冶金行業(yè)AOD煉鋼培訓教材65頁.doc

AOD培訓教材氬氧精煉爐培訓教材目錄第一章 AOD發(fā)展史第二章 不銹鋼基礎知識第三章 不銹鋼冶煉理論基礎第四章 AOD爐的設備第五章 AOD爐冶煉工藝第六章 AOD爐的耐火材料第七章 AOD爐操作教程第八章 AOD安全操作教程第一章 AOD發(fā)展史一、AOD法的誕生 美國的聯(lián)合碳化物公司(UnionCarbideCorp)是一個大量生產(chǎn)鉻鐵的公司，曾集中不少研究工作者，致力于Fe-Cr-C系的研究，在鉻鐵合金的固態(tài)與液態(tài)脫碳方面取得了許多專利。 五十年代，Hilty曾在那里進行過關于不銹鋼吹氧脫碳時溫度和鉻、碳之間關系等有深遠影響的研究工作。Krivsky在該公司從事研究工作時于1954年提出了用混合氣體降低CO分壓來脫碳的設想，其研究成果分別于1956年和1960年獲得了專利。他認為，一般的吹氧脫碳，其可能的溫升范圍受到各種限制，而其他的高效率脫碳手段是真空熔煉(注：當時還無真空處理中吹氧脫碳)，但其成本又非常高。因此，他提出了一種比較簡單而又經(jīng)濟的生產(chǎn)低碳鉻鋼的方法，即依靠O2-Ar混合氣體來降低CO分壓的脫碳方法。但在當時，他的這個觀點并未被一些知名的不銹鋼生產(chǎn)廠所接受，只有一個很小的Joslyn廠對此感到興趣。1967年在實驗工廠完成了預備試驗，次年4月在土8噸的氬氧精煉爐上開始了工業(yè)性生產(chǎn)，其間整整經(jīng)歷了十年。試驗之所以持續(xù)了這么長久，據(jù)說是因為五十年代末U.C.C剛剛積累了低碳鉻鐵生產(chǎn)的種種技術，怕AOD法的順利發(fā)展將不可避免地導致對高價的低碳鉻鐵需求的減少，因而對此法沒有熱情。此外從技術上看，關于Ar-O2混合氣的吹入方法、風口等問題的研究，大致也經(jīng)歷了十年時間，這些也是AOD法誕生的技術基礎。二、AOD法的發(fā)展最早的Joslyn廠的AOD爐，是將電弧爐熔化的含0.58%C、18%Cr的鋼水，用氬氧脫碳法精煉至含0.04%C、16.5%Cr，然后用硅鐵將已氧化的鉻回收一半左右，總鉻回收率達到9697%。由于AOD法不但可提高鉻的回收率，還可提高生產(chǎn)率和鋼質(zhì)量，因而Soslyn廠的AOD爐從1969年7月起，由間歇式操作改為連續(xù)作業(yè)。在此同時, AOD爐很快遍及世界各地，特別是1972年以后，AOD爐發(fā)展更為迅速。 但初期的AOD法存在兩大問題，即當時氬氣的價格高及風口周圍易熔損，造成耐火材料使用壽命低。AOD過程通常分三個時期，在鋼中含碳量高的第一期,O2：Ar3：1，第二期為2：1，到鋼液中含碳低的第三期為1：2。為了降低鉻的損耗，也有工廠在第一期中氧氬比用15：1，第三期中用1：3的。一般來說，AOD鋼中N要比電弧爐的低，因而在冶煉含氮不銹鋼時，可用氮氣取代昂貴的氬氣，其取代率可達2040%，也有達2050%的55，成本可節(jié)約1.53.0美元噸。Joslyn廠申請用N2取代Ar的專利中，有用O2 18.7標米3噸、Ar14.7標米3噸和N2 6.3標米3噸的實際數(shù)據(jù)56。另外在Terni廠有用O219標米3噸、Ar12標米3噸、Ns7標米3噸的報告。最近UCC公司又提出了在最終階段使用CO2的專利。耐火材料最初用的是鎂磚、鉻鎂磚，最近使用高溫燒成的鉻鎂磚或鎂白云石磚，據(jù)說效果很好。AOD爐爐齡的提高，主要是由于對耐火材料的侵蝕機構(gòu)進行了研究，提出采用局部組合爐襯和改善操作的方針。目前爐齡已由最初的2030次提高到160170次，日本最近甚至達到500次以上。AOD法冶煉的不銹鋼，鋼中氣體的含量達到了接近真空脫碳法的水平和傳統(tǒng)的電弧爐法比較，H由47ppm降低至2.5ppm，N由200400ppm降低至140200ppm，O由45110ppm降低到4080ppm。另外，通過還原渣下吹氬氣激烈攪拌，脫硫率也可達到4060%。三、AOD法的特點隨著科學技術和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，使用部門對不銹鋼的產(chǎn)量和質(zhì)量提出了越來越高的要求。為了適應這一需要，不銹鋼的冶煉工藝發(fā)生了較大的變化，從原來單一的電爐精煉，逐漸發(fā)展成包括各種形式的二次精煉的雙聯(lián)式生產(chǎn)工藝，如電爐真空吹氧脫碳法(EF-VOD，EF-ASEA-SKF)，轉(zhuǎn)爐真空脫氣吹氧法(LD-RH-OB)，電爐氬氧脫碳法(EF-AOD)，電爐烏德霍爾姆法(EF-CLU)等。 不銹鋼冶煉工藝改革的顯著標志是AOD法的廣泛采用，它使不銹鋼的原料適應性增加，成本降低，質(zhì)量改進，產(chǎn)量提高。此外，AOD法冶煉的品種也在不斷擴大。開始時AOD法主要用來生產(chǎn)各類不銹鋼，以后擴大到生產(chǎn)鎳基高溫合金、耐蝕合金，最近更發(fā)展到用它來冶煉各種低合金鋼、硅鋼和鑄件用碳鋼。美國的一些鑄鋼廠，已采用AOD法來生產(chǎn)不銹鋼及其它低合金鋼鑄件，因為AOD爐的成品鋼水化學成分和溫度均勻，流動性良好，可使?jié)沧囟冉档?