高性能鐵素體不銹鋼簡介
高性能鐵素體不銹鋼除了有少量穩定化的碳化物和氮化物外，具有完全的鐵素體顯微結構。這種鐵素體結構的獨特特性在于其很好的耐氯化物應力腐蝕斷裂性能，但是它的韌性有限。大斷面或晶粒效應以及脆性的二次相的析出會進一步降低其韌性。由于韌性有限，這些鋼種通常不生產成中厚板。開發這些鋼種，是為了以低于高鎳奧氏體合金的價格得到優于18-8不銹鋼的耐應力腐蝕斷裂和耐點蝕性能。它們一般只用于熱交換器管形材料或薄板，熱處理不會使它們硬化，但在退火狀態下，它們顯示出高于許多奧氏體不銹鋼的強度。下表按照耐氯化物點蝕性能增加的順序，列出了主要的鍛軋鐵素體鋼種。
鋼種 | UNS牌號 | 類別 | C | N | Cr | Ni | Mo | Cu | 其它 | 耐腐蝕當量 |
444型 | S44400 | F1 | 0.025 | 0.035 | 17.5~19.5 | 1 | 1.75~2.50 | Ti，Nb | 23 | |
26-1S | S44626 | 0.06 | 0.04 | 25.0~27.0 | 0.5 | 0.75~1.50 | Ti | 27 | ||
E-BRITE 26-1 | S44627 | 0.01 | 0.015 | 25.0~27.0 | 0.5 | 0.75~1.50 | Nb | 27 | ||
MONIT | S44635 | F2 | 0.025 | 0.035 | 24.5~26.0 | 3.5~4.5 | 3.5~4.5 | Ti，Nb | 36 | |
SEA-CURE | S44660 | 0.03 | 0.04 | 25.0~28.0 | 1.0~3.5 | 3.0~4.0 | Ti，Nb | 35 | ||
AL29-4C | S44735 | F3 | 0.03 | 0.045 | 28.0~30.0 | 1 | 3.6~4.2 | Ti，Nb | 40 | |
AL29-4-2 | S44800 | 0.01 | 0.02 | 28.0~30.0 | 2.0~2.5 | 3.5~4.2 | 40 |
F1類鐵素體不銹鋼這類不銹鋼，如E-BRITE26—1，其耐局部腐蝕能力與316不銹鋼相似，但耐應力腐蝕斷裂的能力大大優于后者。這種良好的應力腐蝕斷裂性能使其可用于熱的濃縮堿溶液和含氯化物的溶液。
F2類鐵素體不銹鋼這一類的不銹鋼，包括SEA-CURE，為耐常溫海水的局部腐蝕而設計，廣泛用于電廠的海水冷卻冷凝器。由于它們鉻含量高，鉬和鎳含量適中，對強有機酸和氧化性的或中等還原性的無機酸也有很好的耐蝕性。但是這些鋼種中的鎳降低了耐氯化物應力腐蝕斷裂的性能，增加了對形成有害的二次相的敏感性。所有的這些鐵素體不銹鋼在氯化鈉試驗溶液中，都能夠耐應力腐蝕斷裂，但由于其鎳含量為0．5％～4．2％，可能無法耐氯化鎂試驗溶液的應力腐蝕斷裂。
F3類鐵素體不銹鋼如同A6類的高性能奧氏體不銹鋼，這一類中的AL29-4-2，是為了達到鐵素體不銹鋼綜合性能的最高水平而設計，它兼具良好的耐局部腐蝕和耐酸腐蝕性能。
