什么是超级不锈钢

超级不锈钢系指20世纪70〜90年代先后问世的，其性能（特别是耐蚀性）优于原有的同类不锈钢的那些牌号的统称。本书所介绍的主要是高合金、高性能的三大类超级不锈钢，即高铬量、高钼量（PRE≥35）的超级铁素体不锈钢和高路、钼I、氮量（PRE值≥40）的超级奥氏体不锈钢与PRE值≥40的超级双相不锈钢。这三大类超级不锈钢的共同特点是除耐全面腐蚀外，耐点蚀、耐缝隙腐蚀等局部腐蚀的性能优异。

各类超级不锈钢所面临的共同课题是随钢中铬、钼量或铬、钼、氮量的提高，钢的组织热稳定性下降，碳、氮化物和金属间相析出所导致的焊后（或从高温到低温的冷却过程中）塑、韧性和耐蚀性的劣化问题。这一问题的存在将严重阻碍超级不锈钢的进一步发展。

1  超级铁素体不锈钢

铁素体不锈钢系指11%〜30%Cr,具有体心立方晶体结构，在使用状态下具有铁素体组织的一类不锈钢。根据钢中含铬量的不同，铁素体不锈钢大致可分为含11%〜15%Cr（低铬）、16%〜20%Cr（中铬）和21%〜30%Cr（高铬）三种类型。超级铁素体不锈钢的铬含量一般在25%〜30%,属于高铬铁素体不锈钢。

1.1  铁素体不锈钢的发展和超级铁素体不锈钢

铁素体不锈钢系五大类不锈钢中的重要不锈钢类，其产量和消费量仅次于铬镍奥氏体不锈钢。铁素体不锈钢除具有良好的不锈性和耐全面腐蚀性能外，其耐氯化物应力腐蚀、耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀性能优良；与铬镍奥氏体不锈钢相比，铁素体不锈钢不含镍或仅含少量镍，因而是一类无镍和节镍不锈钢；铁素体不锈钢强度高，但冷加工硬化倾向较低，导热系数为奥氏体不锈钢的130%〜150%,线膨胀系数仅为奥氏体不锈钢的60%〜70%,虽然铁素体不锈钢有如此多的优点，但自1912年问世以来直到1970年，与铬镍奥氏体不锈钢相比，产量比较低且用途受到诸多限制，其主要原因是铁素体不锈钢，特别是含倍量以16%时存在一些缺点和不足，突岀地表现在它们的脆性转变温度高，室温和低温韧性差，缺口敏感性高，对晶间腐蚀比较敏感，而这些缺点随钢的截面尺寸增加，受热（例如焊接）后冷却速度慢以及热履历的影响而更加强烈地显示出来。虽然人们早在1950年前就已经了解到钢中碳、氮等间隙元素的存在是影响铁素体不锈钢存在上述缺点和不足的主要原因（见表1-1-1）,但并未获得解决。

表1-1-1传统铁素体不锈钢的主要缺点、不足及其原因和改进方向

1970年，通过真空双联工艺（真空感应炉+真空自耗炉或真空电子束炉冶炼）双真空冶炼，在传统铁素体不锈钢AISI446基础上开发出了第一种C+N量极低（≤150ppm）的高纯铁素体不锈钢EB26-1。此钢系在AISI446钢基础上的高纯化，主要是碳、氮、氧量的显著降低，AISI446钢的脆性转变温度为+120°C,而且对晶间腐蚀非常敏感，而高纯化后的EB26-1钢的脆性转变温度则在-60°C,且耐晶间腐蚀性能显著改善。随后于1971年出现了高纯28Cr-2Mo和1974年的高纯29Cr-4Mo等高纯铁素体不锈钢。最早人们曾把EB26-1,29Cr-4M。和28Cr-2Mo等均称为新铁素体不锈钢，但最后（20世纪70年代末〜80年代初）人们才把超级铁素体不锈钢定义为钢中Cr%+3.3%*Mo%≥35的那些牌号并一直沿用至今。

由于1960年末在不锈钢生产中先后出现了VOD和AOD等炉外精炼工艺，可以比较容易地降低钢中有害的碳、氮、氧等间隙元素的含量，加之C+N量V100〜150ppm的高纯铁素体不锈钢的真空双联工艺成本较高，大规模工业生产一直未能完全实现，人们转向稍提高钢中碳、氮量并加入钛、铌以解决焊后的晶间腐蚀倾向；有些牌号又加入适量镍。以降低超级铁素体不锈钢由于碳、氮量稍高和钛、貿的加入所引起的脆性转变温度升高和韧性下降的缺点。除个别牌号仍釆用真空感应炉冶炼外，目前大量生产的耐点蚀当量（PRE）值（Cr%+3.3%*Mo%）≥35的一些超级铁素体不锈钢均釆用VOD、AOD炉外精炼工艺，而日本所开发的高纯Cr30Mo2（C+N≤150ppm）超级铁素体不锈钢则系釆用SS（强烈搅拌）VOD进行生产。表1-1-2中列入了一些主要的超级铁素体不锈钢的牌号和化学成分。

①最早Cr29Mo4加镍是为了提高在沸腾10%HzSO4和沸腾1%HCl中的耐蚀性。

表11-2超级铁素体不锈钢的牌号和化学成分/%

1.2  Fe℃r合金相图，铁素体和超级铁素体不锈钢的析出相及其对钢性能的影响

1.2.1  Fe~Cr合金相图

Fe℃r合金相图见图1-1-1。从表1-1-2中所列超级铁素体不锈钢的化学成分中可知，由于超级铁素体不锈钢中含铬量一般均在25%（含）-31%（含）范围内，因此从图1-1-1中可以看出，虽然所有超级铁素体不锈钢在820℃以上均处于α（铁素体）单相区，而≤820°C时则均处于α+σ双相区内，但随温度降低，α+σ区扩大，温度再低，≤550°C后，α消失，σ'析出，从而进入α+σ'二相区。

1.2.2  铁素体和超级铁素体不锈钢的析出相及其对钢性能的影响

表1-1-3中列出了超级铁素体不锈钢中所存在的相。大量的研究和实际表明，最为常见并对超级铁素体不锈钢性能影响最为显著的是各种碳、氮化物和α'、α相等金属间相；图1-1-3中还指出了含26%Cr,0.018%C,1%〜4%Mo，0〜4%Ni的铁素体（包括超级铁素体）不锈钢自高温冷却过程中，钢中碳、氮化物和σ'、χ、η等金属间相的析出行为。从图1-1-3中可以看出，当超级铁素体不锈钢中含有钛、铌时，温度低于液相线，首先析出的是钛的氮化物（由于在铁素体中溶解度很低，此相在固相线以下的所有温度内均以稳定相存在）；随后，处于非敏化态时，有钛、铌、铬的碳化物和氮化物析出，而处于敏化态（500〜800°C）时，则主要是铬的碳化物和氮化物的析出；各种金属间相的沉淀明显滞后于钢中碳、氮化物的析出，其中。σ'、χ、η可等相的析出温度范围基本相同，而最敏感的温度约在800°C。α'相的沉淀又滞后于。σ'、χ、η和可相，最敏感的析出温度在475°C左右。

表11-3超级铁素体不锈钢中的金相