，從而可大大改善鑄件表面質(zhì)量，防止粘砂缺陷，使鑄件表面清理工作量減少大約20%。可以預期， AOD法還將不斷發(fā)展，成為鋼鐵冶煉中的一支不可忽視的力量。AOD法主要具有下述優(yōu)點： (1)可用100%廢不銹鋼，或廉價的高碳鉻鐵及廢普碳鋼來配料，使原料中含鉻量達到成品規(guī)格要求，從而可省去絕大部分在采用電爐返回吹氧工藝時所必須補加的微碳鉻鐵或金屬鉻，降低了原料成本。例如美國一家公司采用AOD法后，微碳鉻鐵的消耗從1968年電爐單煉時的42.75公斤噸，降為4.125公斤噸。硅鉻合金消耗從10.125公斤噸降低到2.625公斤噸，總鉻回收率達98%，比電爐返回吹氧法提高10%以上。 AOD法等不銹鋼二次精煉法在原料及成本方面的優(yōu)越性，是其迅速發(fā)展的重要原因。作為佐證，美國、西歐、日本等國家和地區(qū)鉻鐵的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，從1972年以來，高碳鉻鐵的產(chǎn)量增加了25.7%，而低、微碳鉻鐵的產(chǎn)量下降了30.2%，各類鉻鐵的總產(chǎn)量下降了19.85%。 (2)采用電爐和AOD爐雙聯(lián)法生產(chǎn)不銹鋼時，電爐中只進行熔化和升溫，因而生產(chǎn)率可提高1015%。電爐熔化和升溫約需2.53.0小時，而AOD爐的吹煉周期大約為7090分鐘，故兩座電爐配一座AOD爐，可達到最佳配合，產(chǎn)量可比電爐單煉時提高4050%。 (3)與其它的不銹鋼二次精煉法相比，AOD法設備簡單，基建投資小，約相當于VOD法的1/3。 (4)過程控制比較簡單。真空吹氧脫碳法要通過氣相分析來判斷終點，還要在真空下加脫氧劑，而AOD法可在大氣下稀釋脫碳，可以造渣、測溫、取樣，相比之下要方便得多。此外與電爐返回吹氧法比較，AOD法更易于冶煉超低碳不銹鋼，且可較穩(wěn)定地實現(xiàn)過程自動控制。(5)AOD法冶煉的不銹鋼，質(zhì)量并不亞于電爐單煉，且鋼中氣體含量略有降低。盡管出鋼時爐渣未完全變白，然而鋼中氧及夾雜含量均與電爐單煉的相當，甚至略低。第二章 不銹鋼基礎知識不銹鋼 通俗地說，不銹鋼就是不容易生銹的鋼，實際上一部分不銹鋼，既有不銹性，又有耐酸性（耐蝕性）。不銹鋼的不銹性和耐蝕性是由于其表面上富鉻氧化膜（鈍化膜）的形成。這種不銹性和耐蝕性是相對的。試驗表明，鋼在大氣、水等弱介質(zhì)中和硝酸等氧化性介質(zhì)中，其耐蝕性隨鋼中鉻含水量的增加而提高，當鉻含量達到一定的百分比時，鋼的耐蝕性發(fā)生突變，即從易生銹到不易生銹，從不耐蝕到耐腐蝕。不銹鋼的分類方法很多。按室溫下的組織結(jié)構(gòu)分類，有馬氏體型、奧氏體型、鐵素體和雙相不銹鋼；按主要化學成分分類，基本上可分為鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼兩大系統(tǒng)；按用途分則有耐硝酸不銹鋼、耐硫酸不銹鋼、耐海水不銹鋼等等，按耐蝕類型分可分為耐點蝕不銹鋼、耐應力腐蝕不銹鋼、耐晶間腐蝕不銹鋼等；按功能特點分類又可分為無磁不銹鋼、易切削不銹鋼、低溫不銹鋼、高強度不銹鋼等等。由于不銹鋼材具有優(yōu)異的耐蝕性、成型性、相容性以及在很寬溫度范圍內(nèi)的強韌性等系列特點，所以在重工業(yè)、輕工業(yè)、生活用品行業(yè)以及建筑裝飾等行業(yè)中獲取得廣泛的應用。 奧氏體不銹鋼 在常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼。鋼中含Cr約18%、Ni 8%10%、C約0.1%時，具有穩(wěn)定的奧氏體組織。奧氏體鉻鎳不銹鋼包括著名的18Cr-8Ni鋼和在此基礎上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素發(fā)展起來的高Cr-Ni系列鋼。奧氏體不銹鋼無磁性而且具有高韌性和塑性，但強度較低，不可能通過相變使之強化，僅能通過冷加工進行強化。如加入S，Ca，Se，Te等元素，則具有良好的易切削性。此類鋼除耐氧化性酸介質(zhì)腐蝕外，如果含有Mo、Cu等元素還能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等的腐蝕。此類鋼中的含碳量若低于0.03%或含Ti、Ni，就可顯著提高其耐晶間腐蝕性能。高硅的奧氏體不銹鋼濃硝酸肯有良好的耐蝕性。由于奧氏體不銹鋼具有全面的和良好的綜合性能，在各行各業(yè)中獲得了廣泛的應用。 鐵素體不銹鋼 在使用狀態(tài)下以鐵素體組織為主的不銹鋼。含鉻量在11%30%，具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)。這類鋼一般不含鎳，有時還含有少量的Mo、Ti、Nb等到元素，這類鋼具導熱系數(shù)大，膨脹系數(shù)小、抗氧化性好、抗應力腐蝕優(yōu)良等特點，多用于制造耐大氣、水蒸氣、水及氧化性酸腐蝕的零部件。