不銹耐酸鋼
正文
不鏽鋼和耐酸鋼的總稱。通常稱耐大氣、蒸汽和水等弱腐蝕性介質腐蝕的鋼為不鏽鋼。稱耐酸、鹼、鹽等化學浸蝕性介質腐蝕的鋼為耐酸鋼。二者在合金化程度上有差異，不鏽鋼不一定耐酸，而耐酸鋼則一般均有不銹性，因此習慣上將不銹耐酸鋼簡稱為不鏽鋼。不鏽鋼的發明是冶金史上的一項重大成就。20世紀初，吉耶(L.B.Guillet)於1904～1906年和波特萬(A.M.Portevin)於1909～1911年在法國;吉森（W.Giesen）於1907～1909年在英國發現了鐵－鉻和鐵-鉻-鎳合金的耐腐蝕性能。蒙納爾茨(P.Monnartz)於1908～1911年在德國提出了不銹性和鈍化理論的許多觀點。工業用不鏽鋼的發明者：含Cr12～13％的馬氏體不鏽鋼是布里爾利(H.Brearley)1912～1913年在英國；含Cr14～16％，C0.07～0.15％的鐵素體不鏽鋼是丹齊曾 (C.Dantsizen)1911～1914年在美國;含C<1％,Cr15～40％，Ni<20％的奧氏體不鏽鋼是毛雷爾 (E.Maurer)和施特勞斯(B.Strauss)1912～1914年在德國。在此基礎上隨後又發展了著名的“18-8”不鏽鋼(C～0.1％,Cr～18％，Ni～8％)。在馬氏體、鐵素體和奧氏體三大類型不鏽鋼相繼出現後，30年代又發明了奧氏體－鐵素體雙相不鏽鋼。40年代至50年代,馬氏體和半奧氏體沉澱硬化不鏽鋼和節約鎳的Cr-Mn-Ni-N等不鏽鋼以及含碳量低於 0.03％的超低碳不鏽鋼也開始生產。60年代以後又出現了馬氏體時效不鏽鋼，TRIP(transformation inducedplasticity,見形變熱處理）不鏽鋼和碳，氮總量低於150ppm的高純鐵素體不鏽鋼。70年代末，世界不鏽鋼年產量超過1000萬噸，一些國家不鏽鋼產量約占其總鋼產量的1％左右。中國於1952年開始大量試製和生產不鏽鋼，至70年代已有45個定型牌號。
合金元素的作用 不鏽鋼最重要的技術要求是耐蝕性，合適的力學性能，良好的冷、熱加工和焊接等工藝性能。鉻是不鏽鋼獲得耐蝕性的基本元素。當鋼中含鉻量達到12％左右時，鋼在氧化性介質中的耐蝕性發生突變性的上升。此時鋼的表面形成一層極薄而緻密的鉻的氧化膜，阻止金屬基體被繼續侵蝕（見金屬腐蝕）。除鉻外，不鏽鋼中還含其他元素，有些是作為主要成分加入的，有的則是殘留的雜質；其影響見下表。
不銹耐酸鋼鐵素體不鏽鋼 以鉻為主要合金元素,含Cr12～30％，C≤0.25％;有些鋼種還含Mo、Ti等元素,如1Cr17,1Cr25，0Cr18Mo2Ti等。一般呈單相鐵素體或半鐵素體組織。由於此類鋼是單相組織，沒有相變，因而無法通過熱處理使之強化。此類鋼熱導率較大而熱脹係數較小，抗氧化性強，而且耐蝕性隨鋼中鉻量增加而提高，故多用於製造耐大氣、蒸汽、水及氧化性酸和有機酸腐蝕的零部件和耐熱部件。它們的耐氯化物應力腐蝕的性能優於一般Cr-Ni奧氏體鋼,但對晶間腐蝕比較敏感。當鋼中增加含硫量(S0.35％)時，還具有良好的易切削性能。
如果鋼中含鉻量≥15％,鐵素體不鏽鋼的韌性-脆性轉變溫度會升到室溫以上,而且在≥900℃加熱時會出現晶粒長大而導致出現脆性。在550～750℃和 475℃長期停留也會出現σ相脆性和 475℃脆性。但含碳、氮總量低於150ppm的高純高鉻鐵素體不鏽鋼如高純Cr18Mo2,高純Cr26Mo1等,基本上不產生室溫脆性。如果作為焊接部件使用，焊接過程要採取防止增加碳、氮的措施才能獲得滿意性能。
