不銹鋼中合金元素的作用及其研究現(xiàn)狀

宋菲菲

摘 要：不銹鋼有著較好的可焊接性、耐腐蝕性以及容易加工的特性，在各工業(yè)部門及日常生活中已得到廣泛應(yīng)用。不銹鋼的性能同其中的合金元素有著密切的關(guān)系。本文旨在分析不銹鋼中合金元素的作用及其研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：不銹鋼；合金元素；作用；研究現(xiàn)狀

不銹鋼耐蝕性優(yōu)良、金屬質(zhì)感強(qiáng)、美觀耐用，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。隨著航空航天事業(yè)、高端制造業(yè)的不斷發(fā)展，迫切需要各種具有獨(dú)特性能的新型合金的出現(xiàn)。與此同時(shí)，不同合金元素在不銹鋼中的作用也逐漸成為研究熱點(diǎn)。

1 不銹鋼中合金元素的作用探討

1.1 高N馬氏體不銹鋼

這是一種硬度和耐腐蝕性相配合的不銹鋼。采用加壓感應(yīng)熔煉鑄造法，使鋼中含N為±0.5%，稱為高N馬氏體不銹鋼，適用于制造汽車和半導(dǎo)體裝置的軸承。

1.2 高硬度與加工性好的奧氏體

不銹鋼開發(fā)高硬度與加工性能好的奧氏體不銹鋼時(shí)，以國標(biāo)1Cr17Ni7鋼為基準(zhǔn)，減少含C量，加入Nb，使晶粒微細(xì)化，增加由加工誘發(fā)的馬氏體量，使之保持好的加工性，提高彈性和疲勞強(qiáng)度，適用于制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣管。

1.3 節(jié)能和省資源型不銹鋼

1.3.1 無Mo型高耐熱鐵素體型

不銹鋼在鋼中不加入Mo，利用Cu的析出強(qiáng)化和Al的固溶強(qiáng)化，提高鋼的高溫強(qiáng)度，這是一種省資源型高耐熱鐵素體不銹鋼，適用于制作汽車排氣系統(tǒng)部件。

1.3.2 無Mo增Cr鐵素體型

不銹鋼開發(fā)無Mo增Cr鐵素體型不銹鋼的目的是為了取代國標(biāo)0Cr18Ni9不銹鋼，把Cr的含量提到21%，提高其耐腐蝕性，因而減少不銹鋼的用量，節(jié)約資源。

1.3.3 無Mo增Sn鐵素體型

不銹鋼在含Cr（14～16）%的鋼中加入 Sn，以提高其耐腐蝕性，也是一種耐蝕鐵素體型不銹鋼，節(jié)約了資源。省合金型高強(qiáng)度耐腐蝕的不銹鋼在兼有高強(qiáng)度和耐腐蝕的不銹鋼中，設(shè)法減少Ni和Mo用量，就能開發(fā)省合金型高性能的不銹鋼，可用于水利、鋼鐵、化工、水處理、土木和海水淡化等裝置和設(shè)施中。