這類鋼存在塑性差、焊后塑性和耐蝕性明顯降低等缺點，因而限制了它的應用。爐外精煉技術（AOD或VOD）的應用可使碳、氮等間隙元素大大降低，因此使這類鋼獲得廣泛應用。奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼 是奧氏體和鐵素體組織各約占一半的不銹鋼。在含C較低的情況下，Cr含量在18%28%，Ni含量在3%10%。有些鋼還含有Mo、Cu、Si、Nb、Ti，N等合金元素。該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點，與鐵素體相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時還保持有鐵素體不銹鋼的475脆性以及導熱系數(shù)高，具有超塑性等特點。與奧氏體不銹鋼相比，強度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應力腐蝕有明顯提高。雙相不銹鋼具有優(yōu)良的耐孔蝕性能，也是一種節(jié)鎳不銹鋼。馬氏體不銹鋼 通過熱處理可以調(diào)整其力學性能的不銹鋼，通俗地說，是一類可硬化的不銹鋼。典型牌號為Cr13型，如2Cr13 ,3Cr13 ,4Cr13等。粹火后硬度較高，不同回火溫度具有不同強韌性組合，主要用于蒸汽輪機葉片、餐具、外科手術器械。根據(jù)化學成分的差異，馬氏體不銹鋼可分為馬氏體鉻鋼和馬氏體鉻鎳鋼兩類。根據(jù)組織和強化機理的不同，還可分為馬氏體不銹鋼、馬氏體和半奧氏體（或半馬氏體）沉淀硬化不銹鋼以及馬氏體時效不銹鋼等。腐蝕的種類和定義 在眾多的工業(yè)用途中，不銹鋼都能提供今人滿意的耐蝕性能。根據(jù)使用的經(jīng)驗來看，除機械失效外，不銹鋼的腐蝕主要表現(xiàn)在：不銹鋼的一種嚴重的腐蝕形式是局部腐蝕（亦即應力腐蝕開裂、點腐蝕、晶間腐蝕、腐蝕疲勞以及縫隙腐蝕）。這些局部腐蝕所導致的失效事例幾乎占失效事例的一半以上。事實上，很多失效事故是可以通過合理的選材而予以避免的。 應力腐蝕開裂（SCC）：是指承受應力的合金在腐蝕性環(huán)境中由于烈紋的擴展而互生失效的一種通用術語。應力腐蝕開裂具有脆性斷口形貌，但它也可能發(fā)生于韌性高的材料中。發(fā)生應力腐蝕開裂的必要條件是要有拉應力（不論是殘余應力還是外加應力，或者兩者兼而有之）和特定的腐蝕介質(zhì)存在。型紋的形成和擴展大致與拉應力方向垂直。這個導致應力腐蝕開裂的應力值，要比沒有腐蝕介質(zhì)存在時材料斷裂所需要的應力值小得多。在微觀上，穿過晶粒的裂紋稱為穿晶裂紋，而沿晶界擴圖的裂紋稱為沿晶裂紋，當應力腐蝕開裂擴展至其一深度時（此處，承受載荷的材料斷面上的應力達到它在空氣中的斷裂應力），則材料就按正常的裂紋（在韌性材料中，通常是通過顯微缺陷的聚合）而斷開。因此，由于應力腐蝕開裂而失效的零件的斷面，將包含有應力腐蝕開裂的特征區(qū)域以及與已微缺陷的聚合相聯(lián)系的“韌窩”區(qū)域。 點腐蝕：是一種導致腐蝕的局部腐蝕形式。 晶間腐蝕：晶粒間界是結(jié)晶學取向不同的晶粒間紊亂錯合的界城，因而，它們是鋼中各種溶質(zhì)元素偏析或金屬化合物（如碳化物和相）沉淀析出的有利區(qū)城。因此，在某些腐蝕介質(zhì)中，晶粒間界可能先行被腐蝕乃是不足為奇的。這種類型的腐蝕被稱為晶間腐蝕，大多數(shù)的金屬和合金在特定的腐蝕介質(zhì)中都可能呈現(xiàn)晶間腐蝕。 縫隙腐蝕：是局部腐蝕的一種形式，它可能發(fā)全于溶液停滯的縫隙之中或屏蔽的表面內(nèi)。這樣的縫隙可以在金屬與金屬或金屬與非金屬的接合處形成，例如，在與鉚釘、螺栓、墊片、閥座、松動的表面沉積物以及海生物相接燭之處形成。 全面腐蝕：是用來描述在整個合金表面上以比較均勺的方式所發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象的術語。當發(fā)生全面腐蝕時，村料由于腐蝕而逐漸變薄，甚至材料腐蝕失效。不銹鋼在強酸和強堿中可能呈現(xiàn)全面腐蝕。全面腐蝕所引起的失效問題并不怎么令人擔心，因為，這種腐蝕通常可以通過簡單的浸泡試驗或查閱腐蝕方面的文獻資料而預測它。 各種不銹鋼的耐腐蝕性能 304 是一種通用性的不銹鋼，它廣泛地用于制作要求良好綜合性能（耐腐蝕和成型性）的設備和機件。 301 不銹鋼在形變時呈現(xiàn)出明顯的加工硬化現(xiàn)象，被用于要求較高強度的各種場合。 302 不銹鋼實質(zhì)上就是含碳量更高的304不銹鋼的變種，通過冷軋可使其獲得較高的強度。 302B 是一種含硅量較高的不銹鋼，它具有較高的抗高溫氧化性能。 303和303Se 是分別含有硫和硒的易切削不銹鋼，用于主要要求易切削和表而光浩度高的場合。303Se不銹鋼也用于制作需要熱鐓的機件，因為在這類條件下，這種不銹鋼具有良好的可熱加工性。 304L 是碳含量較低的304不銹鋼的變種，用于需要焊接的場合。較低的碳含量使得在靠近焊縫的熱影響區(qū)中所析出的碳化物減至最少，而碳化物的析出可能導致不銹鋼在某些環(huán)境中產(chǎn)生晶間腐蝕（焊接侵蝕）。 