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日本高性能不銹鋼的種類和用途簡介
????日本不銹鋼生產現狀
????（1）概況：日本年產不銹鋼能力約350萬t，其中新日鐵、住金不銹鋼為110萬t，日新制鋼60萬t，JFE公司55萬t，日金工和日冶工各30萬t，其余由大同特殊鋼等特鋼廠生產。所生產品種按日本標準JIS的規定為100種，加上各企業自行開發的品種總計約200種左右。不銹鋼的用途隨著產業的發展在不斷擴大，目前主用于餐炊具等耐蝕用品、汽車、家電、電子等機械部件，石油化工等貯運設施、醫療機構和建材等。
????（2）材料的選定。按照用途選用品種時，首先應考慮使用性能和加工性能；其次為經濟條件，即考慮購入價格的同時還應考慮加工費用和使用中的維護費用。特別是近年來從可持續發展方針出發還應考慮對環境的影響及再生利用的資源合理利用等因素。
????（3）銹鋼的種類和性能。不銹鋼的基本性能為耐蝕性，在JIS標準中按其組織的不同，其分為以下5大類：
????1、馬氏體體系不銹鋼。其特點是硬度高，多作刀具、氣輪機葉片等用。在本系中隨著含碳量的提高，硬度提高的同時耐磨性亦改善。典型品種為SUS410（含Cr13%，含CO.15%），其同類品種有：420JI、420J2、429J1、440A，通過降低C以改善加工性能的為410L，則歸入鐵素體系不銹鋼。
????2、鐵素體系不銹鋼。當將Fe-Cr系馬氏體合金的C降低時便得到鐵素體組織，同時耐蝕性和加工性改善。另和奧氏體不銹鋼比較，耐蝕性基本相當，但由于不含鎳而價廉，故在加工性和焊接性要求不太嚴的場合可用以代奧氏體不銹鋼。
????此系的典型品種為430（18Cr-0.5C），其降C后的同類品種有：430LX（18Cr-Ti/Nb）、430J1（18Cr-0.5Cu-Ti），加Mo的品種有436J1（18Cr-0.5Mo-Nb）、436L（18Cr-1Mo-Nb/Ti）和444（18Cr-2Mo-Nb/Ti），增Cr的品種有445J1（22Cr-0.8Mo-Nb/Ti）、445J2（22Cr-2Mo-Nb/Ti）和447J1（30Cr-2Mo-Nb/Ti）。它們的主要用途為：430類和436類多用于家電和汽車排氣管等部件；444多彌補奧氏體對氯化物耐蝕性差的缺點而很早即用于電熱水器桶；高Cr高Mo系的445J2和447J1則對海濱的耐候性好，多用于海濱大型建筑的屋面板。
????3、奧氏體系不銹鋼。它占不銹鋼的大半以上，典型品種為304（18Cr-18Ni），由于用途廣泛，茲分7大類簡介如下：
????（a）耐蝕性類。又分以下4小類：（Ⅰ）耐晶界腐蝕類有：304L（18Cr-10Ni-低C）、321（18Cr-8Ni-Ti）t347（18Cr-8Ni-Mo）；(Ⅱ)耐一般腐蝕類有316L（18Cr-10Ni-2Mo）-317L（18Cr-12Ni-3Mo）、317J1（17Cr-15Ni-5Mo）和890L（20Cr-25Ni-4.5Mo-1.5Cu；）；（Ⅲ）耐孔洞間隙腐蝕類有：317J2L（25Cr-14Ni-1Mo-0.3N）、317J3L（21Cr-12Ni-2.5Mo-0.2N）和836L（23Cr-25Ni-5.5Mo-0.2N；）（Ⅳ）防應力腐蝕裂紋類有：315J1（18Cr-10Ni-Mo-Cu-Si）、315J2和XM15J1（18Cr-12Ni-3.5Si）。
????（b）耐熱性類有兩小類：（Ⅰ）增Si類有302B（18Cr-8Ni-2Si）；（Ⅱ）增Cr、Ni類有309S（23Cr-14Ni）和310S（25Cr-20Ni）。
????（c）加工性類有兩小類：（Ⅰ）深沖性佳類有304J1（17Cr-7Ni-2Cu）和340J2（17Cr-7Ni-4Mn-2Cu）；（Ⅱ）軟質類有305（18Cr-12Ni）和XM7（18Cr-9Ni-3.5Cu）。
????（d）非磁性類有高強度的高Mn高N類（17Cr-1.5Ni-15Mn-0.35N）。
