省資源型不銹鋼的開發(fā)

1稀有金屬供給危機(jī)逐步顯現(xiàn)

鉻的最大用途是制造以不銹鋼為代表的特殊鋼。含鉻不銹鋼發(fā)明于20世紀(jì)初。正如其名稱所顯示的，不銹鋼的最大特點(diǎn)是不易生銹。不銹鋼的定義是“含鉻量在10.5%以上的特殊鋼”。但除了鉻，在不銹鋼中也添加鎳、鉬等稀有元素。納入JIS標(biāo)準(zhǔn)中的不銹鋼有90種。加上正在開發(fā)的鋼種，不銹鋼鋼種總數(shù)多達(dá)200種。不銹鋼廣泛用于日用品、機(jī)械零部件和結(jié)構(gòu)材料。

2000年以后，許多稀有金屬價(jià)格高漲。以鎳為例，過(guò)去鎳價(jià)是5美元/l b，2007年超過(guò)了20美元/l b。2008年世界金融危機(jī)后，鎳價(jià)急速回落，此后又出現(xiàn)劇烈波動(dòng)。其他稀有金屬價(jià)格也有類似的變化趨勢(shì)。由于稀有金屬的產(chǎn)地偏聚在特定國(guó)家、以及稀有金屬生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)量受到限制，使稀有金屬供給出現(xiàn)危機(jī)。為解決這個(gè)問(wèn)題推進(jìn)了開發(fā)新礦山、循環(huán)利用、資源儲(chǔ)備、替代材料技術(shù)開發(fā)等許多措施。在鋼鐵業(yè)，需求量很大的不銹鋼的穩(wěn)定生產(chǎn)是十分重要的問(wèn)題。為此進(jìn)行了減少稀有金屬用量的省資源型不銹鋼的開發(fā)。以下對(duì)典型的省資源型不銹鋼開發(fā)鋼做簡(jiǎn)要介紹。

2替代SUS304的省鉻、鎳開發(fā)鋼

按照金屬組織，不銹鋼可分類為“鐵素體不銹鋼”、“奧氏體不銹鋼”、“馬氏體不銹鋼”。其中奧氏體不銹鋼占不銹鋼粗鋼產(chǎn)量的50%以上，其代表性鋼種是成分為18%Cr-8%Ni的SUS304。SUS304具有優(yōu)良的耐蝕性、耐熱性和低溫韌性，并且其深沖性、彎曲性、焊接性等加工性能也表現(xiàn)良好，所以廣泛用于日用品、建筑物內(nèi)外裝材料、汽車零部件、化工設(shè)備等領(lǐng)域。SUS304的產(chǎn)量約占不銹鋼總產(chǎn)量的40%。

但是SUS304含有很多稀有金屬鎳，所以，為了規(guī)避價(jià)格和供給危機(jī)，要求開發(fā)不含鎳的省資源型不銹鋼。

在這種情況下，開發(fā)的注意力集中到鐵素體不銹鋼。鐵素體不銹鋼本來(lái)就是不含鎳的省資源型不銹鋼。日本鋼鐵廠已經(jīng)具有利用先進(jìn)的精煉工藝，制造低雜質(zhì)的省資源型不銹鋼的技術(shù)。日本鋼鐵廠利用這種技術(shù)于2010年開發(fā)出耐蝕性等同于SUS304的SUS443J1，并納入JIS標(biāo)準(zhǔn)。

但這些鐵素體不銹鋼，為了提高耐蝕性都使用了鉻，并根據(jù)不銹鋼的用途，調(diào)整鉻含量，以保證良好的耐蝕性。隨后，又開發(fā)出了減少不銹鋼重要成分鉻的省鉻型鐵素體不銹鋼。開發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)是利用錫。

