無錫不銹鋼板的材料組織控制
時間：2019-06-13
作者：無錫不銹鋼板
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我國現已成為世界上產量最大的無錫不銹鋼生產國，但由大變強還應該學習國際經驗，在提高產品質量和擴大品種方面進行技術研發。特別是無錫不銹鋼作為耐蝕性強的鋼種，其化學性質本由合金成分來決定，但為充分發揮合金本來具有的特性，需以材料組織的最佳化為前提。同時，無錫不銹鋼還是機械性能優良的材料，為和其它鋼鐵材料具有同樣的強度、加工性和韌性等必要的特性，亦需要最佳的材料組織控制。為此，根據日刊資料介紹點相關情況，以供參考。
1 按材料組織對無錫不銹鋼分類
由于無錫不銹鋼的特性和其材料組織有密切的關系，故通常按組織分類為各系。如日常用的大宗產品，有由SUS304所代表的奧氏體系無錫不銹鋼和以SUS430和高純鐵系體系組成的鐵素體不銹鋼，以及由SUS420J1所代表的淬火硬化能高的馬氏體系不銹鋼等，其它特殊品種還有雙相不銹鋼和析出強化系不銹鋼等。若從主要組成元素看，則奧氏體系不銹鋼、雙相不銹鋼和析出硬化系不銹鋼可分別稱為Ni－Cr系或Ni系不銹鋼；而鐵素體系不銹鋼和馬氏體系不銹鋼則稱為雙相不銹鋼Cr系不銹鋼。
2 不銹鋼的組織、材質控制和新鋼種開發
(1) 奧氏體系不銹鋼（SUS304、SUS301和SUS304JI）
SUS304具有耐蝕性、耐熱性和加工性俱優的特性。由和它對應的Fe－Cr－8%Ni合金的平衡狀態圖得知，其初晶為鐵素體，但18%Cr的SUS304的凝固狀態卻采取了稱之為FA的模式，即先以鐵素體致易脆化，但鐵素體則由于對S的固溶度大致發揮了固S的作用，其結果可使奧氏體的結晶粒界得以清凈而強化。在無錫不銹鋼板的生產工序，一般多采取在連鑄時殘留部分鐵素體而在熱軋加熱時可固溶化為奧氏體單相的原則調整成分。
SUS309的鋼板在冷軋后實施固溶化熱處理以形成奧氏體單相組織下使用。但SUS304因含有0.05%的C，因此在由奧氏體單相溫度區緩冷時將有Cr23C6等含Cr碳化物在晶界析出，使晶界附近的組織中Cr不足而產生粒界腐蝕現象，亦即產生敏感化，從而在使用SUS304時應注意參考敏感化曲線（TTS曲線）進行加熱，以防止出現意外損壞。還可在必要時改用SUS304粒界腐蝕阻抗強化的鋼種，如減少C的SUS304L和增加Mo的SUS316等鋼種。
SUS304的機械性能亦優，特別是延伸性和加工硬化指數n值大，致外延加工性優。SUS304和SUS301被稱為冷穩定奧氏體無錫不銹鋼板，加工時則產生奧氏體變態為馬氏體的加工誘發變態，通過電子顯微鏡觀察圖象得知，由于伴隨加工所施加的應力助長了馬氏體變態所需的剪斷變形，致使變態的驅動力加大而形成加工誘發馬氏體變態的。由于它的形成致使縮頸等局部變形受到抑制而得到高延伸性的變態誘發塑性（TRIP）。
(2) 高純度鐵素體系不銹鋼（SUS430LX、SUS444等）
由于高純度精煉技術的進步，典型的夾雜元素碳得以大幅下降，使耐蝕性、加工性和焊接性等均得以改善的高純度鐵素體系不銹鋼陸續開發成功。
高純度鐵素體系不銹鋼的特點為：在低（C＋N）化的同時加入Ti或Nb以穩定化，為穩定腐蝕環境而加入合適的Cr，并同時加入必要的Mo或Cu以提高耐蝕性，簡述如下：
提高耐蝕性
孔蝕電位及間隙腐蝕臨界電位和Cr、Mo含量的關系重大，高純度鐵素體系不銹鋼的耐蝕性基本上靠Cr、Mo含量來保證。但是，由于鐵素體系不銹鋼和奧氏體系不銹鋼相比，其固溶C、N的極限很小致使碳化物、氮化物易在結晶粒界析出而成為耐粒界腐蝕性降低的原因。從而高純度鐵素體系不銹鋼不僅要降低C、N含量，還需加入稱為穩定化元素的Ti、Nb以確保耐粒界腐蝕性。如21Cr－1Mo鋼將（C＋N）抑制在＜0.01%或在0.02%以下時加入0.2%以上的Nb均可保證良好的耐粒界腐蝕性。
（b）提高機械性能
高純度鐵素體系不銹鋼的主要合金成分為Cr加上適量的耐蝕性元素，由于此類合金元素的固溶強化致使它的延伸性比軟鋼還低。從而為確保其延伸性提高，除將合金元素控制在確保耐蝕性的最低限外，對其它雜質元素應盡量降低以力求高純度化。經對極低C、N－17Cr鋼延伸性有影響的Si、P、Ti的含量試驗分析結果得知，當（0.9Si＋8.6P＋2Ti）%由0.8%降低到0.2%時，延伸率則由34%提高到40%以上。由此可知，降低C、N含量有利于穩定化元素Ti的降低，由此，便可對抑制延伸性下降作出貢獻。
（c）高加工性提高表面質量
鐵素體系不銹鋼成型加工后易產生表面凹凸現象，不僅影響表面美觀，且加大了加工后表面研磨工序的工作負荷。一般鐵素體系不銹鋼高純度化后則表面凹凸亦加大，其原因為由于高純度化使板坯的鑄造組織粗大化，在熱軋過程中易成為表面缺陷形成原因的{100}＜011＞方向粒集中生成（以下簡稱“群體”），從而在通過高純度提高加工性的同時必須開發降低表面缺陷的生產技術。從這一觀點出發，對開發成功的高加工性鐵素體系不銹鋼（極低C、N－17Cr－Ti－Mg）的材料設計思路簡介如下。
3 小結
不銹鋼為耐蝕性和機械性能均優的材料，為發揮其固有的優勢需選用加入合金的種類、數量以控制其材料組織。本文以代表性鋼種SUS304和SUS430LX等作為通用的奧氏體系和鐵素體系不銹鋼為例，對如何進行組織控制作了簡介。此外，并對最近利用材料組織控制技術開發成功的極軟質奧氏體系不銹鋼和高加工性鐵素體系不銹鋼的材料設計作了介紹，以供大家了解和參考。