304N 是一種含氮的不銹鋼，加氮是為了提高鋼的強度。 305和384 不銹鋼含有較高的鎳，其加工硬化率低，適用于對冷成型性要求高的各種場合。 308 不銹鋼用于制作焊條。 309、310、314及330 不銹鋼的鎳、鉻含量都比較高，為的是提高鋼在高溫下的抗氧化性能和蠕變強度。而30S5和310S乃是309和310不銹鋼的變種，所不同者只是碳含量較低，為的是使焊縫附近所析出的碳化物減至最少。330不銹鋼有著特別高的抗?jié)B碳能力和抗熱震性 316和317 型不銹鋼含有鋁，因而在海洋和化學工業(yè)環(huán)境中的抗點腐蝕能力大大地優(yōu)于304不銹鋼。其中，316型不銹鋼由變種包括低碳不銹鋼316L、含氮的高強度不銹鋼316N以及合硫量較高的易切削不銹鋼316F。 321、347及348 是分別以鈦，鈮加鉭、鈮穩(wěn)定化的不銹鋼，適宜作高溫下使用的焊接構(gòu)件。348是一種適用于核動力工業(yè)的不銹鋼，對鉭和鉆的合量有著一定的限制。不銹鋼的性能與組織目前已知的化學元素有100多種，在工業(yè)中常用的鋼鐵材料中可以遇到的化學元素約二十多種。對于人們在與腐蝕現(xiàn)象作長期斗爭的實踐而形成的不銹鋼這一特殊鋼系列來說，最常用的元素有十幾種，除了組成鋼的基本元素鐵以外，對不銹鋼的性能與組織影響最大的元素是：碳、鉻、鎳、錳、硅、鉬、鈦、鈮、鈦、錳、氮、銅、鈷等。這些元素中除碳、硅、氮以外，都是化學元素周期表中位于過渡族的元素。 實際上工業(yè)上應用的不銹鋼都是同時存在幾種以至十幾種元素的，當幾種元素共存于不銹鋼這一個統(tǒng)一體中時，它們的影響要比單獨存在時復雜得多，因為在這種情況下不僅要考慮各元素自身的作用，而且要注意它們互相之間的影響，因此不銹鋼的組織決定于各種元素影響的總和。 1各種元素對不銹鋼的性能和組織的影響和作用 1-1.鉻在不銹鋼中的決定作用 決定不銹鋼性屬的元素只有一種，這就是鉻，每種不銹鋼都含有一定數(shù)量的鉻。迄今為止，還沒有不含鉻的不銹鋼。鉻之所以成為決定不銹鋼性能的主要元素，根本的原因是向鋼中添加鉻作為合金元素以后，促使其內(nèi)部的矛盾運動向有利于抵抗腐蝕破壞的方面發(fā)展。這種變化可以從以下方面得到說明：鉻使鐵基固溶體的電極電位提高鉻吸收鐵的電子使鐵鈍化鈍化是由于陽極反應被阻止而引起金屬與合金耐腐蝕性能被提高的現(xiàn)象。構(gòu)成金屬與合金鈍化的理論很多，主要有薄膜論、吸附論及電子排列論。 1-2. 碳在不銹鋼中的兩重性 碳是工業(yè)用鋼的主要元素之一，鋼的性能與組織在很大程度上決定于碳在鋼中的含量及其分布的形式，在不銹鋼中碳的影響尤為顯著。碳在不銹鋼中對組織的影響主要表現(xiàn)在兩方面，一方面碳是穩(wěn)定奧氏體的元素，并且作用的程度很大（約為鎳的30倍），另一方面由于碳和鉻的親和力很大，與鉻形成系列復雜的碳化物。所以，從強度與耐腐燭性能兩方面來看，碳在不銹鋼中的作用是互相矛盾的。 認識了這一影響的規(guī)律，我們就可以從不同的使用要求出發(fā)，選擇不同含碳量的不銹鋼。 例如工業(yè)中應用最廣泛的，也是最起碼的不銹鋼0Crl34Cr13這五個鋼號的標準含鉻量規(guī)定為1214，就是把碳要與鉻形成碳化鉻的因素考慮進去以后才決定的，目的即在于使碳與鉻結(jié)合成碳化鉻以后，固溶體中的含鉻量不致低于11.7這一最低限度的含鉻量。 就這五個鋼號來說由于含碳量不同，強度與耐腐蝕性能也是有區(qū)別的，0Cr132Crl3鋼的耐腐蝕性較好但強度低于3Crl3和4Cr13鋼，多用于制造結(jié)構(gòu)零件，后兩個鋼號由于含碳較高而可獲得高的強度多用于制造彈簧、刀具等要求高強度及耐磨的零件。又如為了克服188鉻鎳不銹鋼的晶間腐蝕，可以將鋼的含碳量降至0.03以下，或者加入比鉻和碳親和力更大的元素（鈦或鈮），使之不形成碳化鉻，再如當高硬度與耐磨性成為主要要求時，我們可以在增加鋼的含碳量的同時適當?shù)靥岣吆t量，做到既滿足硬度與耐磨性的要求，又兼顧定的耐腐蝕功能，工業(yè)上用作軸承、量具與刃具有不銹鋼9Cr18和9Cr17MoVCo鋼，含碳量雖高達0.850.95，由于它們的含鉻量也相應地提高了，所以仍保證了耐腐蝕的要求。 總的來講，目前工業(yè)中獲得應用的不銹鋼的含碳量都是比較低的，大多數(shù)不銹鋼的含碳量在0.10.4之間，耐酸鋼則以含碳0.10.2的居多。含碳量大于0.4的不銹鋼僅占鋼號總數(shù)的一小部分，這是因為在大多數(shù)使用條件下，不銹鋼總是以耐腐蝕為主要目的。此外，較低的含碳量也是出于某些工藝上的要求，如易于焊接及冷變形等。 1-3. 鎳在不銹鋼中的作用是在與鉻配合后才發(fā)揮出來的 鎳是優(yōu)良的耐腐蝕材料，也是合金鋼的重要合金化元素。鎳在鋼中是形成奧氏體的元素，但低碳鎳鋼要獲得純奧氏體組織，含鎳量要達到24；而只有含鎳27時才使鋼在某些介質(zhì)中的耐腐蝕性能顯著改變。所以鎳不能單獨構(gòu)成不銹鋼。但是鎳與鉻同時存在于不銹鋼中時，含鎳的不銹鋼卻具有許多可貴的性能。 基于上面的情況可知，鎳作為合金元素在不銹鋼中的作用，在于它使高鉻鋼的組織發(fā)生變化，從而使不銹鋼的耐腐蝕性能及工藝性能獲得某些改善。 