用条件的变化，所得结果差异较大，因而很难一一列举。本文仅涉及奥氏体不锈钢的 部分元素影响。参考文献 1 Peck ner D et al.Han dbook of Stai nless Steels,1997 2 Marshall P.Austenitic Stainless Steel Microstructure and Mechanical Propertics,1984 3 陆世英，不锈钢，化工腐蚀与防护手册一一耐腐蚀金属材料，北京；化学工 业出版社，1989 4 陆世英等，不锈钢应力腐蚀事故分析与耐应力腐蚀不锈钢，北京，原子能工 业出版社，1985 肖纪美，不锈钢的金属学问题，北京，冶金工业出版社，1983 冈毅民，中国不锈钢腐蚀手册，北京，冶金工业出版社，1992