鐵素體不銹鋼(400系)含鉻量在15%~30%，具有體心立方晶體結構。這類鋼一般不含鎳，有時還含有少量的Mo、Ti、Nb等元素，這類鋼具有導熱系數大，膨脹系數小、抗氧化性好、抗應力腐蝕優良等特點，多用于制造耐大氣、水蒸氣、水及氧化性酸腐蝕的零部件。鐵素體不銹鋼價格不僅相對低且穩定，并且具有許多獨特的特點和優勢，業已證明，在許多原先認為只能采用奧氏體不銹鋼(300系)的應用領域，鐵素體不銹鋼是一種極為優異的替代材料，鐵素體不銹鋼不含鎳，主要元素為鉻(>10%)和鐵，鉻是不銹鋼特別耐腐蝕的元素，其價格相對穩定。
鉻含量12%~30%，在高溫和常溫下均以體心立方晶格的鐵素體為基體組織的不銹鋼。這類鋼一般不含鎳，有的含有少量鉬、鈦或鈮等元素，具有良好的抗氧化性，耐蝕性和耐氯化物腐蝕破裂性。鐵素體不銹鋼根據鉻含量可分為低鉻、中鉻和高鉻三類，根據鋼的純凈度，特別是碳、氮雜質含量又可分為普通鐵素體不銹鋼和超純鐵素體不銹鋼。普通鐵素體不銹鋼有低溫和室溫脆性，缺口敏感性及較高的晶間腐蝕傾向，焊接性較差等缺點，雖然這類鋼發展的較早，在工業應用一直受到很大限制。普通鐵素體不銹鋼的這些不足，與鋼的純凈度，特別是與鋼中碳、氮等間隙元素的含量較高有關。只要鋼中碳、氮足夠低，例如不大于150×10~250×10，基本上可克服上述缺點。20世紀70年代后由于冶煉技術特別是真空冶金和二次精煉工藝的發展，已能生產出碳+氮≤150~250×10的高純鐵素體不銹鋼，使這類鋼在工業上獲得了廣泛應用。
分類
一般可分為普通鐵素體不銹鋼和高純鐵素體不銹鋼兩大類。
普通鐵素體
此類鋼包括低、中、高三種鉻含量。低鉻鐵素體不銹鋼，含鉻大約為11%~14%，如中國的00Cr12，0Cr13Al。美國的AISI400、405、406MF-2(見表)。此類鋼具有良好的韌性，塑性，冷變形性及可焊性。由于鋼中含有一定量鉻、鋁，因此有較好的抗氧化性和不銹性。405可用作石油精煉塔、槽襯里、蒸汽渦輪機葉片、耐高溫硫腐蝕裝置等。400用作家庭及辦公室用具等。409用于汽車排氣消音系統裝置及冷、溫水管等。中鉻鐵素體不銹鋼，鉻含量為14%~19%，如中國的1Cr17、1Cr17Mo。美國的AISI429、430、433、434、435、436、439。此類鋼有著較好的耐銹性和耐蝕性。其加工硬化系數較小(n≈2)，有著良好的深拉深性能，但延性較差。430用作建筑裝飾、汽車裝飾、廚房裝備、氣體燃燒器及硝酸工業裝置的部件等。434用于汽車，建筑的外部裝飾。439用作燃氣熱水器、煤、氣管線的軟管等。高鉻鐵素體不銹鋼含鉻量19%~30%，如 中 國 的 Cr18Si2、Cr25，美國 的AISI442、443、446。此類鋼有良好的抗氧化性。442在大氣中斷續使用，上限溫度為1035℃，連續使用最高溫度為980℃。446有更好的抗氧化性。
高純鐵素體
此類鋼含有極低碳、氮;高鉻、鉬、鈦、鈮等元素。如中國的00Cr17Mo、00Cr18Mo2、00Cr26Mol、00Cr30Mo2國外18-2、Cr26Mol、25Cr-5Ni-4Mo-Nb、MoNiT、Al29-4、Al29-4-2。這類鋼有良好的力學性能(特別是韌性)，焊接性能，耐晶間腐蝕性，耐點蝕、縫隙腐蝕性，優異的耐應力腐蝕破裂性。如18-2在硝酸，醋酸，NaOH中有良好耐蝕性，在3%NaCl和FeCl3中耐點蝕性相當或超過18-8奧氏體鋼，耐SCC性遠超過18-8鋼。26CrMo鋼在許多介質中耐腐蝕，特別是有機酸，氧化性酸，強堿中。在強氯化物介質中有良好的耐點蝕性。在氯化物、硫化氫、過多硫酸及強堿中不產生應力腐蝕開裂。30Cr-2Mo在保持耐應力腐蝕同時具有更高耐點蝕、縫隙腐蝕性。加少量鎳的鋼，提高在還原性酸中的性能。