1-4. 錳和氮可以代替鉻鎳不銹鋼中鎳 鉻鎳奧氏體鋼的優(yōu)點雖然很多，但近幾十年來由于鎳基耐熱合金與含鎳20以下的熱強鋼的大量發(fā)展與應用，以及化學工業(yè)日益發(fā)展對不銹鋼的需要量越來越大，而鎳的礦藏量較少且又集中分布在少數(shù)地區(qū)，因此在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了鎳在供和需方面的矛盾。所以在不銹鋼與許多其他合金領域（如大型鑄鍛件用鋼、工具鋼、熱強鋼等）中，特別是鎳 的資源比較缺乏的國家，廣泛地開展了節(jié)鎳和以其他元素代鎳的科學研究與生產(chǎn)實踐，在這方面研究和應用比較多的是以錳和氮來代替不銹鋼與耐熱鋼中的鎳。 錳對于奧氏體的作用與鎳相似。但說得確切一些，錳的作用不在于形成奧氏體，而是在于它降低鋼的臨界淬火速度，在冷卻時增加奧氏體的穩(wěn)定性，抑制奧氏體的分解，使高溫下形成的奧氏體得以保持到常溫。在提高鋼的耐腐蝕性能方面，錳的作用不大，如鋼中的 含錳量從0到104%變化，也不使鋼在空氣與酸中的耐腐蝕性能發(fā)生明顯的改變。這是因為錳對提高鐵基固溶體的電極電位的作用不大，形成的氧化膜的防護作用也很低，所以工業(yè)上雖有以錳合金化的奧氏體鋼（如40Mn18Cr4,50Mn18Cr4WN、ZGMn13鋼等），但它們不能作為不銹鋼使用。 錳在鋼中穩(wěn)定奧氏體的作用約為鎳的二分之一，即2的氮在鋼中的作用也是穩(wěn)定奧氏體，并且作用的程度比鎳還要大。例如，欲使含18鉻的鋼在常溫下獲得奧氏體組織，以錳和氮代鎳的低鎳不銹鋼與元鎳的鉻錳氮不誘鋼，目前已在工業(yè)中獲得應用，有的已成功地代替了經(jīng)典的18-8鉻鎳不銹鋼。 1-5.不銹鋼中加鈦或鈮是為了防止晶間腐蝕。 1-6.鉬和銅可以提高某些不銹鋼的耐腐蝕性能。 1-7.其他元素對不銹鋼的性能和組織的影響 以上主要的九種元素對不銹鋼的性能和組織的影響，除這些元素對不銹鋼性能與組織影響較大的元素以外，不銹鋼中還含有一些其他的元素。有的是和一般鋼一樣為常存雜質(zhì)元素，如硅、硫、磷等也有的是為了某些特定的目的而加入的，如鈷、硼、硒、稀土元素等。從不銹鋼的耐腐蝕性能這一主要性質(zhì)來說，這些元素相對于已討論的九種元素，都是非主要方面的，雖然如此，但也不能完全忽略，因為它們對不銹鋼的性能與組織同樣也發(fā)生影響。 硅是形成鐵素體的元素，在一般不銹鋼中為常存雜質(zhì)元素。 鈷作為合金元素在鋼中應用不多，這是因為鈷的價格高及其在其它方面（如高速鋼、硬質(zhì)合金、鈷基耐熱合金、磁鋼或硬磁合金等）有著更重要的用途。在一般不銹鋼中加鈷作合金元素的也不多，常用不銹鋼如9Crl7MoVCo鋼（含1.2-1.8鈷）加鈷，目的并不在于提高耐腐蝕性能而在于提高硬度，因為這種不銹鋼的主要用途是制造切片機械刃具、剪刀及手術刀片等。 硼高鉻鐵素體不銹鋼Crl7Mo2Ti鋼中加0005硼，可使在沸騰的65醋酸中的耐腐蝕性能提高。加微量的硼（0.00060.0007）可使奧氏體不銹鋼的熱態(tài)塑性改善。少量的硼由于形成低熔點共晶體，使奧氏體鋼焊接時產(chǎn)生熱裂紋的傾向增大，但含有較多的硼（0506）時，反而可防止熱裂紋的產(chǎn)生。因為當含有0506的硼時，形成奧氏體硼化物兩相組織，使焊縫的熔點降低。熔池的凝固溫度低于半溶化區(qū)時，母材在冷卻時產(chǎn)生的張應力，由處于液態(tài)固態(tài)的焊縫金屬承受，此時是不致引起裂縫的，即使在近縫區(qū)形成了裂紋，也可以為處于液態(tài)固態(tài)的熔池金屬所填充。含硼的鉻鎳奧氏體不銹鋼在原子能工業(yè)中有著特殊的用途。 磷在一般不銹鋼中都是雜質(zhì)元素，但其在奧氏體不銹鋼中的危害性不像在一般鋼中那樣顯著，故含量可允許高一些，如有的資料提出可達006，以利于冶煉控制。個別的含錳的奧氏體鋼的含磷量可達006（如2Crl3NiMn9鋼）以至0.08（如Cr14Mnl4Ni鋼）。利用磷對鋼的強化作用，也有加磷作為時效硬化不銹鋼的合金元素，PH1710P鋼(含0.25磷)乃PHHNM鋼（含0.30磷）等。 硫和硒在一般不銹鋼中也是常有雜質(zhì)元素。但向不銹鋼中加0.20.4的硫，可提高不銹鋼的切削性能，硒也具有同樣的作用。硫和硒提高不銹鋼的切削性能，是因為它們降低不銹鋼的韌性，例如一般188鉻鎳不銹鋼的沖擊值可達30公斤/厘米2。含0.31硫的188鋼（0084C、18.15Cr、9.25Ni）的沖擊值為18公斤/平方厘米；含0。22硒的188鋼（0094C、184Cr、9Ni）的沖擊值為324公斤/平方厘米。硫與硒均降低不銹鋼的耐腐蝕性能，所以實際應用它們作為不銹鋼的合金化元素的很少。 稀土元素稀土元素應用于不銹鋼，目前主要在于改善工藝性能方面。如向Crl7Ti鋼和Cr17Mo2Ti鋼中加少量的稀土元素，可以消除鋼錠中因氫氣引起的氣泡和減少鋼坯中的裂紋。奧氏體和奧氏體鐵素體不銹鋼中加00205的稀土元素（鈰鑭合金），可顯著改善鍛造性能。