????（e）高強度類有兩小類：（Ⅰ）增N類有304N1（18Cr-8Ni-0.1N）和304N2（18Cr-8Ni-0.2N-Nb）；（Ⅱ）適于冷加工類有301（17Cr-7Ni）、301L（17Cr-7Ni-N低C）和301J1。
????（f）提高切削性類是303（18Cr-8Ni-S）、303Se（18Cr-8Ni-Se）和303Cu（18Cr-8Ni-Cu）。
????（g）遮蔽中性子類有18Cr-8Ni-B。
????此外還有節Ni型的201（17Cr-4Ni-6Mn）和202（18Cr-5Ni-9Mn）。近來各企業還開發成功通過在表面鍍金、蝕刻、涂裝和表面加工處理等以改善抗菌、遮熱和美觀性的不銹鋼。
????不銹鋼的耐蝕性和合金成分的關系以N的作用最大，其次為Mo和Cr。被稱為超級不銹鋼的836L，即作為鎳基超合金和鈦的代用品而用于高濃度氯化物的條件下。非磁性鋼的高Mn高N鋼尚未列入JIS，但已作為彈簧材料用于電子零部件，它除了非磁性外，耐蝕性亦好。還有中子遮蔽用的加B不銹鋼亦未列入JIS，它是304L中加入1.0%B，主用于核燃料的貯存容器。
????4、雙相不銹鋼系。它是奧氏體組織和鐵素體組織各1/2所構成，成分亦取決于兩者生成元素的平衡。其典型品種為329（27Cr-4Ni-1.5Mo），通過增加Mo和N含量以提高耐蝕性的主要品種有329J1（25Cr-4.5Ni-2Mo-N）、329J3L（22Cr-5Ni-3Mo-N）和329J4L（25Cr-6Ni-3.5Mo-N），它們的特點是高耐蝕的同時由于結晶微細致強度亦高。
????5、析出硬化型不銹鋼系。在304基礎上加入Cu、Al、Ti和Mo等成分并經時效處理以提高其強度。根據時效前的組織可分為三類：
????（a）630類，成分為17Cr-4Ni-4Cu-Nb，經固溶化處理為馬氏體組織，再經470~625℃時效熱處理后銅呈微細化析出；
????（b）631（17Cr-7Ni-Al）類，系在301中加入Al、Cu后并經固溶化處理為奧氏體組織，再經熱處理和冷加工后成為馬氏體，并經450~550℃時效熱處理而硬化。還有631J1（17Cr-8Ni-1Al）和631J2（17Cr-7Ni-1.5Si-Cu-Ti）2種。
????（c）660（15Cr-25Ni-Mo、Ti、Al、V、B）類，原為奧氏體組織，經716℃時效熱處理使Y析出，它在比較穩定的700℃以下作為高溫材料應用，在JIS中分類為耐熱鋼。
????高耐蝕性不銹鋼
????不銹鋼在表面Cr的穩定皮膜的保護下在一般生活環境下發揮了較好的耐蝕性，并具有長期的金屬光澤，從而在炊具、建筑內外裝飾材和鐵道車輛等方面得到了廣泛應用。但當Cr的穩定皮膜在過苛環境下受到破壞后，仍易帶來被腐蝕等重大損傷。據此，近年來針對中性條件下孔洞、間隙等局部腐蝕、強酸中的全面腐蝕和氯化物環境下的應力腐蝕裂紋等條件下的特殊需要，開發成功如下的比一般不銹鋼更耐蝕的新鋼種：
????（1）耐孔洞、間隙腐蝕的優良不銹鋼?？锥锤g是由Cl-等鹵化物離子對穩定皮膜局部破壞而引起的局部深度腐蝕。在平滑表面上產生的點狀或蟲食狀腐蝕稱為孔洞腐蝕，在螺栓連接結構部分的間隙或附件下部產生的腐蝕稱為間隙腐蝕，兩者的腐蝕機理相同。
????為抑制孔洞間隙腐蝕，從材料方面主要應選擇含強化穩定皮膜元素Cr、Mo、N等高的鋼種。從合金成分計算耐孔蝕性的指標PI=Cr+3Mo+16N（N僅用于奧氏體鋼）。盡管隨著PI值的提高耐孔蝕性亦上升，但由于合金量增加后成本上升，故應根據使用環境采用最佳鋼種。各生產廠已按此原則開發成功各種用途的新鋼種。
????在汽車部件和建材外裝飾用的鐵素體系不銹鋼的代表鋼種SUS430（17Cr）為基礎，通過加入新成分以改善耐孔蝕性方面，各生產廠已開發成功SUS430J1L（18Cr-Ci-Nb低C、N）、SUS436J1L（19Cr-0.5Mo-Ti/Nb低C）和SUS436L（成分見前）等新鋼種。此類高純鐵素體系不銹鋼，不僅耐蝕性好，且由于C、N等雜質低和加入微量Ti、Nb，其加工性特別是焊接性亦佳。
