马氏体铬不锈钢的元素组成及性能

一、总有一款适合您

我们都知道固态金属及合金都是晶体，即在其内部原子是按一定的规律排列的。晶体内原子排列的方式一般有三种，即体心立方晶格结构、面心立方晶格结构和密排六方晶格结构。金属结构多是由有多种晶体形式构成的，它的多晶体结构是在金属结晶过程中形成的。组成铁碳合金的铁具有两种晶格结构：910℃以下具有体心立方晶格结构的α铁晶格结构，910℃以上为具有面心立方晶格结构的γ铁。如果碳原子挤到铁的晶格中去，而又不破坏铁所具有的这样的物质称为固溶体。碳溶解到α铁中形成的固溶体称为铁素体，它的溶碳能力极低，最大溶解度不超过铁素体不锈钢，是在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢。含铬量为11%～30%，具有体心立方晶体结构。这类钢一般不含镍，有时含有少量的钼、钛、铌等元素，这类钢具有导热系数大、膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良等特点，多用于制造耐大气、水蒸气、水及氧化性酸腐蚀的零部件。这类钢存在塑性差、焊后塑性和耐蚀性明显降低及缺口敏感性较高等缺点，因而限制了它的应用。炉外精炼技术的应用可使碳、氮等间隙元素大大降低，因此使这类钢获得了广泛应用，如用于制造电器设备、建筑材料、化学设备、压力容器、运输设备和汽车零部件等。

图44

奥氏体不锈钢自1913年在德国问世以来，在不锈钢中一直扮演着最重要的角色，其生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的70%。奥氏体不锈钢钢号也最多， 目前我国常用奥氏体不锈钢的牌号就有40多个，最常见的是18—8型。奥氏体不锈钢生产工艺性能良好，特别是铬镍奥氏体不锈钢，采用常规手段可以顺利地生产出各种常用规格的板、管、带、丝、棒材以及锻件和铸件。由于合金元素（特别是铬）含量高而碳含量又低，多采用电弧炉加氩脱碳或真空脱氧脱碳法大批量生产这类不锈钢材，对于高级牌号的小批量产品可采用真空或非真空非感应炉冶炼，必要时加电渣重熔。

图45

马氏体不锈钢是一类可以通过热处理（淬火、回火）对其性能进行调整的不锈钢，通俗地讲，是一类可硬化的不锈钢。这种特性决定了这类钢必须具备两个基本条件：一是在平衡相图中必须有奥氏体相区存在，在该区域温度范围内进行长时间加热，使碳化物固溶到钢中后，进行淬火形成马氏体；二是要使合金形成耐腐蚀和氧化的钝化膜，铬含量必须控制在10.5%以上。

马氏体铬不锈钢的主要合金元素是铬和碳。按合金元素的差别，可分为马氏体铬不锈钢和马氏体铬镍不锈钢。如果铬含量大于13%时，不存在γ相，此类合金为单相铁素体合金，在任何热处理制度下也不能产生马氏体，为此必须在Fe—Cr二元合金中加入奥氏体形成元素，以扩大γ相区。对于马氏体铬不锈钢来说，碳、氮是有效元素，添加碳、氮元素使得合金允许更高的铬含量。在马氏体铬不锈钢中，除铬外，碳是另一个最重要的必备元素，事实上，马氏体铬不锈耐热钢是一类铁、铬、碳三元合金。

马氏体不锈钢主要为铬含量在12%～18%范围内的低碳或高碳钢。各国广泛应用的马氏体不锈钢钢种包括低碳及中碳13% Cr钢、高碳的18% Cr钢、低碳含镍（约2%）的17% Cr钢。马氏体不锈钢具有高强度和耐腐蚀的特性，可以用来制造机器零件，如蒸汽涡轮的叶片（1Cr13）、蒸汽机的轴和拉杆（2Cr13 ），还可以制造在腐蚀介质中工作的零件，如活门、螺栓等（4Cr13 ）。碳含量较高的钢号（4Cr13、 9Cr18）则适用于制造医疗器械、餐刀、测量用具、弹簧等。