曾有一種含195%鉻、23鎳以及鉬銅錳的奧氏體鋼，由于熱加工工藝性能在過去只能生產(chǎn)鑄件，加稀土元素后則可軋制成各種型材。 2按金相組織對不銹鋼的分類及各類不銹鋼的一般特點 按化學成分（主要是含鉻量）及用途，不銹鋼分為不銹與耐酸兩大類。工業(yè)上還按自高溫（900-1100度）加熱空氣冷卻后鋼的基體組織的類型對不銹鋼進行分類，這是基于我們上面所討論的碳及合金元素對不銹鋼組織影響的特點決定的。 工業(yè)上應用的不銹鋼按金相組織可分為三大類：鐵素體不銹鋼，馬氏體不銹鋼，奧氏體不銹鋼。可以把這三類不銹鋼的特點歸納(如下表)，但需要說明的是馬氏體不銹鋼并不是都不可焊接，只是受某些條件的限制，如焊前應預熱焊后應作高溫回火等，而使焊接工藝比較復雜。實際生產(chǎn)中一些馬氏體不銹鋼如1Cr13,2Cr13以及2Cr13與45鋼焊接還是比較多的。 不銹鋼的分類、主要成分及性能比較 分類大概成分 （%）淬火性耐蝕性加工性可焊接性磁性CCrNi鐵素體系035以下16-27-無佳尚佳尚可有馬氏體系120以下11-15-自硬性可可不可有奧氏體系025以下16以上7以上無優(yōu)優(yōu)優(yōu)無以上分類僅是按鋼的基體組織分的，由于鋼中穩(wěn)定奧氏體及形成鐵素體的元素的作用不能互相平衡，以及由于大量的鉻使平衡圖S點左移，工業(yè)中應用的不銹鋼的組織除了上面講的三種基本類型以外，還有馬氏體鐵素體，奧氏體鐵素體，奧氏體馬氏體等過渡型的雙相不銹鋼，以及具有馬氏體碳化物組織的不銹鋼。 2-1.鐵素體鋼 含鉻大于14的低碳鉻不銹鋼，含鉻大干27的任何含碳量的鉻不銹鋼，以及在上述成分基礎上再添加有鉬、鈦、鈮、硅、鋁、鎢、釩等元素的不銹鋼，化學成分中形成鐵素體的元素占絕對優(yōu)勢，基體組織為鐵素。這類鋼在淬火（固溶）狀態(tài)下的組織為鐵素體，退火及時效狀態(tài)的組織中則可見到少量碳化物及金屬間化合物。 屬于這一類的有Crl7、Cr17Mo2Ti、Cr25，Cr25Mo3Ti、Cr28等。鐵素體不銹鋼因為含鉻量高，耐腐蝕性能與抗氧化性能均比較好，但機械性能與工藝性能較差，多用于受力不大的耐酸結(jié)構(gòu)及作抗氧化鋼使用。 2-2.鐵素體馬氏體鋼 這類鋼在高溫時為y+a（或）兩相狀態(tài)，快冷時發(fā)生y-M轉(zhuǎn)變，鐵素體仍被保留，常溫組織為馬氏體和鐵素體,由于成分及加熱溫度的不同，組織中的鐵素體量可在百分之幾至幾十的范圍內(nèi)變化。0Crl3鋼，lCrl3鋼，鉻偏上限而碳偏下限的2Cr13鋼，Cr17Ni2鋼，Cr17wn4鋼，以及在ICrl3鋼基礎上發(fā)展起來的許多改型12鉻熱強鋼（這類鋼也叫做耐熱不銹鋼）中的許多鋼號，如Cr11MoV，Cr12WMoV，Crl2W4MoV，18Crl2WMoVNb等均屬干這一類。 鐵素體馬氏體鋼可以部分地接受淬火強化，故可獲得較高的機械性能。但它們的機械性能與工藝性能在很大程度上受組織中鐵素體的含量及分布形態(tài)的影響。這類鋼按成分中的含鉻量分屬1214與1518兩個系列。前者具有抵抗大氣及弱腐蝕性介質(zhì)的能力，并且具有良好的減震性及較小的線膨脹系數(shù)；后者的耐腐蝕性能與相同含鉻量的鐵素體耐酸鋼相當，但在一定程度上也保留著高鉻鐵素體鋼的某些缺點。 2-3.馬氏體鋼 這類鋼在正常淬火溫度下處在y相區(qū)，但它們的y相僅在高溫時穩(wěn)定，M點一般在3OO左右，故冷卻時轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。 這類鋼包括2Cr13,2Cr13Ni2,3Cr13以及部分改型12鉻熱強鋼，如13Cr14NiWVBA，Cr11Ni2MoWVB鋼等。馬氏體不銹鋼的機械性能、耐腐蝕性能、工藝性能與物理性能，均和含鉻1214的鐵素體-馬氏體不銹鋼相近。由于組織中沒有游離的鐵素體，機械性能比上述鋼要高，但熱處理時的過熱敏感性較低。 2-4.馬氏體碳化物鋼 FeC合金的并析點的含碳為0.83，在不銹鋼中由于鉻使S點左移，含12鉻和大于0.4碳的鋼（圖11-3），以及含18鉻和大于0.3碳的鋼，均屬于過共析鋼。這類鋼在正常淬火溫度加熱，次生碳化物不能完全溶于奧氏體，因此淬火后的組織為馬氏體和碳化物組成。 屬于這一類的不銹鋼牌號不多，卻是一些含碳比較高的不銹鋼，如4Crl3、9Cr18、9Crl8MoV 、9Crl7MoVCo鋼等，含碳量偏上限的3Crl3鋼在較低的溫度下淬火，也可能出現(xiàn)這樣的組織。由于含碳量高,上述9Cr18等三個鋼號中雖含有較多的鉻，但其耐腐蝕性能僅與含1214鍺的不銹鋼相當。這類鋼的主要用途是要求高硬及耐磨的零件，如切削工具、軸承、彈簧及醫(yī)療器械等。 2-5.奧氏體鋼 這類鋼含有較多擴大y區(qū)和穩(wěn)定奧氏體的元素，在高溫時為均為y相，冷卻時由于Ms點在室溫以下，所以在常溫下具有奧氏體組織。 18-8， 1812、25-20、20-25Mo等鉻鎳不銹鋼，以錳代替部分鎳并加氮的低鎳不銹鋼如Cr18Mnl0Ni5,Cr13Ni4Mn9,Cr17Ni4Mn9N,Cr14Ni3Mnl4Ti鋼等均屬于這一類。 