無(wú)錫不銹鋼的使用和發(fā)展方向
時(shí)間：2019-06-13
作者：無(wú)錫不銹鋼板
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無(wú)錫不銹鋼的使用、開(kāi)發(fā)狀況和發(fā)展方向
(1) 鐵素體不銹鋼的應(yīng)用不斷擴(kuò)大
近年來(lái)，無(wú)錫不銹鋼產(chǎn)量和消費(fèi)量約為300萬(wàn)t/a～350萬(wàn)t/a，其中約一半是奧氏體不銹鋼SUS304。但是SUS304對(duì)局部腐蝕的耐蝕性不足，因此在更苛刻的環(huán)境下，就使用SUS316鋼（增加 Ni含量并添加Mo）。然而由于Ni價(jià)高漲，所以開(kāi)發(fā)了價(jià)格更低且耐蝕性和加工性與奧氏體不銹鋼相同的鐵素體不銹鋼，使無(wú)Ni或少Ni的鐵素體不銹鋼得到廣泛利用。如日本將鐵素體不銹鋼用于大型建筑物的屋頂用材，建造了許多不銹鋼半球狀拱形屋頂球場(chǎng)。
17Cr-0.2Ti鋼和21Cr-0.4Cu-0.3Ti鋼是大幅降低C、N含量的鐵素體不銹鋼，其力學(xué)性能比傳統(tǒng)SUS430鋼顯著提高。為避免Mo價(jià)不穩(wěn)定的影響，還開(kāi)發(fā)出節(jié)Mo鋼種，如19Cr-0.4～0.6Cu-Nb系列鋼種和上述21Cr-0.4Cu-0.3Ti。這些鋼種都是通過(guò)增加Cr含量，降低C、N含量，并添加Cu和Nb來(lái)提高鋼的耐蝕性。
雖然增加Cr含量并添加Mo有利于提高鋼的耐蝕性和加工性，但Mo與Ni一樣也有資源緊缺的問(wèn)題。解決的途徑是最大限度地減少鋼中不純物并降低C、N含量。減少作為腐蝕源的非金屬夾雜物、析出碳化物和不純物的偏析，同時(shí)可提高鋼的耐蝕性和加工性。
(2) 特殊用途的無(wú)錫不銹鋼
無(wú)錫不銹鋼的高純度化和腐蝕特性
控制非金屬夾雜物和不純物偏析對(duì)提高不銹鋼耐蝕性非常重要。超低碳IF鋼的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)為不銹鋼的高純度化指明了方向，對(duì)高純度鐵素體不銹鋼的開(kāi)發(fā)有很大促進(jìn)作用。
Mayuzumi等人以99.9%和99.99%的高純度Fe、Cr、Ni等為原料用冷坩堝法脫氧，熔煉出幾十公斤的不純物濃度小于10ppm，氧含量為60ppm～80ppm的高純度不銹鋼（18Cr-16Ni-2Mo）。通過(guò)在鋼中單獨(dú)添加或復(fù)合添加C、N、P、S、Si、Mn合金，研究在13kmol/m3 HNO3溶液中不純物對(duì)鋼的耐晶間腐蝕性的影響。結(jié)果表明，單獨(dú)添加C、N、P、S到100ppm并不會(huì)使鋼的耐晶間腐蝕性下降，復(fù)合添加Si和P則會(huì)導(dǎo)致耐腐蝕性惡化。對(duì)18Cr-14Ni-1Mn-0.5Si鋼而言，如將C、P、S的添加量分別控制到100ppm以下，鋼的耐蝕性顯著提高。
在最近的超純材料技術(shù)應(yīng)用中，了解到理想狀態(tài)下不純物允許的濃度范圍，在此基礎(chǔ)上確定出實(shí)際材料生產(chǎn)中不純物的濃度目標(biāo)，以進(jìn)行鋼材開(kāi)發(fā)。這方面的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果已引起關(guān)注。