過(guò)去人們就知道錫是優(yōu)良的耐蝕性元素。據(jù)說(shuō)15世紀(jì)名畫“最后的晚餐”中的食器就是用錫制作的，一直保持美麗的光澤。現(xiàn)在人們?nèi)粘Ｉ钪械墓揞^罐內(nèi)表面是鍍錫層，保持了罐頭罐的耐蝕性，可以將食品長(zhǎng)期保存。過(guò)去處于影響鋼鐵生產(chǎn)效率的考慮，導(dǎo)致錫的應(yīng)用沒(méi)有得到重視。現(xiàn)在進(jìn)行了利用錫的技術(shù)開發(fā)，開發(fā)出添加錫的、鉻減量的、耐蝕性良好的省鉻型鐵素體不銹鋼。與傳統(tǒng)的鐵素體不銹鋼SUS430相比，添加錫的開發(fā)鋼可減少20%的鉻（圖1）。與SUS304相比，添加錫的開發(fā)鋼可減少40%的鉻和鎳。

該開發(fā)鋼系列鋼種中的鉻含量較多的鋼種兼有更好的耐蝕性和加工性。例如，進(jìn)行圓筒深沖加工時(shí)，SUS304深沖件發(fā)生時(shí)效裂紋，而開發(fā)鋼（16%Cr-Sn）可沖制出良好的圓筒深沖件（圖2）。

圖3是使用減鉻的省資源型不銹鋼制作的廚房用具。這種不銹鋼從上市之初就得到廚房用具廠家歡迎，并且得到廚房用具使用者的好評(píng)。這種雙相不銹鋼節(jié)省資源、價(jià)格低廉、加工性好，成為替代SUS304的通用型不銹鋼。

3省鎳、鉬型結(jié)構(gòu)用雙相不銹鋼

SUS304用于土建結(jié)構(gòu)物和化工設(shè)備的部件時(shí)，要求鋼的耐蝕性略好于用于日用品的耐蝕性。因此要求開發(fā)出用于土建結(jié)構(gòu)物和化工設(shè)備的雙相不銹鋼。

雙相不銹鋼是奧氏體和鐵素體兩相混合的不銹鋼（圖4）。其性能具有奧氏體和鐵素體各自的優(yōu)點(diǎn)。雙相不銹鋼可作為厚板使用，是因?yàn)閵W氏體系不銹鋼具有良好的韌性。鐵素體系不銹鋼的韌性低，所以不能作為厚板使用。奧氏體和鐵素體兩相混合的組織微細(xì)化并添加氮，使鋼具有更高的強(qiáng)度，其強(qiáng)度可達(dá)到奧氏體系不銹鋼和鐵素體系不銹鋼強(qiáng)度的2倍。此外，含氮雙相鋼具有良好的焊接性，因此可作為焊接結(jié)構(gòu)材料使用。

傳統(tǒng)的典型雙相鋼SUS329J3L含有較多的鉬，價(jià)格很高，因此其用途受到限制，因此開發(fā)出省合金型（價(jià)格低廉型）雙相不銹鋼。這種開發(fā)鋼在降低鎳、鉬含量的同時(shí)，添加鉻、錳、氮，使鋼具有與SUS304同等的耐蝕性。SUS304的鎳含量是8%，開發(fā)鋼的鎳含量大幅度下降到2%以下，顯著降低了材料成本。

開發(fā)的含氮雙相不銹鋼的關(guān)鍵點(diǎn)是氮的巧妙利用。空氣中含有的氮是提高鋼的強(qiáng)度和耐蝕性的有效元素。但是含氮鋼作為焊接結(jié)構(gòu)材使用時(shí)，在大線能量焊接條件下，鋼的耐蝕性下降。開發(fā)的含氮雙相不銹鋼通過(guò)成分優(yōu)化，抑制了導(dǎo)致耐蝕性下降的氮化物析出，使鋼的耐蝕性得到保證。

此外，含氮鋼在生產(chǎn)過(guò)程中容易產(chǎn)生表面缺陷。通過(guò)對(duì)鑄造和熱加工條件的優(yōu)化，使開發(fā)的含氮雙相不銹鋼生產(chǎn)率達(dá)到普通不銹鋼的水平。

開發(fā)的含氮雙相不銹鋼可制造成厚鋼板，這種厚鋼板已經(jīng)用于海水淡化裝置的罐體和化學(xué)運(yùn)輸船（圖5）、以及太陽(yáng)能電池面板臺(tái)架，并且已經(jīng)納入JIS標(biāo)準(zhǔn)。圖6是省合金型雙相不銹鋼制作的薄壁輕量化H型鋼。對(duì)具有同等強(qiáng)度的H型鋼重量進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，若SUS304是10kg，則開發(fā)鋼是6kg，輕量化達(dá)到45%。可見(jiàn)，開發(fā)鋼在具有耐蝕性的同時(shí)，還具有輕量化效果，可以降低材料成本，適用于工廠設(shè)備部件和化學(xué)儲(chǔ)罐。

