国内高强度不锈钢研发应用简介
2003-10-21 00:00 来源： 我的钢铁
高强度不锈钢是不锈钢中的重要分支，随着中国能源开发、石油化工以及航空、航天工业的迅速发展，增加了对高强高韧、具有较高耐蚀性且易加工成型和焊接以及综合性能良好的高强度不锈钢的需求。
北京钢铁研究总院的资料显示，我国在２０世纪６０年代初对ＰＨ１５－７Ｍｏ，７０年代对１７－７ＰＨ，８０年代对１７－４ＰＨ，９０年代对１５－５ＰＨ等沉淀硬化不锈钢进行过系统研究并得到实际应用。同时，在７０年代初起至今，研究开发了一系列σｂ＝１２００ＭＰａ－１７００ＭＰａ的马氏体时效不锈钢，９０年代又开始了铁素体时效不锈钢的研发工作，所研制的钢种基本上满足了中国国防建设和国民经济发展的需要。我国高强度不锈钢新钢种的研发及应用情况如下：
一、沉淀硬化不锈钢
１．半奥氏体沉淀硬化不锈钢
半奥氏体沉淀硬化不锈钢在优化的化学成分区间内，可以通过变化热处理条件来控制马氏体相变温度，使其在奥氏体状态下进行成型、焊接，随后通过马氏体相变点调整和马氏体相变以及沉淀硬化而强化。由于钢中含有足够的Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ等元素，因此它具有与１８－８型奥氏体不锈钢相近的耐蚀性。中国成功研制的ｏＣｒ１５Ｎｉ７Ｍｏ２Ａ１、０Ｃｒ１７Ｎｉ７Ａ１等钢已列入国标并广泛应用。 ２．马氏体沉淀硬化不锈钢
马氏体沉淀硬化不锈钢的强度是通过马氏体相变和沉淀硬化处理来实现的。
（１）０Ｃｒ１７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ是中国在７０年代特别是在８０年代为３０－６０万千瓦火电机组末级长叶片研制的钢种。该钢靠马氏体相变强化及时效沉淀出富铜ε相而强化。而０Ｃｒ１７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ钢由于低碳、高铬、高铜，其耐蚀性优于１Ｃｒ１７Ｎｉ２等马氏体不锈钢，但该钢种属于难变形的钢种，锻造温度区间窄，给锻件生产造成了一定困难。实验证明当钢中加入０．０７５％微量稀土元素时，该钢的锻造温度区间扩大为１２２０－１０００℃，降低了因停锻温度低而引起的开裂危险。该钢还用于制造４００℃以下工作的高强耐蚀承力构件，如宇航用紧固件、发动机承力构件、船用螺旋桨等。
（２）０Ｃｒ１５Ｎｉ５Ｃｕ２Ｔｉ钢是在０Ｃｒｌ７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ钢的基础上降铬、提镍、降铜，基本上消除了δ－－铁素体，从而改善了大断面钢材的各向异性，同时热加工性能也得以改善，而耐蚀性与ＯＣｒ１７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ钢大体相当。该钢的强化主要是靠马氏体相变强化和铜、钛金属间化合物以及碳化物引起的沉淀硬化。研究表明：该钢的析出相是富铜ε相、ＮｉＴｉ、ＴｉＣＮ等，它们以非常细小的颗粒弥散分布在晶界、相界以及位错线上。该钢已用于关键承力耐蚀部件。
研制成功的０Ｃｒ１３Ｎｉ８Ｍ０２Ａ１、０Ｃｒ１５Ｎｉ５Ｃｕ３Ｎｂ正在推广应用。
３．奥氏体沉淀硬化不锈钢
应用最多的是０Ｃｒ１５Ｎｉ２５Ｔｉ２Ｍｏ１Ａ１钢，该钢在奥氏体基体上用Ｎｉ３Ｔｉ、Ｍ６Ｃ、Ｆｅ２Ｍｏ强化，强度可达１０００ＭＰａ，有好的耐高温和低温性能用于喷气发动机有关高温承力结构件等。
二、马氏体时效不锈钢