????還有由于鐵素體系不銹鋼的熱膨脹率低，用于長尺寸的大型建筑屋面板時比奧氏體系鋼在設計、施工上均較為有利，但海上飛來的海鹽粒子造成的腐蝕嚴重，特別是不易受雨水沖刷致海鹽易濃縮的部位更為嚴重。為此，已開發出耐孔蝕性好的建材用不銹鋼SUS445J2和SUS447J1。
????對于海濱受海鹽粒子浸蝕更多的場所和在浸于海水中受高濃度氯離子浸蝕的場所，需要耐蝕性更高的高Cr、高Mo奧氏體系或雙相系不銹鋼。現被稱為超級不銹鋼的SUS836L（20Cr-18Ni-6Mo-0.2N）已開發成功并用于海濱地區的屋頂、海洋結構物吃水部位的金屬襯里、海水淡化設施和高鹽分濃度食品制造設備等處。對于用氯氣殺菌的自來水貯水槽中的所相部分，由于結露水中Cl-濃縮的同時PH值亦降低，故形成嚴重的局部腐蝕環境。對此，則使用了雙相系的SUS329J4L（成分見前）。
????（2）在強酸中耐全面腐蝕的優良不銹鋼。不銹鋼作為在酸性溶液中耐蝕的鋼鐵材料，發明后即用于各種化工裝置和輸送容器，但由于它對各種氧化性不同的酸的適應性不同，在使用時還應詳細分析腐蝕環境后合理選定鋼種。
????硝酸為氧化性強的強酸，為最能發揮不銹鋼特性的環境。在70%以下的濃度下可充分發揮SUS304類的耐蝕性；對于濃度更高或高溫領域則應采用含Si高的17Cr-14Ni-4Si-Nb鋼等新開發的鋼種。但硝酸的晶界腐蝕性強，對于焊接施工的部件可用低碳的SUS304L類，而對于使用高濃度硝酸的用于核燃料再處理設施，則應使用C和P大幅下降以改善耐晶界腐蝕的奧氏體系不銹鋼（R-SUS304ULC、R-SUS316USC）等鋼種。
????硫酸為非氧化性強酸，故不能像硝酸般在廣范圍內使用不銹鋼。如在低濃度硫酸中或>90%的高深有度硫酸中可使用SUS304類，而含有Mo的SUS316在常溫硫酸下亦僅能在<20%的濃度下使用。在中濃度硫酸中一般不銹鋼將產生激烈的全面腐蝕，腐蝕速度并隨酸中的離子濃度而變化。為抑制全面腐蝕以加Mo、Cu等元素為有效，多使用雙相系的SUS329J4L或超級不銹鋼SUS836L。
????在火電鍋爐的煙氣脫硫裝置或煙道煙突部的低溫結露部位，由于露水澡濃度的硫酸成分可引起激烈的全面腐蝕加上煙氣的Cl-離子濃縮，亦會發生間隙腐蝕的局部腐蝕。對這種苛刻的復合環境必須使用高耐蝕性不銹鋼板。經對煙道內部的環境分析后，綞開發出廠該環境下既耐全面腐蝕又耐局部腐蝕的奧氏體系不銹鋼（成分為20Cr-15Ni-3Mo-1.7Cu-0.2N），現已用于火電廠煙突內襯和煙道的零部件等處。
????（3）氯化物環境下耐應力腐蝕裂紋的優良不銹鋼。在局部腐蝕和拉拔應力的雙重作用下，奧氏體系不銹鋼會產生裂紋，甚至造成設備重大故障。這在氯化物、高溫高壓水、氫氧化鈉和連多硫酸環境下達50℃以上溫度時經常發生，在高溫下氯化物低濃度的水環境下亦會偶爾發生。對此，作為設計施工方面的對策，應降低Cl-離子和溶氧濃度、除去加工和焊接時的殘余應力以及回避應力集中等；同時還應注意防止焊接時再加熱引起的晶界Cr碳化物生成而導致的耐蝕性劣化現象和焊接部的應力集中等。從材料方面的對策則應從起因于Cl-離子的孔洞腐蝕多為局部腐蝕的起點出發，如上所述應采用耐孔蝕性的奧氏體系不銹鋼，或采取通過添加以提高防應力腐蝕裂紋有效的Si、Cu的SUS315J1（成分見前）和SUS315J2（18Cr-12Ni-2Cu-Mo）。但是奧氏體系不銹鋼從本質上防止應力腐蝕裂紋的機理還不十分明確，為此應在考慮使用環境而選用鋼種的同時，還應從設計施工上多加注意。
????另外，鐵素體系不銹鋼則沒有產生應力腐蝕裂紋的傾向，從而對回避裂紋有利。但由于其耐蝕性、加工性、焊接性等一般均比奧氏體系不銹鋼差，故在應用上受到限制。對此，近年來各企業對上述特性改善后陸續開發出不少新鋼種，使用效果亦好。如代表鋼種SUS444已廣泛用于電熱水器。電熱水器罐體過去多用SUS304，由于應力腐蝕裂紋曾多次發生故障，加上罐體結構簡單，新開發的SUS444已廣泛代用。由于本鋼種不僅防應力腐蝕裂紋的性能好，而且在鐵素體系不銹鋼中，一般耐蝕性、加工性和焊接性亦均較好，故亦可用于太陽能熱水器和換熱器等處。
????燒油的熱水鍋爐由于結構復雜和焊接點多，一般多使用經改進后奧氏體系的SUS315J1和SUS315J2。?
