目前的奥氏体不锈钢体系,是以18-8铬镍不锈钢为基础,按照工况条件的需求,不断进行改进和发展而形成的。
据已有资料可知,B.Strauss和E.Maurer等人早期开发的奥氏体不锈钢中碳含量很高,规格要求是≤1%。碳含量如此之高,当然组织中不会有铁素体,而铸态组织是奥氏体和沿晶界析出的大量碳化物。经适当的固溶处理后,碳基本上可以全部溶入奥氏体,得到全奥氏体组织。很可能基于这种原因,当时称之为“奥氏体不锈钢”,后来,经过不断的改进,碳含量逐步降低,又增加其他合金元素,已不再是完全奥氏体组织,但仍沿袭了当初惯用的名称。
溶有大量碳的奥氏体,只要短时间加热到425~870℃,Cr23C6型碳化物就会析出于奥氏体晶界,呈网状。Cr23C6中铬含量高达75%,导致其周围奥氏体中的铬含量降低,形成贫铬层,在多种介质中的钝化能力都相当低,因而耐蚀性能不能适应日益提高的要求。
1.降低碳含量
奥氏体不锈钢的晶间腐蚀主要是由于钢中析出碳化物、其周围形成贫铬层所引起的。提高奥氏体不锈钢的抗晶间腐蚀能力,最有效的办法是降低钢中的碳含量。因此,从早期≤1.0%的碳含量,发展到碳含量≤0.20%的基本型18-8不锈钢;进而,又将碳含量降低到0.08%以下;然后,又进一步发展到碳含量50.03%的超低碳不锈钢。
碳含量≤0.08%的奥氏体不锈钢,经1050~1100℃固溶处理后,碳都可以固溶在奥氏体中,只要不加热到425℃以上,就可以保持优良的耐蚀性能。
超低碳不锈钢。铸态组织中的碳就很少,经固溶处理后,在425~870℃下停留或施焊后,晶界上也不会有明显的Cr23C6型碳化物析出,因而铸件可在温度较高的工况条件下使用,施焊后也可不必再进行固溶处理。
目前,广泛采用的铸造奥氏体不锈钢,与早期奥氏体不锈钢的主要差别是大幅度降低了碳含量。相关的标准中,只有美国ASTM标准中仍然保留有CF20(C≤0.20%)、CF16FC≤0.16%)、CF10(C≤0.10%)等碳含量比较高的牌号;日本JS标准中也保留有SCS13(C≤0.20%)的钢种。
国际标准和我国标准中,没有碳含量超过0.08%的钢种;欧洲标准中,奥氏体不锈钢碳含量的上限值是0.07%。
2.加入固碳作用强的铌
提高奥氏体不锈钢抗晶间腐蚀能力的另一途径是改变碳化物的类型。有些强固碳元素,如铌,与碳结合的能力大于铬。钢中碳含量较高时,如果加入适量的铌,并经过适当的稳定化处理,就会与碳结合、形成稳定的碳化铌,使奥氏体中固溶的碳量降低,这样就有了与降低钢中的碳含量相同的效果。因此,如果碳含量较高的奥氏体不锈钢中加有铌,铸件受热(800℃以下)后,也不致析出Cr23C6型碳化物,因而不会影响其抗晶间腐蚀的能力。
铌一般都用于碳含量较高的奥氏体不锈钢,碳含量≤0.03%的钢就没有加铌的必要。铌的加入量取决于钢的碳含量,加入量不够,不足以抑制Cr23C6型碳化物析出;加入量太高,既不必要,也影响钢的性能。实际生产中,钢中铌含量(质量分数,%)宜控制在如下的范围内:1.0%≥(Nb)≥10(C-0.02)%。式中:Nb-钢中的铌含量,也可以是或铌含量和钽含量的和;