马氏体时效不锈钢是２０世纪６０年代中期发展起来的新型高强度不锈钢。该钢类既具有高强度和超高强度，又可克服马氏体沉淀硬化不锈钢低温韧性差和在３５０－４００℃长期使用时脆化倾向大的缺点。该钢类含铬量≥１０％以使钢具有耐蚀性：镍和铬等元素的配比要保证钢在室温下基本转变为板条状马氏体；含碳量要事Ｏ．０３％从而使马氏体基体具有高的韧性、成型性、耐蚀性和可焊性；适当加入Ｍｏ、Ｃｕ、Ａ１、Ｔｉ等元素，通过时效处理在低碳马氏体的基体上析出金属问化合物而使钢的强度进一步提高。马氏体时效不锈钢的研究已成为高强度不锈钢研究的重点，在中国已基本上形成系列。
１．钢带式玻璃钢连续缠管机用高强度不锈钢钢带
机用传送钢带原为历Ｍｎ，其强度符合要求，但焊接性差，用铆接因不能承受反复弯曲负荷作用而很快断裂，因在３００℃下工作容易产生永久变形而失效。研制的０ＯＣｒ１ｌＮｉ１０Ｍ０２Ｔｉ钢其σｂ≥１４００ＭＰａ，δ５≥８％，其综合性能达到工程设计要求。
２．电影胶片生产挤压嘴用高强度不锈钢
挤压嘴要求σｂ≥１３５０ＭＰａ，且能耐乳剂腐蚀，热处理工艺简单，要求部件尺寸稳定性高以及机加工性良好。研制出的００Ｃｒ１５Ｎｉ５Ｍ０３Ａ１钢延长了使用寿命，简化了维修周期和工作量，已经大量使用。
３．高温瞬时弹簧用高强度不锈钢
００Ｃｒ１３Ｎｉ８Ｍ０２ＮｂＡ１马氏体时效不锈钢是为了改进ｃｕｓｔｏｍ４５５钢的耐蚀性及不易酸洗而研制的钢种，其σｂ＝１５００ＭＰａ－１７００ＭＰａ，多元微合金化是该钢的特点。该钢具有良好的高温性、耐蚀性和抗氧化性，最高使用温度为４５０℃，瞬时使用温度为８００℃并耐燃气腐蚀。该钢已大量用于飞机、海洋、核能开发用高温耐蚀承力结构件。
４．水电机组用抗磨蚀高强度不锈钢
为满足大型水轮机组转轮及通流部件对材料的结构强度，抗疲劳、抗气蚀、抗泥砂磨损及可焊性等技术要求而研制的００Ｃｒ１３Ｎｉ５Ｍｏ高强度不锈钢，其强度σｂ＝８６０ＭＰａ。该钢采用了低碳马氏体位错强化，相应控制了逆转变奥氏体与马氏体基体的调节作用，采用合理的生产工艺技术，使该钢取得了优良性能，在高强度、高硬度条件仍保持较高的塑韧性、焊接性的良好配合，其耐磨性优于一般奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢。而断裂韧性及抗疲劳性能均优于国外同类产品。目前该钢厚板、特厚板已大量应用于大型水轮机转轮、转轮下环等关键承力部件。
５．超低温高强度不锈钢
用在液氢、液氧温度，钢号为ＯＯＣｒ１１Ｎｉ１ＯＭ０２ＴｉＡ１，该钢在超低温下具有良好的韧性。其室温σｂ＝１２００ＭＰａ－１３００ＭＰａ，该钢还具有良好幅照稳定性，经离子氮化后可改善耐磨性。
６．抗弹力衰减高强度不锈钢
钢号为００Ｃｒ１２Ｃｏ１２Ｎｉ４Ｍ０４Ｔｉ，其σｂ≥１３７０ＭＰａ，Ｅ＝２１６Ｇ９ａ，用该钢制成的弹簧长期受压而弹力基本不衰减，已用于特殊功能弹簧，满足工程设计需求。
三、铁素体时效不锈钢
沉淀硬化不锈钢及马氏体时效不锈钢虽然强度很高，强韧性配合良好，但由于含铬量较低，钼含量也受到限制，因而在强腐蚀介质中难以使用。为此中国研制了００Ｃｒ２６Ｎｉ６Ｍ０４Ｃｕ１Ｔｉ铁素体时效不锈钢，其σｂ约１１００ＭＰａ（σ０．２≥８８０ＭＰａ），由于钢中含有高的铬和钼，使在海水中耐点蚀及缝隙腐蚀性能大大优于ＡＩＳＩ３１６而屈服强度为ＡＩＳｌ３１６的２－３倍，成为在海水中最有使用前途的高强度不锈钢之一。
把合金化，特别是微合金化和高纯度、高均匀性精炼、铸造技术、超细组织控制技术和高精度轧制技术等结合起来发展良好强韧性、耐蚀性和工艺性结合的新材料是高强度不锈钢今后发展的主要方向。耐苛刻介质腐蚀高强度不锈钢、高韧性超高强度不锈钢、高耐磨性和疲劳性马氏体时效不锈钢、超低温、无磁高强度不锈钢、铁素体时效不锈钢等新材料是今后研究开发的重点。