根據社會對鋼的高強度化要求研究了種種的強化方法，并作為應用開發的重點，對耐蝕性的不銹鋼亦不例外地被要求高強度化。因為強度提高后板厚可變薄，有利于部件輕量化，同時使用壽命亦可延長，從而好處很多。特別是在2000年日本建筑標準法實施修訂后，不銹鋼被列入鋼結構用材料，JISG4321建筑結構用不銹鋼作為一般結構材料被批準，從而不銹鋼的高強度化更為重要。
鋼的變形主由于位錯運動。由于抑制位錯運動致使變形困難時，鋼則得到強化。具體方法有固溶強化、析出強化、加工強化、馬氏體相變強化和晶粒微細化強化等，現就不銹鋼的強化方法、強化后的結構和用途簡介如下：
（1）固溶強化。使合金元素固溶入純金屬時，一種為合金元素進入基體金屬晶粒的原子間隙，稱為侵入型。不銹鋼是將Cr和Ni固溶入鐵中的合金，應屬于固溶強化狀態，但Cr、Ni對Fe的固溶強化作用很小。經試驗得知，對Cr、Ni奧氏體不銹鋼強化作用最大的為侵入型元素的N和C，如在SUS304中使N固溶后產生的SUS304N1（含N0.1%-0.25%），和SUS304N2（含N0.15%-0.30%），其含N量為SUS304（含0.04%）的2-7倍，其強度為SUS304的1.5-2倍。按JISSG4305有關固溶化狀態的力學性能規定，SUS304為205N/mm2以上，SUS304N2為345Nmm2以上。由于加N而產生的此類強化不銹鋼已在結構和強度部件上廣泛應用。
固溶強化不僅限于常溫強度，對提高高溫強度亦有效。由此，比其它方法更有利于焊接用高強度不銹鋼。如后述的利用加工硬化的SUS301（17Cr-7Ni）為改善其焊接部件的耐蝕性而將C降低的SUS301L，為保持焊接部件的強度便靠加入0.2%以下的N來解決，現已被鐵道車輛普通采用。
（2）析出強化。是在基體金屬中制造析出物（碳化物、氮化物、金屬間化合物等）使之強化的方法，由于析出物可妨礙位錯運動，故在母相中以微細而多數分布的狀態最有利于提高強度。析出強化利用鋼中合金元素的固溶度隨溫度變化而不同的原理。利用析出強化的不銹鋼稱為析出硬化（PH）型不銹鋼，JI G4304中按固溶化狀態的基體組織分類為馬氏體系和半奧氏體系的2類析出硬化型不銹鋼。
馬氏體系的不銹鋼SUS630（17Cr-4Ni）含Cu約4.0%，在1050°左右的高溫下將Cu固溶于奧氏體相中，在冷卻過程中Cu在過飽和的馬氏體組織中發生作用，再經450-480℃、1-4h析出硬化處理后，則在基體的馬氏體中以Cu富化物公散析出而使鋼強化。其硬度經固溶化處理后為350HV，經析出硬化處理后達450HV。SUS630以強度高及耐蝕性與SUS304相當的優勢，已廣泛用于彈簧材、飛機結構用材、刀具等處。
半奧氏體系的PH不銹鋼為強度和加工性兼優的特殊鋼種，它是在SUS301中加入Al的17.7PH不銹鋼SUS631（17Xr-7Ni-1.2Al），它在固溶強化處理后的常溫下具有加工性好的奧氏體組織；如再經950℃10分鐘熱處理，通過便C的固溶量變化以提高馬氏體相變點（Ms點），接著在Ms點（-70℃）附近冷卻，使成為馬氏體組織（RH950處理）。亦有在固溶強化處理后經冷加工生成加工誘發馬氏體的方法（CH900處理）。馬氏體形成后，在510℃左右加熱以實施析出硬化處理時，Al、Ni析出，使在奧氏體狀態下為280N/mm2的強度經析出硬化后達到1520-1700N/mm2的高水平。
（3）由加工硬化產生的強化。使鋼變形時給晶粒施加剪切應力，位錯在運動的同時給晶粒引發更多的位錯。加工硬化指通過軋制、拉拔等塑性變形使晶粒內的位錯密度增大以對鋼強化的方法。這種加工硬化的作用，對奧氏體系比鐵素體系更大。如18Cr-8Ni成分的準穩定奧氏體系在隨著位錯密度的加大而使硬化上升，便生成馬氏體（加工誘發變態），很易得到高強度。
利用加工硬化形成的材料稱為硬材，其強度隨軋制的變化分為H（硬度）、2/3H、1/2H等不同的水平。SUS302（17Cr-7Ni）硬材已廣泛用于家用電器的壓緊板簧、汽車發動機墊圈和通信機器的連接器等板簧制品。由加工誘發的馬氏體帶有磁性，故SUS301和SUS304等硬材亦有磁性。
非磁性的彈簧用材料首推高Mn不銹鋼的AISI205（17Cr-15Mn-1.5Ni-0.35N），它是以Mn取代SUS301中的Ni，其性質不同主要由于N而生成較多的固溶體并充分發揮了固溶強化的效果。如固溶化處理狀態下的硬度SUS304為180HV，而AISI205則為270HV。進一步加工后發現有顯著的加工硬化特性。
