超纯高铬铁素体不锈钢的开发和应用

（一） 前言 含钼的高铬（25—30%）铁素体不锈钢，不仅具有优良的耐均匀腐蚀性能，且具有极好的耐应力腐蚀、耐缝隙腐蚀、耐孔蚀能力，可以替代昂贵的镍基和钛等高级耐蚀合金材料。高铬铁素体的耐蚀性虽然优良，但严重的脆性阻碍其被广泛选用。解决该类合金脆性的用途是纯化，特别是要求将碳、氮含量分别降至0.003%、0.007%以下。我们发明了一项超纯冶炼技术，可将Fe—Cr系合金中的碳含量降至0.002%，氮含量降至0.005%，且成本增加不多，易于工业化生产。因而利用该项技术极有可能高铬铁素体开发出来，并获得较为广泛地应用。 （二） 高铬铁素体不锈钢的特性： 1、 好的抗均匀腐蚀能力： 由于合金中含铬很高，还含有钼。因此，其无论在酸性、碱性、氧化性、还原性、有机、无机等介质中，都具有良好的抗蚀能力。如表（1）所示。 表（1）各种耐蚀合金的耐腐蚀性比较（mm/年） 钢号 HNO365% H2SO(50%)+Fe2(SO4)3 甲酸45% 草酸10% 醋酸20% NaHSO465% H2SO410% HCl1% 0Cr14Ni9 0.2 0.6 44 15 0.1 70 400 41 0Cr17Ni12Mo2 0.3 0.6 13 2.4 0.1 4.3 22 71 0Cr20Ni34Mo3Cu4 0.3 0.2 0.2 0.2 0.1 0.3 1 0 Ti 0.3 5.9 22 24 0 6.4 160 5.6 0Cr16Ni54Mo16W4 11.4 6.1 0.1 0.2 0 0.2 0.4 0.3 000Cr29Mo4Ni2 0.1 0.2 0.1 0.1 0 0 0.2 0.2 2、 极好的耐应力腐蚀和孔蚀能力： 一般奥氏体不锈钢对应力腐蚀、孔蚀、缝隙腐蚀较敏感，限制了其应用范围。故此，发展了一些高镍铬钼的奥氏体不锈钢和镍基及钛等耐蚀合金，以满足上述恶劣条件下使用。图（1）、（2）为各类耐蚀合金耐应力和耐孔蚀性能的比较。由此可见，高铬铁素不锈钢具有很高的抗应力腐蚀和抗孔蚀能力，可以代替镍基和钛等耐蚀合金。 3、 优良的工艺性能 由于铁素体合金高温屈服强度低、塑性好很容易加工；铁素体合金加工硬化率低、有利于冷成形；铁素体合金膨胀系数小、热导率高，且对硫、磷降低熔点影响小，所以焊接热裂倾向小。 4、 物理性能好 高铬铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢相比，线膨胀系数约低一半，热导率约高1/3。这对制造一些热交换的设备有重要意义。 5、 节约镍 镍是较稀缺元素，价格比较高。高铬铁素体中基本上不含镍，即使含也很少。如大量推广，节约镍效果显著。 6、 合金脆性大： 当合金纯度较低，工艺不当时，合金很易变脆，限制其广泛使用。 （三） 高铬铁素体不锈钢的脆性 1、 韧脆转变温度： 高铬铁素体在较高温时，韧性很好；当温度降至某一温度以下时，韧性突然降得很低，变脆。该临界温度被称为韧脆转变温度。一般纯度的高铬铁素体不锈钢韧脆转变温度在60—40℃范围。大多数不锈钢设备的使用温度在该温度范围以下，所以限制了其使用。 2、 M23C6析出： 合金中铬含量很高，且铁素体中碳的溶解度比奥氏体中低得多，因而M23C6析出倾向强烈。如在高于400℃以上析出，多以颗粒状在晶界形成，对脆性影响不大：如在600—700℃时，则多在晶界上以网状析出，使合金变脆。