奧氏體不銹鋼具有前已述及的許多優(yōu)點，雖然機械性能也比較低，和鐵素體不銹鋼樣不能熱處理強化，但可以通過冷加工變形的方法，利用加工硬化作用提高它們的強度。 這類鋼的缺點是對晶間腐蝕及應力腐蝕比較敏感，需通過適當?shù)睾辖鹛砑觿┘肮に嚧胧┫?6.奧氏體鐵素體鋼 這類鋼因擴大y區(qū)和穩(wěn)定奧氏體元素的作用程度，不足以使鋼在常溫或很高的溫度下具有純奧氏體組織，因此為奧氏體鐵素體復相狀態(tài)，其鐵素體量也因成分及加熱溫度不同而可在較大的范圍內(nèi)變化。 屬于這一類的不銹鋼很多，如低碳的188鉻鎳鋼，加鈦、鈮、鉬的188鉻鎳鋼，特別是在鑄鋼的組織中均可見到鐵素體，此外含鉻大于1415而碳低于02的鉻錳不銹鋼（如Cr17Mnll），以及目前研究的和已獲得應用的大多數(shù)鉻錳氮不銹鋼等。與純奧氏體不銹鋼比較，這類鋼的優(yōu)點很多，如屈服強度較高，抗晶間腐蝕的能力較高，應力腐蝕的敏感性低，焊接時產(chǎn)生熱裂紋的傾向小，鑄造流動性好等等。缺點是壓力加工性能較差，點腐蝕傾向較大，易產(chǎn)生c相脆性，在強磁場作用下表現(xiàn)出弱磁性等。所有這些優(yōu)點和缺點均來源于組織中的鐵素體。 2-7.奧氏缽馬氏體鋼 這類鋼的Ms點低于室溫，固溶處理以后為奧氏體組織，易于成形和焊接。通?？捎脙煞N工藝方法使之發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。一是固溶處理以后經(jīng)700800度加熱，奧氏體因析出碳化鉻而轉(zhuǎn)變?yōu)榻榉€(wěn)定狀態(tài)，Ms點升高至室溫以上，冷卻時轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體；二是固溶處理以后直接冷卻至Ms與Mf點之間，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。后一方法可獲得較高的耐腐蝕性能，但固溶處理以后至深冷的間隔時間不宜過久，否則會因奧氏體的陳化穩(wěn)定作用而使深冷的強化效應降低。經(jīng)上述處理以后鋼再經(jīng)400500度時效，使析出金屬間化合物進步強化。這類鋼的典型鋼號有17Cr一7Ni一A1、15Cr9NiA1,17Cr5NiMo、15Cr-8NiMo一A1等等。這類鋼也稱為奧氏體馬氏體時效不銹鋼，并因為實際上這些鋼的組織中除奧氏體和馬氏體以外，還存在不同數(shù)量的鐵素體，故也稱為半奧氏體沉淀硬化不銹鋼。 這類鋼是50年代后期發(fā)展和應用的新型不銹鋼，它們總的特點是強度高（C可達100一150）及熱強性好，但由于含鉻量較低并在熱處理時有碳化鉻析出，因此耐腐蝕性能比標準的奧氏體不銹鋼要低一些。也可以說這類鋼的高強度是在犧牲一部分耐腐蝕性能與其他性能（如非磁性）的情況下獲得的，目前這類鋼主要用于航空工業(yè)及火箭導彈生產(chǎn)方面，一般機械制造中應用尚不普遍，并且在分類上也有把它們納為超高強度鋼的一個系列。不銹鋼的物理特性1不銹鋼的物理性能 不銹鋼的物理性能主要用以下幾方面來表示： 熱膨脹系數(shù) 因溫度變化而引起物質(zhì)量度元素的變化。膨脹系數(shù)是膨脹溫度曲線的斜率，瞬時膨脹系數(shù)是特定溫度下的斜率，兩個指定的溫度之間的平均斜率是平均熱膨脹系數(shù)。膨脹系數(shù)可以用體積或者是長度表示，通常是用長度表示。 密度 物質(zhì)的密度是該物質(zhì)單位體積的質(zhì)量，單位是kg/m3或1b/in3。 彈性模量 當施加力于單位長度棱住的兩端能引起物體在長度上的單位變化時，單位面積上所需的力稱為彈性模量。單位為1b/in3或N/m3。 電阻率 在單位長度立方體材料的兩對面之間測量的電阻，單位用m，cm或（已廢的）/(circular mil.ft)來表示。 磁導率 無量綱系數(shù)，表示物質(zhì)易被磁化的程度，是磁感應強度與磁場強度之比。 熔化溫度范圍 確定合金開始凝固和凝固完了的溫度。 比熱 單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度改變1度所需要的熱量。在英制和CGs制中二者比熱的數(shù)值相同，因為熱量的單位（Biu或cal)取決于單位質(zhì)量的水升高1度聽需的熱量。國際單位制中比熱的數(shù)值與英制或CGS制是不同的，因為能量的單位（J）是按不同的定義定的。比熱的單位是Btu(1b0F)及J/（kg k）。 熱導率 物質(zhì)導熱的速率的量度。在單位截面積物質(zhì)上建立單位長度上的1度的溫度梯度時，那么熱導率定義為單位時間傳導的熱量，熱導率的單位為 Btu/(hft0F)或w/(m K)。 熱擴散率 是確定物質(zhì)內(nèi)部溫度前遷速率的一種性能，是熱導率對比熱和密度乘積的比值，熱擴散率單位以Btu/(hft0F)或w/(mk)表示。 中國與亞洲、北美諸國（地區(qū)）以及澳大利亞的不銹鋼鋼號近似對No.