AISI205在高溫下具有優良的彈簧彈性，故用于發動機的墊圈等處。
（4）由結晶細化生產的強化。晶粒大小對強度的作用很早即發現，如退火后軟鋼的晶粒尺寸愈小則屈服強度愈高并呈直線關系，這一關系稱為霍爾佩其法則。這由于變形使在結晶內運動的位錯在晶界被阻止，故晶粒細化造成的更多晶界使材料的強度提高。上述的固溶強化、析出強化和加工硬化若過度時則韌性呈下降趨向，從而因加工和使用條件而有時使強度受限；但晶粒細化則在強度提高的同時仍保持韌性不受影響。為此，這一方法已為研發中“超級金屬”項目所應用。
通常不銹鋼的粒徑為數十μm，而目前的研發成果已達其1/100的100nm級水平。如粒徑達300nm左右的奧氏體不銹鋼其抗拉強度達普通粒徑材2倍的1100N/mm2，且韌性不降?，F通過晶粒細化以提高強度的不銹鋼，已列入JIS中，即具有復合組織的雙相系不銹鋼。如SUS329J4L（25Cr-6Ni-3Mo-N）為在鐵素體母相中具有島狀的奧氏體相分散組織，且通過加入N，經固溶強化可提高強度和耐孔蝕性。由于晶粒細化和固溶強化的復合作用，其強度特性比奧氏體系和鐵素體系均大，成為兼具有耐應力腐蝕性好的鐵素體系和高強度的奧氏體系不銹鋼的特性，廣泛用于貯水槽、含硫油氣用油井管和化工貯罐配管等腐蝕嚴重的環境。
（5）馬氏體相變生產的強化。不銹鋼中具有最高硬度的SUS440C（13Cr-1C）（640-700HV）即屬于馬氏體系不銹鋼。由于馬氏體組織的結構非常微細，加上內部存在高密度的位錯和碳的過飽和固溶物，故達到了高強度。另外，經以后的回火處理，碳化物等析出物又形成分散的微細化組織，故馬氏體系不銹鋼通過固溶C和回火處理以調整其強度。如SUS420J2（13Cr-0.3C）由1000℃的高溫的奧氏體區急冷時，相變為固溶0.3%C的馬氏體，再經回火熱處理使碳化物等分散微細化后強度可達550HV左右。它和SUS420J1（13Cr-0.2C）及SUS410（13Cr-0.1C）并列為發電、化工設備等結構用不銹鋼。
最后對稱為高強度不銹鋼的代表性鋼種的主要成分、用途和對應的強化機理及其強度水平如表1所示。此外，各公司還在開發表1以外的耐蝕性高強度鋼。它們的強度有多種，應根據不同用途，綜合考慮耐蝕性、加工性和耐氧化性以選定最佳適用的鋼種。
表1??主要高強度不銹鋼的用途和強度水平
體系 |
鋼種 |
主要成分 |
性質和用途 |
強化機理 |
硬度（HV） |
奧氏體系 |
AISI205 |
17Cr-15Mn-1.5Ni-0.4N |
非磁性彈簧和金屬墊圈 |
固溶硬化+加工硬化 |
260-420 |
SUS301 |
17Cr-7Ni |
鐵道車輛、一般彈簧 |
加工硬化 |
||
SUS301L |
17Cr-7Ni-N-低C |
鐵道車輛 |
固溶強化+加工硬化 |
||
SUS304N1 |
18Cr-8Ni-N |
結構用高強部件 |
固溶強化 |
220-250 |
|
SUS304N2 |
18Cr-8Ni-N-Nb |
||||
雙相系 |
SUS329J1 |
25Cr-4.5Ni-2Mo |
兼具耐SCC性和強度 |
晶粒細化強化 |
250-280 |
SUS329J5L |
25CR-6Ni-3Mo-N-低C |
||||
馬氏體系 |
SUS410 |
13Cr |
一般用途和刀具 |
馬氏體強化 |
370-450 |
SUS420J1 |
13Cr-0.2C |
氣輪機葉片 |
馬氏體+固溶強化 |
520-580 |
|
SUS420J2 |
13Cr-0.3C |
刀具、噴嘴、閥座、閥門、直尺 |
|||
SUS400C |
13Cr-1C |
最高硬度、用于噴嘴和軸承 |
640-700 |
||
析出硬化系 |
SUS630 |
17Cr-4Ni-4Cu-Nb |
軸類、氣輪機部件、鋼運輸帶 |
析出+馬氏體強化 |
400-500 |
SUS631 |
17Cr-7Ni-1Al |
發條、墊片、計器部件、高溫彈簧 |
高加工成形性不銹鋼板材
????不銹鋼板以原狀使用的較少，大多通過加工成型后使用。茲就拉伸成形和深沖成形簡介如下：