M23C6在晶界上以网状的析出速度很快，在各种热工艺后的冷却过程中，很难避免。其不仅使合金变脆，且引起严重的晶界腐蚀，是高铬铁素体被限制使用的另一原因。 3、 σ相析出： 根据Fe-Cr相图，含30%Cr的Fe—Cr合金，约700℃以下温度才开始析出σ相，600℃长期保温后，σ相量可达40%左右。σ相是很脆的，合金中如含有较多σ时，是不能被选用的。但由于高铬铁素体不锈钢中的σ相析出温度低，析出速度缓慢，约需几个小时才开始析出。因此在各种热工以后的冷却过程中，一般不会析出，不影响使用，但不宜在σ相易析出温度下使用。 4、ɑ、相析出 : 大棚管http://www.tjcyg.com/根据 Fe-Cr 相图 , 在含 15%Cr 以上的 Fe-Cr 合金中 ,500 ℃以下可能析出ɑ、相。ɑ、相很脆 ,大量的ɑ、相的析出 , 使合金变脆。由于α相析出温度更低 , 需要几十个小时后才能开始析出 , 只要不在析出温度使用 , 不必担心由于ɑ、相引起的脆性。 （四） 解决高铬铁素体不锈钢脆性的途径： 1、 防止σ、ɑ、相析出： 由于σ和ɑ、相形成温度低，析出速度缓慢。在热加工、热处理、焊接等热工艺后的冷却过程中，一般较容易避免，不会引起脆性：但是该类合金不宜在σ和ɑ、相易析出的300—700℃温度范围内使用。 2、 防止M23C6相的析出： 当合金中碳含量不足够低时，在500—700℃温度下，只需要几分钟，甚至几秒钟即可在晶界上形成网状M23C6。因此各种热工艺的冷却过程中，M23C6的析出几乎是不可避免的，需要另找途径解决。 由表（2）知，当铁素体不锈钢在中，碳含量低于0.004%时，927℃时效不再析出M23C6。当温度降700℃时，不析出M23C6的碳含量要求降得更低。但如合金中的碳含量能降到0.004%的水平时，M23C6析出倾向将大大减少，析出数量也会很少，不会造成较大的影响。由表（2）还可看出，氮含量低于0.006%时，593℃长期时效也不会析出Cr2N。故当氮含量达到该水平时，不用担心由此引起的脆性。 表（2）碳、氮在铁素体不锈钢中的最大溶解度 温度（℃） 1039 927 593 碳（%） 0.04 0.004 — 氮（%） — 0.023 0.006 3、 降低合金的韧脆转变温度： 不锈钢装置大都在室温以上工作，但设备安装和机器检修都在室温下。如果在室温下很脆的材料是不能被选用的。因此如何使高铬铁素体的韧脆转变温度降至室温以下，是使其广泛应用的前提。我国东北地区，冬季室外温度有时达到零下20—30℃，所以要求韧脆转变温度降到这个水平。 有人对高铬铁素体不锈钢的韧脆转变温度做了大量工作，发现碳、氮的影响最大。表（3）、 （4）列出了碳和氮含量对Cr30Mo2合金韧脆转变温度的影响。 表（3）碳含量对韧脆转变温度的影响* 碳（%） 0.0021 0.0055 0.010 温度（℃） -30~-20 0~20 60~40 *合金中含N2：0.0057~0.0043%，O2：0.0032~0.0040% 表（4）氮含量对韧脆转变温度的影响* 氮（%） 0.0075 0.0145 0.026 温度（℃） –30~-20 0~20 20~60 *合金中含C：0.0014~0.0024%，O2：0.0017~0.0045% 根据现有的数据，Cr30Mo2高铬铁素体不锈钢中的碳含量降至0.003%以下，氮含量降至0.007%以下，脆性转变温度降至-30~-20℃。