中國GB中國臺灣CNS日本JIS韓國KS印度IS加拿大CSA墨西哥DGN澳大利亞AS美國ASTMUNS奧氏體不銹鋼11Cr17Mn6Ni5N201SUS201STS20110Cr17Mn6Ni4N20201S20100201-201-221Cr18Mn8Ni5N202SUS202STS202 202S20200202-31Cr17Ni7301SUS301STS30110Cr17Ni7301S30100301-30141Cr18Ni9302SUS302STS302-302S302003023023025Y1Cr18Ni9303SUS303STS303-303S303003033033036Y1Cr18Ni9Se303SeSUS303SeSTS303Se-303SeS30323303Se303Se-70Cr19Ni9 (0Cr18Ni9)304SUS304STS30407Cr18Ni9304304HS30400304304304800Cr19Ni10 (00Cr18Ni10)304LSUS304LSTS304L02Cr18Ni11304LS30403304L-304L90Cr19Ni9N304N1SUS304N1STS304N1-304NS30451-100Cr19Ni10NbN304N2SUS304N2STS304N2-XM21S30452-1100Cr18Ni10N304LNSUS304LNSTS304LN-304LNS30453-121Cr18Ni12 (1Cr18Ni12Ti)305SUS305STS305-305S30500305305-130Cr23Ni13309SSUS309SSTS309S-309SS30908309S309S-140Cr25Ni20 (1Cr25Ni20Si2)310SSUS310SSTS310S-310SS31008310S310S310S150Cr17Ni12Mo2316SUS316STS31604Cr17Ni12Mo2316S31600316316316160Cr18Ni12Mo2Ti -04Cr17Ni12MoTi20316TiS31635-316Ti1700Cr17Ni14Mo2316LSTS316LSTS316L02Cr17Ni12Mo2316lS31603316L-316L1800Cr17Ni12Mo2N316NSUS316NSTS316N-316NS31651-1900Cr17Ni13Mo2N316LNSUS316LNSTS316LN-316LNS31653-200Cr18Ni12Mo2Cu2316JISUSJ1STS316J1-2100Cr18Ni14Mo2Cu2316JILSUS316J1LSTS316J1L-220Cr19Ni13Mo3317SUS317STS317-317S31700317317317231Cr18Ni12Mo3Ti -240Cr18Ni12Mo3Ti -2500Cr19Ni13Mo3 (00Cr17Ni14Mo3)317LSUS317LSTS317L-317LS31703317L-260Cr18Ni16Mo5317LSUS317J1STS317J1-271Cr18Ni9Ti321SUS321STS321-321S32100321321321280Cr18Ni11Ti (0Cr18Ni9Ti)321SUS321STS32104Cr18Ni10Ti20321S32100321321321290Cr18Ni11Nb347SUS347STS34704Cr18Ni10Nb40347S34700347-300Cr18Ni9Cu3XM7SUSXM7STSXM7-XM7-310Cr18Nil3Si4XM1511SUSXM15J1STSXM15J1-XM15S38100-奧氏體鐵素體型不銹鋼320Cr26Ni5Mo2329JISUS329J1STS329J1-329S32900-331Cr18NillSi4AlTi -3400Cr18Ni15Mo3Si2 -鐵素體型不銹鋼350Crl3Al405SUS405STS40504Cr13405S405004054054053600Cr12410LSUS410LSTS410L-371Cr17430SUS430STS43005Cr17430S4300043043043038Ycr17430FSUS430FSTS430F-430FS43020430F430F-391Cr17Mo434SUS434STS434-434S43400434-4000Cr30Mo2447JISUS447J1STS447J1-4100Cr27MoXM27USUSXM27STSXM27-XM27S44625-馬氏體型不銹鋼-421Cr12405403SUS403STS430-403S40300403403-430Cr13410405SUS405SST40504Cr13405S40500405405405441Cr13-410SUS410STS41012Cr13410S41000410410410451Cr13416Mo410JISUS410J1STS410J1-46YlCr13420416SUS416STS416-416S41600416416416472Cr13-420J1SUS420J1STS420J120Cr13420S42000420420420-483Cr13-420J2SUS420J2STS420J230 Cr13-494Cr13