無(wú)錫不銹鋼高功能化和表面處理
從上世紀(jì)90年代后期開(kāi)始，家庭廚房用具、衛(wèi)生器具的抗菌性受到關(guān)注。有報(bào)告指出在不銹鋼中添加3%～4% Cu，Cu的微細(xì)晶粒析出可產(chǎn)生抗菌效果，還有在不銹鋼中添加 Ag可產(chǎn)生抗菌性，這些抗菌不銹鋼均已產(chǎn)品化。另一方面，將抗菌性金屬或合金涂敷或涂鍍?cè)阡摬谋砻嬉赃_(dá)到抗菌效果的制品也已商品化。兼松等人研究表明，雖然細(xì)菌種類(lèi)不同殺菌效果不同，但Zn、Mn、Ni、Cu、Co等金屬粉末都具有卓越的殺菌作用，Cr、Ti、Al、Ag也有顯著的殺菌效果。雖然目前抗菌熱潮略有下降，但在食品等產(chǎn)業(yè)的設(shè)備、裝置方面，仍在繼續(xù)研究新的抗菌方法。
大多數(shù)不銹鋼是通過(guò)鋼材表面生成的10nm鈍化膜保持耐蝕性的，并且由于鈍化膜具有很好的自動(dòng)修復(fù)功能，所以鈍化膜能在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定地保持其鈍化狀態(tài)。因此，對(duì)于不銹鋼來(lái)說(shuō)，除了為發(fā)揮其金屬光澤而進(jìn)行的拋光處理以外，表面未經(jīng)拋光的無(wú)光澤不銹鋼的使用也很多，而除了為增加耐蝕性和提高裝飾性以外，進(jìn)行表面處理和涂裝的不銹鋼并不多。
最近，許多家電（如電冰箱、電飯鍋等）設(shè)計(jì)采用有金屬光澤的不銹鋼。這種設(shè)計(jì)大多采用表面涂敷2靘～15靘透明涂層的不銹鋼，以滿足裝飾性和耐指紋性的要求。
氫燃料電池的開(kāi)發(fā)和實(shí)用化將成為非化石能源利用的有效手段。目前最接近實(shí)用化的高分子電解質(zhì)燃料電池中，單位組元的發(fā)電量很小，所以將大量組元疊加，分離各組元的氣體（氫氣、氧氣、水蒸氣）。過(guò)去用石墨作為分離器，但由于石墨很脆，加工性低差，使電池整個(gè)體積和重量都很大?，F(xiàn)將不銹鋼作分離器，使分離器的厚度大大減少，從而大幅減小電池的體積和重量。存在的問(wèn)題是在電池啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)不銹鋼發(fā)生腐蝕以及不銹鋼鈍化膜導(dǎo)致接觸電阻增加。不銹鋼腐蝕產(chǎn)生的Fe、Cr、Ni離子會(huì)嚴(yán)重惡化電池中電解質(zhì)高分子膜和觸媒載體Pt的功能。
最近有人提出將 Au等貴金屬鍍?cè)诓讳P鋼表面，該方法被確認(rèn)可防腐蝕和降低接觸電阻，但成本太高，仍需進(jìn)一步改進(jìn)。
片田等人開(kāi)發(fā)出盡量不增加Cr、Ni、Mo等合金元素量，而是添加N來(lái)提高耐海水局部腐蝕的不銹鋼。該研究用N2最大壓力為5MPa的電渣重熔爐對(duì)不銹鋼進(jìn)行重熔－凝固使鋼潔凈化并向鋼中溶入N，制出單相閭宓牟恍飧?23Cr-4Ni-2Mo-1N。這種高N不銹鋼具有良好的機(jī)械加工性，同時(shí)還展現(xiàn)出-50℃夏比沖擊脆性轉(zhuǎn)變溫度的特殊力學(xué)性能。在耐海水腐蝕方面，N和Mo的復(fù)合效果非常顯著，同時(shí)在海水中添加2%Mo和1%N，完全不發(fā)生間隙腐蝕。固溶在不銹鋼中的N可以抑制孔蝕。根據(jù)X射線電子光譜法的分析結(jié)果，N在不銹鋼鈍化膜和鋼基體之間的界面上產(chǎn)生集聚，在腐蝕過(guò)程中形成NH4+離子，阻止了局部區(qū)域pH值的降低。