奧氏體不鏽鋼 鋼中含Cr約18％、Ni8～10％、C約0.1％時,具有穩定的奧氏體組織。奧氏體鉻鎳不鏽鋼包括著名的“18-8”鋼和在此基礎上增加Cr、Ni含量並加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素髮展起來的高Cr－Ni系鋼。奧氏體組織的鋼是無磁性而且具有高韌性和塑性，但強度較低，而且不能通過相變使之強化，僅能通過冷加工進行強化。如果把S、Ca、Se、Te等元素加入鋼中,它便具有良好的易切削性。此類鋼除耐氧化性酸介質腐蝕外，還能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等的腐蝕。不鏽鋼中的含碳如低於0.03％或含Ti、Nb，就可以顯著提高其耐晶間腐蝕性能。高矽的奧氏體不鏽鋼對濃硝酸有良好的耐蝕性。為了節約價格較高的Ni並使鋼仍具奧氏體組織，以Mn、N代Ni，發展出了Cr-Mn-Ni-N和Cr-Mn-N不鏽鋼。它們除耐氧化性酸、尿素、醋酸等介質外，還具有屈服強度遠高於Cr-Ni奧氏體鋼的優點,在一定條件下可代替Cr-Ni系不鏽鋼。
奧氏體－鐵素體雙相不鏽鋼 目前大量生產與套用的雙相不鏽鋼的組織結構特點是既有奧氏體又有鐵素體。化學成分特點是在含C較低的情況下,含Cr量在18～28％，含Ni量在3～10％。有些牌號還含有Mo、Cu、Si、Ti、Nb、N 等合金化元素。雙相不鏽鋼的性能特點是兼有奧氏體和鐵素體不鏽鋼的特性。與鐵素體不鏽鋼相比較，雙相不鏽鋼的塑、韌性更高，無室溫脆性，其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鏽鋼的475℃脆性和σ相脆性以及導熱係數高,線膨脹係數小，具有超塑性等特點。與奧氏體不鏽鋼相比較，雙相不鏽鋼的強度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應力腐蝕性能有明顯提高。含有 Mo、N等合金元素的雙相不鏽鋼還具有優良的耐孔蝕性能。由於雙相不鏽鋼含Ni量較低，因而它也是一種節鎳不鏽鋼；主要用於化工、石油、原子能工業中作為結構材料使用，典型用途是製造各種換熱設備。
馬氏體不鏽鋼 根據化學成分的差異，可分為馬氏體鉻鋼和馬氏體鉻鎳鋼兩類。根據組織和強化機理的不同，則可分為馬氏體不鏽鋼、馬氏體和半奧氏體沉澱硬化不鏽鋼以及馬氏體時效不鏽鋼等。
①馬氏體鉻鋼 鋼中除含鉻外還含一定量的碳。含鉻量決定鋼的耐蝕性，含碳量越高則強度、硬度和耐磨性亦越高。此類鋼的正常組織為馬氏體，有的還含少量奧氏體、鐵素體或珠光體；主要用於製造對強度、硬度要求高，而對耐腐蝕性能要求不太高的零件、部件以及工具、刀具等。典型鋼號有2Cr13、4Cr13、9Cr18等。
②馬氏體鉻鎳鋼 包括馬氏體沉澱硬化不鏽鋼、半奧氏體沉澱硬化不鏽鋼和馬氏體時效不鏽鋼等，都是高強度或超高強度不鏽鋼。此類鋼含碳量較低(低於0.10％)，並含有鎳,有些牌號還含較高的鉬、銅等元素,所以此種鋼在具有高強度的同時，強度與韌性的配合以及耐蝕性、焊接性等均優於馬氏體鉻鋼。Cr17Ni2是最常用的一種低鎳馬氏體不鏽鋼。馬氏體沉澱硬化不鏽鋼通常還含有Al、Ti、Cu等元素，它是在馬氏體基體上通過沉澱硬化作用析出Ni3Al、Ni3Ti等彌散強化相而進一步提高鋼的強度的，如Cr17Ni4Cu4等牌號；而半奧氏體(或稱半馬氏體)沉澱硬化不鏽鋼,由於淬火狀態仍為奧氏體組織,所以淬火態仍可進行冷加工成型，然後通過中間處理、時效處理等工藝進行強化；這樣就可以避免馬氏體和馬氏體沉澱硬化不鏽鋼中的奧氏體淬火後直接轉變為馬氏體，導致隨後加工成型困難的缺點。