C-是钢中的碳含量(质量分数%),"0.02"表示钢中可有0.02%的碳溶于奥氏体而不形成碳化物。目前,国际标准、我国标准、美国标准和日本标准中都列有含铌的奥氏体不锈钢牌号,都是碳含量≤0.08%的钢种;欧洲标准中则是碳含量≤0.07%的钢种。
3,加入其他合金元素
(1)钼,奥氏体不锈钢中加入钼,可以提高钢的抗点腐蚀的能力,因为含钼的钢,氧化膜比较致密,能增强不锈钢的钝化能力。为此,钢中的钼含量一般为2.5%左右。钼是铁素体稳定元素,而且加入量又较多,为使钢中铁素体量不致太多,有时在加钼的同时还适当地提高镍的含量。为改善钢在稀硫酸等非氧化性酸中的耐蚀性。也有必要适当地提高钢中的镍含量。可根据工况条件的要求,将镍含量自9%提高到12%、15%乃至22%。同时,还可配加Mo、Cu等合金元素。对于高温、高浓度的非氧化性酸,常用不锈钢的耐蚀性都不能令人满意,就应考虑用其他耐蚀材料,如镍基合金等。各种标准中,含钼的钢种都很多。碳含量相同的奥氏体不锈钢,几乎都有不含钼的牌号和含钼的牌号。
(2)氮,奥氏体不锈钢中,氮促进奥氏体的作用大体上与碳相当,大约是镍的30倍。在碳含量<0.03%的钢中,加入0.10-0.25%的氮,可以稳定奥氏体、补偿降低碳含量而致的负面作用。如钢中加入了氮,则凝固时不产生δ——铁素体,直接形成奥氏体枝晶。奥氏体长大时,稳定铁素体的元素析出于枝晶间的部位。最终的组织是奥氏体枝晶和位于枝晶间的铁素体。通过适当的控制,也可以是全奥氏体组织。氮还可以使奥氏体固溶强化,在保持铁素体含量大致相同的条件下,加入氮可明显提高钢的抗拉强度和屈服强度。
(3)硒,奥氏体不锈钢中加入0.20~0.35%的Se,使钢中含有复杂的硒化物,铸件机械加工时可以使切屑易于碎断,从而改善加工性能。目前,只有美国ASTM标准中列有含硒的牌号‘CF16F’。
4,开发铬锰镍氮不锈钢
铬锰镍氮不锈钢是为节约镍而开发的钢种,即在钢中以Mn和N取代或部分取代镍,得到基体组织以奥氏体为主的不锈钢。锰的价格低廉,而且是促进奥氏体形成的重要元素,但其作用大约只是镍的12,如果要用锰取代18-8铬镍钢中全部的镍,则锰含量应是20%左右,这将严重恶化钢的加工性能和焊接性能,因而是不可取的。氮扩大奥氏体区的作用很强,大约是镍的30倍,但其在钢中的溶解度很小,且易使铸件产生气孔,因而其含量也不能太多。
铬锰镍氮不锈钢的基本思路是以18-8铬镍钢为基础,保持18%左右的铬含量不变;将镍含量降低到4%左右,同时以2倍的锰补偿减少的镍;再加0.15%~0.25%的氮以进一步稳定奥氏体。
像18-8铬镍钢一样,为改善耐蚀性能,钢中还可加入Mo,Cu等合金元素。铬锰镍氮不锈钢的耐蚀性能基本上与18-8铬镍钢相当,力学性能甚至还略高一些。目前,各国有关标准中都列有含氮的铬镍奥氏体不锈钢,而未见锰含量在7%以上的铬锰镍氮不锈钢、和铬锰氮不锈钢。我国标准GB/T 2100-1980中曾经列有两种铬锰镍氮不锈钢,和一种完全不含镍的铬锰氮钢。2002年修订这项标准时取消了这3种牌号。现在,我国机械行业标准JB/T6405-1992《大型不锈钢铸件》中还列有铬锰镍氮钢和铬锰氮钢各一种。