1.3.4 特殊用途不銹鋼

為了防止由強(qiáng)氧化性硝酸引起的晶界腐蝕就需要開發(fā)夾雜物極低的超高純度、高耐蝕性不銹鋼。

1.4 奧氏體形成元素

不銹鋼中的奧氏體形成元素主要有C、N、Ni、Mn和Cu等。碳和氮都是強(qiáng)烈形成并穩(wěn)定奧氏體的元素，碳氮元素容易與其它合金元素以碳、 氮化物的形式析出，所以碳氮含量的增加，會(huì)使得不銹鋼的強(qiáng)度提高，但是沖擊韌性下降，韌脆轉(zhuǎn)變溫度上升。研究了碳含量對熱軋低碳12Cr-Ni不銹鋼的組織及性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著含碳量由0.004%增加到0.034%，不銹鋼的強(qiáng)度、硬度增加，伸長率和沖擊韌性下降。當(dāng)含碳量為0.004%時(shí)，沖擊韌性最好。另外，碳元素的存在，過飽和的碳將以碳化物形式析出，造成臨近區(qū)域貧鉻，使得奧氏體不銹鋼具有較高的晶間腐蝕敏感性。氮在不銹鋼中的普遍且大量應(yīng)用是近十多年不銹鋼材料領(lǐng)域最重大的發(fā)展。氮在鐵素體不銹鋼中是有害的，它會(huì)提高鐵素體不銹鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度。氮元素在奧氏體不銹鋼中可以部分替代鎳元素以節(jié)約鎳，同時(shí)起到固溶強(qiáng)化的作用，可顯著提高奧氏體和不銹鋼的室溫和高溫強(qiáng)度。氮還可以起到提高奧氏體不銹鋼耐腐蝕性能。郎宇平研究發(fā)現(xiàn)，氮和適量的鉻、鉬結(jié)合，可以顯著提高奧氏體不銹鋼的耐點(diǎn)腐蝕和耐縫隙腐蝕的能力。且隨氮含量增加，奧氏體不銹鋼耐點(diǎn)腐蝕和耐縫隙腐蝕能力也增加。然而當(dāng)鋼中含氮量超過某一定量，將對不銹鋼的性能產(chǎn)生某些不良影響，例如對奧氏體不銹鋼而言，氮含量超過0.12%～0.15%時(shí)，鋼的冷、熱加工性和冷成型性能將有所下降，所以研究氮含量對不銹鋼性能的影響也是重要研究方向之一。

在不銹鋼中加入一定數(shù)量的銅可改善鋼的耐蝕性、力學(xué)性能、冷成形性能和切削加工性能。另外，銅的添加還能增加不銹鋼的抗菌性能，317L不銹鋼、317L-Cu（4.5%）和 Ti-6Al-4三種材料在植入過程中的抗菌能力進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，317L-Cu（4.5%）的體內(nèi)、體外抗菌性和生物相容性強(qiáng)，可作為生物材料以減少植入物相關(guān)感染，富銅的金屬間化合物的彌散析出，是不銹鋼獲得表面抗菌性的原因。銅元素添加的不利一面是隨鋼中含銅量的增加，不銹鋼的熱塑性降低，從而會(huì)影響鋼的熱加工性能。

2 不銹鋼發(fā)展展望

通過科研工作者多年來對不銹鋼冶煉過程成分設(shè)計(jì)、析出相控制、鐵素體/奧氏體比例和形貌研究，使不銹鋼的腐蝕性能和力學(xué)性能有了長足的改善，部分性能優(yōu)于奧氏體和鐵素體不銹鋼。而且不銹鋼是一種資源節(jié)約型的高性能的不銹鋼產(chǎn)品，它的生產(chǎn)和應(yīng)用符合不銹鋼未來發(fā)展的方向。從國際上看，不銹鋼的發(fā)展在生產(chǎn)工藝、推廣應(yīng)用等方面都取得了更多的經(jīng)驗(yàn)和更大的成就，多種不銹鋼牌號已經(jīng)研制成功，并得到很好的應(yīng)用；從國內(nèi)來看，不銹鋼的發(fā)展也在迎頭追趕，開發(fā)的一些牌號都有了成功的應(yīng)用，出現(xiàn)了良好的范例。可以預(yù)料，隨著不銹鋼的性能繼續(xù)優(yōu)化，生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)一步挺高，使用比例在今后還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，逐步取代奧氏體不銹鋼。

3 結(jié)語

本文編述了不銹鋼合金元素的現(xiàn)狀和作用。從構(gòu)建未來美好社會(huì)、解決能源問題和地球環(huán)境問題等方面來說，不銹鋼的使用和發(fā)展是不可缺的。高純不銹鋼冶煉技術(shù)和多輥連軋的開發(fā)，也是很重要的。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭善舉等.氮元素對馬氏體不銹鋼組織和性能的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2017，38（01）：100-105.