北京钢铁研究总院的资料显示，我国在２０世纪６０年代初对ＰＨ１５－７Ｍｏ，７０年代对１７－７ＰＨ，８０年代对１７－４ＰＨ，９０年代对１５－５ＰＨ等沉淀硬化不锈钢进行过系统研究并得到实际应用。同时，在７０年代初起至今，研究开发了一系列σｂ＝１２００ＭＰａ－１７００ＭＰａ的马氏体时效不锈钢，９０年代又开始了铁素体时效不锈钢的研发工作，所研制的钢种基本上满足了中国国防建设和国民经济发展的需要。我国高强度不锈钢新钢种的研发及应用情况如下：
一、沉淀硬化不锈钢
１．半奥氏体沉淀硬化不锈钢
半奥氏体沉淀硬化不锈钢在优化的化学成分区间内，可以通过变化热处理条件来控制马氏体相变温度，使其在奥氏体状态下进行成型、焊接，随后通过马氏体相变点调整和马氏体相变以及沉淀硬化而强化。由于钢中含有足够的Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ等元素，因此它具有与１８－８型奥氏体不锈钢相近的耐蚀性。中国成功研制的ｏＣｒ１５Ｎｉ７Ｍｏ２Ａ１、０Ｃｒ１７Ｎｉ７Ａ１等钢已列入国标并广泛应用。 ２．马氏体沉淀硬化不锈钢
马氏体沉淀硬化不锈钢的强度是通过马氏体相变和沉淀硬化处理来实现的。
（１）０Ｃｒ１７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ是中国在７０年代特别是在８０年代为３０－６０万千瓦火电机组末级长叶片研制的钢种。该钢靠马氏体相变强化及时效沉淀出富铜ε相而强化。而０Ｃｒ１７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ钢由于低碳、高铬、高铜，其耐蚀性优于１Ｃｒ１７Ｎｉ２等马氏体不锈钢，但该钢种属于难变形的钢种，锻造温度区间窄，给锻件生产造成了一定困难。实验证明当钢中加入０．０７５％微量稀土元素时，该钢的锻造温度区间扩大为１２２０－１０００℃，降低了因停锻温度低而引起的开裂危险。该钢还用于制造４００℃以下工作的高强耐蚀承力构件，如宇航用紧固件、发动机承力构件、船用螺旋桨等。
（２）０Ｃｒ１５Ｎｉ５Ｃｕ２Ｔｉ钢是在０Ｃｒｌ７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ钢的基础上降铬、提镍、降铜，基本上消除了δ－－铁素体，从而改善了大断面钢材的各向异性，同时热加工性能也得以改善，而耐蚀性与ＯＣｒ１７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ钢大体相当。该钢的强化主要是靠马氏体相变强化和铜、钛金属间化合物以及碳化物引起的沉淀硬化。研究表明：该钢的析出相是富铜ε相、ＮｉＴｉ、ＴｉＣＮ等，它们以非常细小的颗粒弥散分布在晶界、相界以及位错线上。该钢已用于关键承力耐蚀部件。
研制成功的０Ｃｒ１３Ｎｉ８Ｍ０２Ａ１、０Ｃｒ１５Ｎｉ５Ｃｕ３Ｎｂ正在推广应用。
３．奥氏体沉淀硬化不锈钢
应用最多的是０Ｃｒ１５Ｎｉ２５Ｔｉ２Ｍｏ１Ａ１钢，该钢在奥氏体基体上用Ｎｉ３Ｔｉ、Ｍ６Ｃ、Ｆｅ２Ｍｏ强化，强度可达１０００ＭＰａ，有好的耐高温和低温性能用于喷气发动机有关高温承力结构件等。
二、马氏体时效不锈钢