（1）拉伸成形。用球型沖模壓板將板的四周固定，通過球型沖頭使板厚變薄的同時增加其表面積，并作沖頭和模合成形的加工方法稱為延伸加工法。由于表面延伸率的極限使其深部亦受到限制外，為保證成品性能，延伸量亦受到限制。由此，作為材料特性的延伸率和n值（加工硬化指數）大的材料其延伸性亦好。
1．奧氏體系不銹鋼的延伸性。SUS304和SUS301被稱為標準奧氏體系不銹鋼在常溫下加工時，奧氏體的一部分相變為馬氏體相（稱為加工誘發馬氏體相變），產生顯著的加工硬化。即局部變形時該部分受到強化，并將變形傳播至全體而引起大變形。由此奧氏體系的延伸性比鐵素體系較好。作為對應加工誘發馬氏體變態的奧氏體穩定度的指標Md30（指真變形下引起0.30的延伸變形的50%馬氏體相的生成溫度）常被應用。
經過對SUS304和SUS301試驗的結果，Md30的最大值前者為0℃，后者為15℃，說明此時的延伸性最大。
2．鐵素體系不銹鋼的延伸性。SUS430等鐵素體不銹鋼，它不像標準奧氏體不銹鋼會產生加工誘發相變，故提高延伸性的手段只有從成分上減少次要元素以達到高純度化。
從Cr13鐵素體不銹鋼的試驗結果得知，通過減少侵入型固溶元素的C、N以及加入可將碳、氮化物固定的Ti，均有利于提高加工硬化系數。
（2）深沖成形。它指在模具內通過材料的移動，將平板成形為容器狀的方法。它和延伸成形不同處是將增加的表面積形成立體。由所成形的容器看，從成形的角度可分為以下部分；（a）底部：受沖頭力的部分；（b）側部：傳達沖頭力的部分；（c）凸緣部分：向圓周方向收縮的同時并向模孔中進入的部分。為此決定深沖性的因素為沖頭底部的材料強度和凸緣收縮變形時材料強度的綜合影響。
1．奧氏體系不銹鋼的深沖性。如上所述的SUS304和SUS301由于產生加工誘發馬氏體相變而使n值加大，從而深沖性亦好，但如這種相變過大時將使收縮凸緣的變形阻力加大反使深沖性變差。為此在提高深沖性時，應降低收縮凸緣的變形阻力，亦即為使鋼質軟化而加入Cu,SUS304J1即屬于此類。還有為減少C、N而加入Cu、Al復合物對提高深沖性亦有效。
另外，在奧氏體不銹鋼壓力成形時還會發生過期裂紋，即深沖成形后數分鐘乃至數個月后發生的延遲破壞。對此，從材料方面應采取以下措施：（a）降低C、N含量；（b）奧氏體的穩定化（降低Md30）；（c）降低鋼中含氫量。作為成形方法應該設法降低殘留應力。
2．鐵素體系不銹鋼的深沖性。它主要受r值的支配。r值為表示鋼板異向性的指標，r值高時，變形時板厚減少困難，即板面內方向的材料流動比板厚方向的容易。r值受材料的集合組織而變化，而集合組織則受成分和生產條件的影響較大，特別是受冷軋時的壓下率和退火條件的綜合影響較大。為此，從成分上應盡力降低C、N含量，并增加Ti、Nb以降低固溶C、N而使r值提高；冷軋時增大壓下率和冷軋道次亦有利r值提高。
還有鐵素體系不銹鋼特有的扭傷和條痕等缺陷的問題。前者為對延伸方向45°發生的凹凸現象，起因于侵入型元素C、N的位錯而發生的屈伏不均所致，應通過適當的調質軋制以解決。后者為成形時產生的和軋制方向平行的凹凸現象，它起因于連鑄坯柱狀晶的帶狀組織在鋼板上的殘留，故應從鑄坯、熱軋和冷軋各工序上加以改善。
（3）材料、用途的新動向。在沖壓成形方面不僅是深沖或延伸等個別形態的加工，往往以復合成形的方式較多。從反映深沖性極限的深沖比的LDR值和反映延伸性的杯突試驗看，SUS304J1為2.2/15，SUS34J2為2.1/13，SUS304L為2.1/12.6，SUS304為2.0/13.2，可知以SUS304J1為最優，但以3段深沖的裂紋發生度（10天后）看，則以SUS304L和SUS304J2為優，故應按成型品的形狀和加工度以合理選用材料。
關于材料、用途的新動向，在奧氏體系不銹鋼方面，各公司均在開發軟質材料，如NSS304ES和NAS304D；在鐵素體系不銹鋼方面則開發成功深沖性可知奧氏體匹敵的YUSPDX及條痕很少的R430XT等新品種。在用途方面，家電等產品已用上高級感、清潔感的不銹鋼，特別是電炊具和電冰箱的外裝材方面已廣泛應用。并尚在不斷發展中。