常用的鋼種有0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7Mo2Al 等。此類鋼強度較高，一般達120～140kgf/mm2（見超高強度鋼）,常用於製作對耐蝕性能要求不太高但需要高強度的結構件，如飛機蒙皮等。馬氏體時效不鏽鋼，是在超低碳馬氏體時效鋼的基礎上加入高於10％的鉻製成的，既保有馬氏體時效鋼的良好綜合性能，又提高了耐蝕性。此類鋼含碳低於0.03％，Cr10～15％，Ni6～11％（或Co10～20％）,並加入Mo、Ti、Cu等元素強化。
生產工藝
冶煉 採用電弧爐煉鋼等。為了提高鋼的純淨度，可採用爐外精煉的工藝。對要求嚴格控制化學成分以保證組織和性能的沉澱硬化不鏽鋼，不宜採用容量太大的爐子和澆鑄過大的鋼錠。
冷、熱加工 大多數不銹剛均具有比較良好的熱塑性。但由於不鏽鋼的導熱性不如碳鋼，所以加熱要比較緩慢,保溫時間要較長。鐵素體不鏽鋼晶粒容易長大,加熱溫度應偏低。停止加工溫度應控制在800℃以下,並保證在較低溫度時有相當的變形量。馬氏體不鏽鋼則應在熱加工後進行緩冷。在冷加工過程中，由於奧氏體不鏽鋼和半奧氏體不鏽鋼等加工硬化傾向大，故須進行多次退火。
焊接 不鏽鋼的焊接性是重要的工藝性能指標，應能用多種方法焊接，焊後不產生裂紋，而且耐腐蝕能力無明顯下降。此外，必須嚴格按鋼種選擇焊條和焊接工藝條件；對某些鋼種要按焊前、焊後熱處理的規定進行操作。
熱處理 鐵素體不鏽鋼熱處理溫度的選擇要避開脆性區，一般在780～870℃進行。為防止冷卻過程中析出碳化物，加熱後要求快冷（如水冷）。奧氏體不鏽鋼的熱處理，主要是使碳化物完全固溶於奧氏體中和防止形成鉻碳化物，以獲得耐蝕性良好的組織。通常要加熱到高溫（如1000～1150℃），然後迅速冷卻以防止碳化物和中間相析出，此法稱固溶處理。對含Ti、Nb的不鏽鋼，可加熱到800～900℃並保溫一定時間，使鋼中的碳大量形成Ti和Nb的碳化物，以防止隨後焊接（或450～850℃加熱）過程中鉻碳化物沿晶界沉澱而引起晶間腐蝕，此法稱為穩定化處理。
奧氏體－鐵素體雙相不鏽鋼一般採用與奧氏體不鏽鋼相同的固溶處理的熱處理方法。但是，為控制適宜的各相比例和防止σ相沉澱，熱處理溫度和冷卻速度要嚴格控制。
馬氏體不鏽鋼一般用淬火併回火的方法。奧氏體化溫度通常在1000℃左右。由於鋼的淬透性隨鋼中含碳量增加而提高,冷卻多用油冷或空冷。回火溫度分低溫(150～370℃)和高溫(450～560℃)兩種；低溫主要消除內應力，高溫是在保證良好耐蝕性的同時，獲得優良的綜合力學性能。
對於馬氏體沉澱硬化不鏽鋼，一般先進行固溶處理，獲得過飽和固溶體，冷卻後具有馬氏體組織；然後再進行沉澱硬化處理，利用時效作用產生細小而彌散分布的沉澱相，以提高鋼的強度。半奧氏體（或半馬氏體）沉澱硬化不鏽鋼，熱處理工藝包括固溶處理，中間處理和沉澱硬化時效處理等階段（見金屬的強化）。
參考書目
Donald Peckner & I.M.Bernsten，Handbook of Stainless Steels,McGraw-Hill,New York,1977.
長谷川正義監修：《ステンレス鋼便覧》,日刊工業新聞社，東京，昭和48年。
C. A. Zapffe, Stainless Steels, Amer. Soc.for Metals,Cleveland Ohio,1949.