与铁素体不锈钢相似，在马氏体不锈钢中也可以加入其他合金元素来改进其他性能。加入0.07%硫或硒可以改善切削加工性能，例如1Cr13S或4Cr13Se；加入约1%钼及0. 1%钒，可以增加9Cr18钢的耐磨性及耐蚀性；加入约1Mo—1W—0.2V，可以提高1 Cr13及2Cr13钢的热强性。马氏体不锈钢与调质钢一样，可以使用淬火、回火及退火处理。其力学性质与调制钢也相似：当硬度升高时，抗拉强度及屈服强度升高，而伸长率、截面收缩率及冲击功则随着降低。马氏体不锈钢的耐蚀性主要取决于铬含量，而钢中的碳由于与铬形成稳定的碳化铬，又间接影响了钢的耐蚀性。因此在13% Cr钢中，碳含量越低，则耐蚀性越高。而在1Cr13、 2Cr13、 3Cr13及4Cr13四种钢中，其耐蚀性与强度的顺序恰好相反。

所谓双相不锈钢是在其固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半，一般量少相的含量也需要达到30%。在含碳较低的情况下，铬含量在18%～28%，镍含量在3%～10%。有些钢还含有钼、铜、铌、钛、氮等合金元素。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高、具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐蚀性能，也是一种节镍不锈钢。双相不锈钢从20世纪40年代在美国诞生以来，已经发展到第三代。它的主要特点是屈服强度可达400～550兆帕，是普通不锈钢的2倍，因此可以节约用材，降低设备制造成本。在抗腐蚀方面，特别是介质环境比较恶劣（如海水中氯离子含量较高）的条件下，双相不锈钢的抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳性能明显优于普通的奥氏体不锈钢，可以与高合金奥氏体不锈钢媲美。

由于两相组织的特点，通过正确控制化学成分和热处理工艺，使双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点，它将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性和焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐蚀性很好地结合起来，正是这些优越的性能使双相不锈钢作为可焊接的结构材料发展迅速，20世纪80年代以来已成为和马氏体型、奥氏体型和铁素体型不锈钢并列的一个钢类。双相不锈钢有以下性能特点：(www.xing528.com)

（1）含钼双相不锈钢在低应力下有良好的耐氯化物应力腐蚀性能。

（2）含钼双相不锈钢有良好的耐孔蚀性能。

（3）具有良好的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能。

（4）综合力学性能好。

（5）可焊性良好，热裂倾向小，一般焊前不需预热，焊后不需热处理。

（6）含低铬（18%铬）的双相不锈钢热加工温度范围比18—8型奥氏体不锈钢宽，抗力小，可不经过锻造，直接轧制开坯生产钢板。含高铬（25%铬）的双相不锈钢热加工比奥氏体不锈钢略显困难，可以生产板、管和丝等产品。

（7）冷加工时比18—8型奥氏体不锈钢加工硬化效应大，在管、板承受变形初期，需施加较大应力才能变形。

（8）与奥氏体不锈钢相比，导热系数大，线膨胀系数小，适合用作设备的衬里和生产复合板。也适合制作热交换器的管芯，换热效率比奥氏体不锈钢高。

（9）仍有高铬铁素体不锈钢的各种脆性倾向，不宜用在高于300℃的工作条件。

1960～1999年约40年间，西方发达国家的不锈钢产量从215万吨猛增到1728万吨，增加了约8倍，平均年增长率约为5.5%。不锈钢主要用于厨房、家电、运输、建筑、土木等各领域。在厨房器具方面主要有水洗槽和电气、煤气热水器，家电产品主要有全自动洗衣机的滚筒，从节能到再循环等环保的观点看，不锈钢的需求有望进一步扩大。在运输领域主要有铁道车辆和汽车的排气系统，用于排气系统的不锈钢在每辆车中为20～30千克，全世界的年需求约100万吨，这是不锈钢最大的应用领域。在建筑领域，最近的需求量急剧增长，如新加坡地铁车站的防护装置，使用了约5000吨的不锈钢外装饰材。 日本1980年以后，用于建筑业的不锈钢增长了约4倍，主要用作屋顶、大楼内外装饰和结构材料。20世纪80年代，在日本沿海地区试用304型无涂漆材作为屋顶材料，从防锈考虑，逐步转变为试用涂漆不锈钢。进入90年代，开发了具有高耐蚀性的20%以上高铬铁素体系不锈钢，被用作屋顶材料，同时为了美观性，开发了各种表面精加工技术。在土木领域， 日本的水坝吸水塔使用不锈钢。欧美的寒冷地区，为防止冰雪中天气高速公路和桥梁的路面结冰，需撒盐融冰，但这也加速了对钢筋的腐蚀，使用不锈钢钢筋可以较好地避免盐水对道路和桥梁的腐蚀。在北美的道路中，近3年间约有40处采用了不锈钢钢筋，每处使用量为200～1000吨。随着不锈钢制造技术和加工技术的不断发展，不锈钢的使用范围和应用领域必将不断扩大，在人类的社会经济生活中发挥出更加突出的作用。