六、高加工性不銹鋼棒材 近年隨著不銹鋼在建筑、汽車、家電、工廠機器、化學設備等方面的應用范圍擴大，從提高生產效率和降低成本出發以及從切削加工向冷軋加工的轉變，都希望改善不銹鋼產冷軋加工性能。茲就不銹鋼棒材成形加工時的冷軋加工性能簡介如下。 （1）代表型冷軋加工用不銹鋼。在JISG4315冷軋加工時用不銹鋼棒材中，有奧氏體系9鋼種、鐵素體系2鋼種、馬氏體系2鋼種。茲分述如下： 1．奧氏體系的9鋼種為：SUS304、SUS304L、SUS304J3、SUS305、SUS305J1、SUS316、SUS316L、SUS384和SUSXM7（主要成分見表2）。本系不銹鋼除耐蝕性好外，其低溫韌性、高溫強度和非磁性等特性均較好，故廣泛用于螺栓、螺帽和螺釘等處。作為冷軋加工用鋼要求變形阻力越低越好。從反映這一特性的加工硬化特性看，奧氏體系不銹鋼比炭素鋼、鐵素體系不銹鋼和馬氏體系不銹鋼等的加工硬化特性均非常大，亦即由于變形阻力大而造成冷軋加工性低。其原因為在加工硬化特性已大的基礎上加上在冷軋加工中引起的加工誘發馬氏體相變的作用。為此，采取加入不易引起加工誘發馬氏體的成分以對應。如加入Ni、Cu可使奧氏體組織穩定化，或降低C、N、Si等因溶強化元素以降低固溶熱處理后的強度以及通過強化精煉以減少鋼中的非金屬夾雜等。如SUSXM7和SUS304J3則加入了3%-4%和1%-3%的Cu。 表2??日本近年開發成功的高加工性不銹鋼（棒材）
注：（）內指開發企業，除新日鐵和日立制作所外，系均為特殊鋼企業。 2．鐵素體系不銹鋼有SUS430和SUS434兩上鋼種。由于本系不銹鋼在淬火下仍不硬化，故加工性優良，加上熱膨脹系數小，耐蝕性和電磁性均好，故多用于汽車尾氣排放部件，電磁閥、噴咀和各種測頭處。通常為提高鐵素體系不銹鋼的冷軋加工性能，多采用降低C、N、Si、Mn等固溶強化元素、降低不純元素和非金屬夾雜，以及使晶微粒細化等措施，特別是晶料的微細化受制造工藝的條件影響較大，它的再結晶粒徑一般隨加工度的加大而變細，熱處理溫度則以溫度較低方為細。如冷加工率為5%-10%的低水平時，晶粒明顯粗大化，而冷加工率超過20%則熱處理后的結晶粒粗大化受到抑制。為此，在使用鐵素體不銹鋼時應注意此點。 另在用于電磁閥的電磁不銹鋼為提高其電磁特性，多采取加入Si、Al的措施，此時為改裝其冷軋加工性，應采取極低C、N化和加入Ti等可形碳化物的元素。還為改善冷軋加工后的切削性能，可適量加入鉛等易切削元素。 3．馬氏體系不銹鋼有SUS403和SUS410兩個鋼種。本系不銹鋼可通過淬火、回火以提高強度，故為改善冷軋加工性時可采取降低Si、Mn等固溶強度元素，降低非金屬夾雜和控制晶粒徑等措施。還有可通過對退火處理后Cr碳化物大小的控制以降低硬底。另為改善冷軋加工的切削性亦可加入鉛等易切削元素。 （2）最近的開發動向。近年為了部件功能的多樣化和低成本化，多采取復雜形狀部件的冷軋加工，從而對不銹鋼冷軋加工性的要求更為嚴格，據此開發出不少高性能的不銹鋼，具體鋼種如表2所示。 由上可知，在奧氏體系不銹鋼方面，開發出冷軋加工性好且兼具高強度、易切削、高耐蝕和高強度非磁性等性能具佳的不銹鋼；在鐵素體系不銹鋼方面則開發成功兼具耐蝕性、冷軋加工性和以電磁特性為主的不銹鋼；馬氏體系不銹鋼方面，在過去不可能提供的冷軋加工的SUS440C類的高強度不銹鋼中，通過對Cu-C含量的調整平衡以抑制了粗大的一次碳化物的生成從而成為可冷軋加工的材料；還在SUS420類通過對Cr、Mo、N的適度調整以開發成功耐蝕性和冷軋加工性均提高的新材料；最近在析出硬化系（如SUS630等）不銹鋼中，通過對C、N、Cb量調整平衡以使固溶化處理后的硬度下降而開發成功可供建筑螺栓用的新材料。 七、耐熱不銹鋼 不銹鋼由于含Cr高而具有較好的高溫作用，如在一般熱處理爐、工業用耐熱部件、火電鍋爐和化工用反應爐等工業方面已廣泛應用，此外在汽車的尾氣排放部和家用爐具等方面亦在應用。作為高溫使用性能應要求同時具備耐蝕性、高溫強度、熱膨脹性和傳熱性等多種，此處重點介紹耐熱不銹鋼在高溫環境下重點考慮的必要性能。 （1）要求耐熱不銹鋼的主要性能。在高溫環境下使用的耐熱不銹鋼，將面臨以下問題： 1．關于耐蝕性方面（a）高溫氧化。由于和氧反應使表面生成氧化膜，它的生成速度和剝離可決定氧化速度；（b）耐高溫氣腐蝕。首先是H2S及SOX反應形成的硫化物在低融點下呈多孔狀，致硫化鐵皮的剝離速度快，危害比氧化重而溫度低，其次是由CO和HC產生的C擴散入金屬內部后形成碳化物，由于Cr的碳化物析出形成缺Cr層；還有由NH3產生的N擴散入金屬內形成氮化物，亦由于Cr的氮化物析出而形成缺Cr層；此外還和Cl形成腐蝕性更強的鹵化物膜。