無(wú)錫不銹鋼的高純度化和對(duì)不純物的控制，不僅可以提高鋼的力學(xué)性能，也是提高抗間隙腐蝕的有效方法。從實(shí)用角度來(lái)說(shuō)，并不需要對(duì)所有不純物都進(jìn)行控制，可以選定為滿足性能（耐候性，力學(xué)性能等）要求而必須控制的不純物，對(duì)這些不純物的允許濃度進(jìn)行控制。
汽車(chē)用無(wú)錫不銹鋼
由于離發(fā)動(dòng)機(jī)越遠(yuǎn)，廢氣的溫度越低，所以對(duì)汽車(chē)排氣系統(tǒng)中不同位置的部件要求的抗氧化性和耐蝕性也不同。最靠近發(fā)動(dòng)機(jī)處的廢氣溫度最高，達(dá)到800℃～1000℃，對(duì)該部位的排氣部件要求具有抗高溫氧化性、一定的高溫強(qiáng)度和高溫疲勞強(qiáng)度；而在距發(fā)動(dòng)機(jī)較遠(yuǎn)位置的部件會(huì)發(fā)生水的凝結(jié)引起的露點(diǎn)腐蝕。目前，在排氣系統(tǒng)內(nèi)分別使用不同的不銹鋼和耐熱鋼。其中觸媒轉(zhuǎn)換器在1000℃以上工作，且通過(guò)擴(kuò)大與廢氣的接觸面積來(lái)提高觸媒反應(yīng)率，所以提高觸媒反應(yīng)器的耐久性十分必要。最近，已有為提前激發(fā)觸媒活性，將觸媒反應(yīng)器移到廢氣總管附近，并使廢氣總管與觸媒反應(yīng)器一體化的做法。汽車(chē)排氣系統(tǒng)用的觸媒有Pt、Rh、Pd等，目前觸媒載體是不銹鋼箔，現(xiàn)在又成功開(kāi)發(fā)出厚50靘的19Cr-7.5Al蜂窩狀材料，進(jìn)一步提高了抗高溫氧化性，并增加了觸媒反應(yīng)器的孔徑，減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷。
無(wú)錫不銹鋼在汽車(chē)用量上的增加是適應(yīng)汽車(chē)更新要求和遵守環(huán)保要求的必然結(jié)果。為滿足性價(jià)比的嚴(yán)格要求，汽車(chē)用鋼制造廠已經(jīng)作出了很大努力并取得顯著效果，其中包括下面將要介紹的表面處理鋼板。
(3) 無(wú)錫不銹鋼的未來(lái)發(fā)展方向
對(duì)于大量使用的奧氏體不銹鋼來(lái)說(shuō)，使用Ni是不可避免的。但目前人們已認(rèn)識(shí)到Ni價(jià)昂貴、價(jià)格波動(dòng)大以及供給國(guó)少等問(wèn)題，并開(kāi)始著手Ni的儲(chǔ)備和替代材料的開(kāi)發(fā)。用其他元素替代Ni的研究已進(jìn)行了多年，但尚未取得令人滿意的成果。因此，不如發(fā)展鐵素體不銹鋼，并對(duì)鐵素體不銹鋼的使用環(huán)境進(jìn)行細(xì)致規(guī)定，向鐵素體不銹鋼替代奧氏體不銹鋼的方向推進(jìn)。Ni在奧氏體的穩(wěn)定化和提高耐蝕性方面起著決定性作用，很難找出可以完全替代 Ni的元素。前面介紹過(guò)N也是奧氏體穩(wěn)定化元素，通過(guò)計(jì)算可知，在片田等人使用的23Cr-2Mo-Fe系鋼中添加1.3%以上的N，而不添加 Ni，也能獲得單相不銹鋼。