無錫不銹鋼板廠家無錫漢能不銹鋼2020年8月31日訊 不銹鋼（Stainless Steel）是不銹耐酸鋼的簡稱，耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質或具有不銹性的鋼種稱為不銹鋼；而將耐化學腐蝕介質（酸、堿、鹽等化學浸蝕）腐蝕的鋼種稱為耐酸鋼。每種不銹鋼都在其特定的應用領域具有良好的性能，新品種開發成功的關鍵首先是要弄清用途和使用環境，然后再確定正確的鋼種。

全球主要不銹鋼生產國集中在亞洲地區，我國在2006年已然成為全球最大的不銹鋼生產國，緊隨其后的分別是印度、日本。21世紀以來，我國的不銹鋼產量占全球比例快速提高，從2001年的3.8%，提高到2016年的54.48%，產量達到2493.8萬噸。奧氏體不銹鋼由于具有無磁性，良好的焊接性能和抗蝕性能，成為產量、用量最大，型號最多的一種不銹鋼，全世界不銹鋼的產量中，奧氏體不銹鋼占75%。

隨著奧氏體不銹鋼的應用領域愈來愈廣泛，對奧氏體不銹鋼強度、韌性、低磁性和耐蝕性均提出了越來越高的要求。我國目前的不銹鋼也主要以奧氏體不銹鋼為主，包括200、300系和400系。

傳統奧氏體不銹鋼如0cr25ni20多為高Ni含量，其合金元素范圍是：WC≤0.08%，19.0%＜WNi＜22.0%，24.0%＜WCr＜26.0%，2.0%＜WMo＜3.0%，WMo≤2.0，WSi≤1.0，WS≤0.030，WP≤0.035。我國鎳礦的資源量有限，為了滿足國內不銹鋼行業的強勁需求，每年需要從國外進口大量的鎳資源，導致了近年來Ni價的持續高漲，而且全球的鎳供應缺口不斷擴大。隨著我國不銹鋼產量的增加，Ni的供需矛盾將日益凸顯，唯一的解決辦法就是生產節鎳型的不銹鋼，降低Ni系不銹鋼的比例。

20世紀50年代中期，肖紀美院士在美國開展了650℃以上工作溫度的節鎳不銹耐熱鋼的研制，通過系統研究相圖與相變，他提出可以用錳、氮部分或全部代替奧氏體不銹鋼中的鎳。同時首次提出了節鎳奧氏體不銹鋼基本成分設計和力學性能計算的方法和計算圖。該鋼種要形成完全奧氏體組織所需的最低碳、氮含量可通過下列公式計算：WC+WN=0.078（WCr-12.5%）。

《材料熱力學和動力學計算在鋼鐵材料中的應用》一書中系統的計算了高N節鎳型不銹鋼的相圖以及合金元素對奧氏體不銹鋼相區的影響，提出采用Thermo-Calc熱動力學軟件進行高氮節鎳型不銹鋼的成分設計的原理和方法，本文簡做介紹。

首先，采用Thermo-Calc軟件及其附帶的TCFE9數據庫計算了傳統310S不銹鋼相圖（見下圖），310S不銹鋼的基體成分為FE-0.03%C-0.20%Si-1.3%Mn-25%Cr-20%Ni-0.03%Mo-0.0050%N。從傳統310S不銹鋼相圖上可以看出，在低Ni端存在四種類型的含鐵素體（BCC）相區：BCC、L+BCC、FCC+BCC、L+FCC+BCC。奧氏體不銹鋼是使用狀態下以奧氏體組織為主的不銹鋼，因此，要想在較寬的溫度區域下形成單一的FCC相，則鋼中Ni含量必須大于18%，如圖中箭頭所示。根據肖紀美院士的研究結果，確定節鎳不銹鋼的品種開發設計采用高Mn、高N替代Ni的思路。

傳統310S不銹鋼相圖（界面圖）

接下來，研究不添加Ni元素時在合金設計上是否可行。通過Thermo-Calc軟件計算FE-0.03%C-0.20%Si-9%Mn-25%Cr-0.03%Mo-0%Ni-xN多元合金系相圖的結果分析得出，即使在N含量高達1%時在整個溫度范圍內仍然無法獲得單一的奧氏體相區。由此可見，用氮元素全部替代鎳元素的成分設計思路不可行，必須合理的調整N-Ni比例，在低Ni的基礎上采用高N成分設計獲得節鎳型奧氏體不銹鋼。

無鎳不銹鋼相圖（界面圖）

根據以上思路分別使用Thermo-Calc軟件計算了N含量為0.0050%、0.1%、0.3%、0.5%時FE-0.03%C-0.20%Si-9%Mn-25%Cr-0.03%Mo-N-Ni系多元合金相圖，結果示于下圖。下圖中（a）為0.005%N含量（鋼中殘余N）時多元合金相圖，如圖所示，1000℃時獲得單一奧氏體相區的臨界Ni含量為25%，此時和傳統310S不銹鋼的合金設計成分類似。下圖（b）為0.1%的N含量多元合金相圖，1000℃時獲得單一奧氏體相區的臨界Ni含量為20.9%，增加N時獲得單一奧氏體相區的臨界Ni含量顯著下降。進一步增加N含量到0.3%和0.5%時（下圖（c）、（d）），1000℃獲得單一奧氏體相區的臨界Ni含量分別為12.4%和5.6%。

將以上計算結果匯總后得到鋼中N含量和1000℃時獲得單一奧氏體區臨界Ni含量的關系圖，如下圖所示，通過大幅度增加鋼中N含量，獲得奧氏體不銹鋼的最低Ni含量可以節省50%以上。

不同N含量時多元合金相圖（界面圖）

1000℃時的臨界Ni含量/%

通過大幅度增加鋼中N含量，獲得奧氏體不銹鋼的最低Ni含量可以節省50%以上。

目前，國內已經開發出各類節鎳型不銹鋼，如1Cr17Mn9Ni4N，化學成分中的部分Ni被Mn、N代替。與傳統1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼相比，其塑性更好，冷作硬化到1200Mpa時伸長率可達到21%-28%，而傳統不銹鋼1Cr17Mn9Ni4N的伸長率只有6%。此外，由于在低溫下變形發生相變誘發塑性效應使其具有優異的低溫性能。

今年11月1日，青山實業在中國國際不銹鋼工業展覽會舉辦之際發布了最新研究的高氮、高耐蝕、高強度節鎳奧氏體不銹鋼304D產品，該品種在研發初期即充分利用了熱動力學計算軟件Thermo-Calc輔助其進行成分設計，維持了304不銹鋼18%鉻的同時通過高氮合金化（2000ppm以上)以及先進制造工藝，使得它在鎳含量大幅度降低3%左右條件下，仍然具有和304不銹鋼相當的耐腐蝕能力、冷壓延和冷成形能力以及可焊性，并解決了304不銹鋼長期以來的強度偏低的問題。

鋼種極低碳化(碳≤0.02%)和高純化(作為雜質元素硫、磷、硅、錳等含量極低)。特殊用途鋼種開發，如熱海水用高鉬鋼、高耐蝕高強度的高氮鋼(氮含量達到0.4%～0.6%甚至0.8%～1.0%)，不銹鋼功能材料(記憶材料、儲氫材料等)等。不銹鋼復合材料、非晶不銹鋼等新工藝開發。日本有學者研究發現，在23Cr-2Mo-Fe系鋼中添加1.3%以上的N，而不添加Ni也能獲得單相不銹鋼，所以未來經濟型奧氏體不銹鋼的研究還是有廣大空間可以開拓。