（c）熔融監腐蝕是由硫酸鹽和氯化物等低熔點化合物付著和熔融使保護性氧化物熔解，鍋爐上付著的熔融灰亦起類似腐蝕作用。重點說明如下： （a）高溫氧化。不銹鋼在空氣中燃燒時產生的高溫氧化膜在其中的金屬的離子和氧離子的作用下逐步加厚，其生成速度較大并遵循拋物線法則。鐵素體不銹鋼中的11.5Cr和14Cr在850-900℃以上時氧化陡然加速，稱之為異常氧化，它的氧化物呈拋物線走增，主要由于氧化鐵皮的生成使其下的基體因Cr減少而不穩定，致產生由鐵素體相向奧氏體相相變并伴生應力，并使氧化膜產生裂紋致加速了氧化。和鐵素體相比比奧氏體系在高溫環境下的耐氧化性更好。在提高耐氧化性方面Cr、Si、Al等較為有效。 （b）高溫硫化。在使用礦物燃料條件下由于燃料中含S，故由燃燒氣中的SOX所產生的高溫硫化成為耐蝕性劣化的重要原因。屆時腐蝕生成物的硫化物的成長速度比氧化鐵皮還大，礦不銹鋼的耐蝕性比高溫氧化呈更快劣化。在改善耐硫化性方面Cr、Al、Si有效。 （c）滲碳。它是由從氣相析出的炭于材料表面所生產。即在高溫環境下金屬表面析出的C易向內部擴散，并和對C親和加高的元素（Cr、Ti、Nb等）在內部結合。如和Cr結合生成Cr23C6的碳化物時將使基體中的Cr減少而產生缺Cr層，從而引直起耐氧化性的劣化。在改善耐滲碳性方面Ni、Cr、Si有效。 2．關于力學性能方面。在高溫下將產生以下問題： （a）高溫強度。各種不銹鋼的抗拉強度隨溫度的提高而下降，具體見表3。 表3? 幾種不銹鋼的抗拉強度和溫度的關系
由表3可以看出，鐵素體不銹鋼的強度隨溫度變化較大，到800℃以上時已很低。奧氏體系不銹鋼則在600℃以上還有較好的強度，加上耐氧化性好故用途廣泛。為增加高溫強度，以通過Mo、Nb、Ti等使基體的固溶強化和碳氮化物析出為有效。 （b）疲勞和蠕變。不銹鋼在高溫環境下使用時，由于加熱時膨脹和冷卻時收縮而產生的熱應力重復致產生熱疲勞。還有在高溫下長期運行時還會發生蠕變現象。因為在常溫下施加應力時可由產生的塑性變形量而使變形停止，但在高溫下被稱為蠕變的變形則繼續進行。主要是由晶界滑動和位錯運動產生的位錯蠕變及原子和空穴移動產生的擴散蠕變，均是由溫度升高而引起的。 （2）耐熱不銹鋼的種類和用途。 1．鐵素體系不銹鋼比奧氏體系不銹鋼因Cr的擴散系數大致易生成Cr氧化皮膜，從而耐氧化性好；但應考慮超過規定使用溫度時產生的異常氧化。另強度隨溫度上升而下降快，通常多用于800℃以下。為提高耐氧化性可增加Cr、Si和Al，為提高強度則可加入Mo和Nb。 鐵素體系耐熱不銹鋼主用于汽車尾氣排放部件，對更高溫（600-950℃）的尾氣集合管和催化劑轉換器則要求綜合性能更好。過去尾氣集合管多使用鑄件，為輕量化和排放標準改嚴后才乞討用耐熱不銹鋼，從耐疲勞性出發，以熱膨脹系數小的鐵素體系為主，SUS430類、SUS409類和SUS444類亦被應用。另催化劑轉換器作為催化劑的載體多陶瓷，近年開始用SUH21和高Al的20Cr-5Al的鐵素體不銹鋼。在對耐磨耗性和強度要求嚴的發動機吸氣閥則使用SUH2和SUJH11，對溫度高的排氣閥則使用奧氏體系的SUS430和加入Si、Al以提高耐氧化性的材料，煤氣熱水器的燃燒器和熱水容器則多用SUS430。 2．奧氏體系不銹鋼由于高溫下的耐氧化性和強度較好，故多用于工業加熱爐。在熱處理爐的爐內部件多用SUS304、309S和310S等鋼種，如加熱器的輻射管由于接觸氧化氣故特別采用耐氧化性好的SUS310S；回轉窯和烘烤爐等高溫爐由于使用熱風，熱風溫度在風機處達600-750℃，故用SUS304，在換熱器處達800-1100℃故用SUS310S；在火電鍋爐的過熱器等處汽溫達600℃以上，故多用JIS3464中的SUS321H和SUS347H，亦有用SUS340H和SUS310H。 3．馬氏體系不銹鋼由于通過淬火、回火以提高強度，故工作溫度用于回火溫度以下，另馬氏體組織形成靠C在回火溫下形成的Cr23C6的碳化物，這在提高了強度的同時卻由于Cr減少而導致耐氧化性下降，故只在要求高強度的發動機吸氣閥等處應用。 4．析出硬化系不銹鋼是靠時效熱處理析出金屬間化合物以改善其性能的不銹鋼，使用時應和馬氏體系不銹鋼同樣限制使用溫度范圍。SUS630是經時效熱處理使Cu-條微細析出而提高強度的，多用于高溫輸送帶等處。 |
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