马氏体时效不锈钢是２０世纪６０年代中期发展起来的新型高强度不锈钢。该钢类既具有高强度和超高强度，又可克服马氏体沉淀硬化不锈钢低温韧性差和在３５０－４００℃长期使用时脆化倾向大的缺点。该钢类含铬量≥１０％以使钢具有耐蚀性：镍和铬等元素的配比要保证钢在室温下基本转变为板条状马氏体；含碳量要事Ｏ．０３％从而使马氏体基体具有高的韧性、成型性、耐蚀性和可焊性；适当加入Ｍｏ、Ｃｕ、Ａ１、Ｔｉ等元素，通过时效处理在低碳马氏体的基体上析出金属问化合物而使钢的强度进一步提高。马氏体时效不锈钢的研究已成为高强度不锈钢研究的重点，在中国已基本上形成系列。
１．钢带式玻璃钢连续缠管机用高强度不锈钢钢带
机用传送钢带原为历Ｍｎ，其强度符合要求，但焊接性差，用铆接因不能承受反复弯曲负荷作用而很快断裂，因在３００℃下工作容易产生永久变形而失效。研制的０ＯＣｒ１ｌＮｉ１０Ｍ０２Ｔｉ钢其σｂ≥１４００ＭＰａ，δ５≥８％，其综合性能达到工程设计要求。
２．电影胶片生产挤压嘴用高强度不锈钢
挤压嘴要求σｂ≥１３５０ＭＰａ，且能耐乳剂腐蚀，热处理工艺简单，要求部件尺寸稳定性高以及机加工性良好。研制出的００Ｃｒ１５Ｎｉ５Ｍ０３Ａ１钢延长了使用寿命，简化了维修周期和工作量，已经大量使用。
３．高温瞬时弹簧用高强度不锈钢
００Ｃｒ１３Ｎｉ８Ｍ０２ＮｂＡ１马氏体时效不锈钢是为了改进ｃｕｓｔｏｍ４５５钢的耐蚀性及不易酸洗而研制的钢种，其σｂ＝１５００ＭＰａ－１７００ＭＰａ，多元微合金化是该钢的特点。该钢具有良好的高温性、耐蚀性和抗氧化性，最高使用温度为４５０℃，瞬时使用温度为８００℃并耐燃气腐蚀。该钢已大量用于飞机、海洋、核能开发用高温耐蚀承力结构件。
４．水电机组用抗磨蚀高强度不锈钢
为满足大型水轮机组转轮及通流部件对材料的结构强度，抗疲劳、抗气蚀、抗泥砂磨损及可焊性等技术要求而研制的００Ｃｒ１３Ｎｉ５Ｍｏ高强度不锈钢，其强度σｂ＝８６０ＭＰａ。该钢采用了低碳马氏体位错强化，相应控制了逆转变奥氏体与马氏体基体的调节作用，采用合理的生产工艺技术，使该钢取得了优良性能，在高强度、高硬度条件仍保持较高的塑韧性、焊接性的良好配合，其耐磨性优于一般奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢。而断裂韧性及抗疲劳性能均优于国外同类产品。目前该钢厚板、特厚板已大量应用于大型水轮机转轮、转轮下环等关键承力部件。
５．超低温高强度不锈钢
用在液氢、液氧温度，钢号为ＯＯＣｒ１１Ｎｉ１ＯＭ０２ＴｉＡ１，该钢在超低温下具有良好的韧性。其室温σｂ＝１２００ＭＰａ－１３００ＭＰａ，该钢还具有良好幅照稳定性，经离子氮化后可改善耐磨性。
６．抗弹力衰减高强度不锈钢
钢号为００Ｃｒ１２Ｃｏ１２Ｎｉ４Ｍ０４Ｔｉ，其σｂ≥１３７０ＭＰａ，Ｅ＝２１６Ｇ９ａ，用该钢制成的弹簧长期受压而弹力基本不衰减，已用于特殊功能弹簧，满足工程设计需求。
三、铁素体时效不锈钢
沉淀硬化不锈钢及马氏体时效不锈钢虽然强度很高，强韧性配合良好，但由于含铬量较低，钼含量也受到限制，因而在强腐蚀介质中难以使用。为此中国研制了００Ｃｒ２６Ｎｉ６Ｍ０４Ｃｕ１Ｔｉ铁素体时效不锈钢，其σｂ约１１００ＭＰａ（σ０．２≥８８０ＭＰａ），由于钢中含有高的铬和钼，使在海水中耐点蚀及缝隙腐蚀性能大大优于ＡＩＳＩ３１６而屈服强度为ＡＩＳｌ３１６的２－３倍，成为在海水中最有使用前途的高强度不锈钢之一。
把合金化，特别是微合金化和高纯度、高均匀性精炼、铸造技术、超细组织控制技术和高精度轧制技术等结合起来发展良好强韧性、耐蚀性和工艺性结合的新材料是高强度不锈钢今后发展的主要方向。耐苛刻介质腐蚀高强度不锈钢、高韧性超高强度不锈钢、高耐磨性和疲劳性马氏体时效不锈钢、超低温、无磁高强度不锈钢、铁素体时效不锈钢等新材料是今后研究开发的重点。