耐蝕性
(1)均勻腐蝕。鉻是最容易鈍化的元素。在大氣環境中，鉻含量在12%以上的鐵-鉻合金就可自鈍化。在氧化性介質中鉻含量在17%以上就可鈍化，在某些侵蝕性較強的介質中，高鉻并加鉬、鎳、銅等元素可獲得良好的耐蝕性。
(2)晶間腐蝕。鐵素體不銹鋼與奧氏體不銹鋼一樣都會發生晶間腐蝕，但敏化處理及避免這種腐蝕的熱處理恰好相反。鐵素體不銹鋼從925℃以上急冷容易遭受晶間腐蝕，而容易遭受晶間腐蝕的狀態(敏化態)經過650~815℃短時間回火，便可消除。鐵素體鋼產生晶間腐蝕也是由于碳化物析出引起貧鉻的結果。所以降低鋼中碳、氮含量并加入鈦、鈮等元素，可降低晶間腐蝕敏感性。
(3)點蝕和縫隙腐蝕。鉻、鉬是提高不銹鋼耐點蝕和縫隙腐蝕最有效元素。鉻含量增加則氧化膜中的鉻含量也增加，膜的化學穩定性增加。鉬以MoO4的形式吸附在活性金屬面上，抑制金屬的溶解，促使再鈍化，防止膜的破壞，因此高鉻、鉬鐵素體不銹鋼具有優異的耐點蝕和縫隙腐蝕性能。
(4)抗應力腐蝕破裂性。由于組織結構的特點，鐵素體不銹鋼在奧氏體不銹鋼產生應力腐蝕破裂的介質中卻是耐蝕的。
力學性能
鐵素體不銹鋼因無相變，不能靠熱處理強化。一般在700~800℃退火后使用。由于鐵鉻原子尺寸相差不多固溶強化效果較小，鐵素體不銹鋼屈服強度、抗拉強度略高于低碳鋼，延性則低于低碳鋼。
普通鐵素體不銹鋼易產生脆性:(1)室溫脆性。普通鐵素體不銹鋼對缺口敏感，脆性轉變溫度除了低鉻(如405)外均在室溫以上，鉻量愈高冷脆性愈大。這種冷脆性與鋼中碳、氮等間隙元素有關，而超純鐵素體鋼由于碳、氮等間隙元素含碳非常低，可得到良好的韌性，脆性轉變溫度可降至室溫以下。
(2)高溫脆化。普通鐵素體不銹鋼加熱到927℃以上后急冷至室溫，塑性和韌性顯著降低。這種高溫脆化與碳(氮)化物在427~927℃溫度迅速地在晶界或位錯上析出有關。降低鋼中碳氮含量(采用超純技術)可以極大的改善此脆性。此外，鐵素體鋼加熱到927℃以上晶粒容量粗化，粗大晶粒將使鋼的塑性，韌性惡化。
(3)σ-相的形成。根據鐵-鉻相圖(見圖1)，在500~800℃保溫，含鉻40%~50%合金將形成單一相σ，含鉻小于20%或大于70%的合金，將形成α+σ雙相組織。σ-相形成會顯著地降低鋼的塑性和韌性。所以此類鋼不宜在500~800℃長時間使用。
(4)475℃脆性。高鉻(>15%)鐵素體鋼，在400~500℃保溫將強烈脆化。這種脆化所需時間較σ相析出短，例如0.080C-0.4Si-16.9Cr鋼在450℃保溫4h，室溫沖擊韌性幾乎下降到零。脆化程度隨鉻含量增加而增加，但在600℃以上處理可恢復韌性。475℃脆化是由于富鉻α′相沉淀的結果。此類鋼應避免在475℃附近加熱。
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