4汽車部件用省鉬型耐熱不銹鋼

不銹鋼的典型用途是汽車排氣系統(tǒng)部件。對(duì)這種用途不銹鋼的要求是高耐蝕性和高耐熱性。收集發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的排氣歧管的溫度在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)達(dá)到800℃以上的高溫，在發(fā)動(dòng)機(jī)停車時(shí)下降到室溫。這種伴隨反復(fù)升溫降溫發(fā)生的材料損壞叫做“熱疲勞”。為此要求材料具有較高的高溫強(qiáng)度。

20世紀(jì)80年代以前，汽車排氣系統(tǒng)部件使用的是鑄鐵材料。后來(lái)由于對(duì)汽車輕量化要求的不斷提高，改用不銹鋼。隨后，由于提高燃油效率的要求，使發(fā)動(dòng)機(jī)高溫化，因而排氣系統(tǒng)部件使用的材料由普通不銹鋼改為耐熱性良好的SUS444（19%Cr-2%Mo-Nb）。該鋼種為了保證高溫強(qiáng)度添加了鉬。2000年以后，出現(xiàn)了世界性的鉬供給不足現(xiàn)象。因此，汽車廠迫切要求開發(fā)出降低鉬含量的排氣系統(tǒng)用鋼。

在這種需求背景下，研究人員開發(fā)出了完全不使用鉬的省資源型高耐熱性不銹鋼。排氣系統(tǒng)溫度從汽車啟動(dòng)時(shí)的室溫到行駛中的700℃以上，再到停車時(shí)的室溫，本開發(fā)項(xiàng)目根據(jù)汽車行駛?cè)^(guò)程溫度變化的情況對(duì)開發(fā)鋼進(jìn)行了研究。

SUS444中添加鉬使鋼實(shí)現(xiàn)了從室溫到高溫的全溫度區(qū)域的高強(qiáng)度化。新開發(fā)的省資源型高耐熱不銹鋼用銅替代鉬（圖7）。鋼中添加銅，在600-700℃形成微細(xì)的析出物，發(fā)揮析出強(qiáng)化作用，在700℃以下使鋼的強(qiáng)度高于傳統(tǒng)的含鉬鋼。在溫度超過(guò)銅固溶溫度的700℃高溫區(qū)，具有固容強(qiáng)化作用的元素有鉬、鎢、鈮等，但這些都是稀有金屬。于是，本開發(fā)項(xiàng)目使用了具有同樣固容強(qiáng)化作用的鋁。過(guò)去，作為強(qiáng)化元素的鋁沒(méi)有受到特別的關(guān)注。但鋁在700℃以上的高溫區(qū)具有很大的固溶強(qiáng)化作用，并且是非稀有金屬，在經(jīng)濟(jì)性上也有優(yōu)勢(shì)。因此，開發(fā)人員可根據(jù)汽車實(shí)際行駛的熱履歷進(jìn)行成分設(shè)計(jì)，利用銅的析出強(qiáng)化和鋁的固溶強(qiáng)化組合對(duì)開發(fā)鋼進(jìn)行強(qiáng)化，提高開發(fā)鋼的熱疲勞強(qiáng)度。

開發(fā)鋼采用銅、鋁組合，在銅析出溫度范圍內(nèi)，開發(fā)鋼的強(qiáng)度高于傳統(tǒng)的SUS444，在銅固溶溫度區(qū)，由于鋁的添加，開發(fā)鋼的強(qiáng)度與傳統(tǒng)的SUS444等同。

在加工性方面，由于開發(fā)鋼不含鉬，因而具有良好的成形加工性。鋼中含有的銅在部件加工制造時(shí)固溶在鋼中，在部件安裝在汽車后，隨著溫度的升高，發(fā)生析出，產(chǎn)生強(qiáng)化效果。