不锈钢中铜元素的作用

第２９卷第３期　２００８年６月　特殊钢　ＳＰＥＣＩＡＬ　ＳＴＥＥＬ　Ｖ０１．２９．Ｎｏ．３　Ｊｕｎｅ　２００８・３９・　

・工艺材料进展・　

稀土元素在铁素体不锈钢中的作用和应用前景　

李亚波　王福明　朱宝晶　（１北京科技大学冶金与生态工程学院，北京１０００８３；２莱芜钢铁股份有限公司品质保证部，莱芜２７１１０４）　

摘要铁素体不锈钢（１１％～３０％Ｃｒ）的抗点蚀、抗应力腐蚀和抗高温氧化性能均优于奥氏体不锈钢。但普　通铁素体不锈钢晶间腐蚀敏感性较高，塑性和韧性较低，焊接裂纹倾向较大。经分析得出，铁素体不锈钢加稀土元　素可改善钢的凝固组织，影响碳、氮化物析出形态，细化晶粒，改变钢中硫化物形态和夹杂物成分，从而改善钢的横　向韧性、焊接性能和疲劳性能。因此，稀土元素在铁素体不锈钢中的应用研究工作有广阔的前景。　关键词稀土元素铁素体不锈钢应用前景　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ａｎｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｒａｒｅ　Ｅａｒｔｈ　Ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ｉｎ　

Ｆｅｒｒｉｔｉｃ　Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　Ｓｔｅｅｌｓ　

Ｌｉ　Ｙａｂｏ　。Ｗａｎｇ　Ｆｕｍｉｎｇ　ａｎｄ　Ｚｈｕ　Ｂａｏｊｉｎｇｚ　（１　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｒｉｎｇ　１０００８３；　２　Ｑｕａｌｉｔｙ　Ｉｎｓｕｒａｎｃｅ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｌａｉｗｕ　Ｉｒｏｎ　ａｎｄ　Ｓｔｅｅｌ　Ｃｏ　Ｌｔｄ，Ｌａｉｗｕ　２７１　１０４）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ａｎｔｉ—ｐｉｔｔｉｎｇ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ．　ａｎｔｉ・ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｔｉ—ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｆｅｒｒｉｔｉｃ　ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌｓ（１１％～３０％Ｃｒ）ａｒｅ　ｂｅｔｔｅｒ　ｔ｝ｌａｎ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ　ｓｔａｉｎｌｅｓｓ．ｂｕｔ　ｎｏｒｍａｌ　ｆｅｒｒｉｔｉｃ　ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌｓ　ｈａｖｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｉｎｔｅｒｇｒａｎｕｌａｒ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ｌｏｗｅｒ　ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ，ａｎｄ　ｇｒｅａｔｅｒ　ｔｅｎｄｅｎｃｙ　ｔｏ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｃｒａｃｋ．Ｉｔ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈａｔ　ａｄｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒａｒｅ　ｅａｒｔｈ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ｉｎ　ｆｅｒｒｉｔｉｃ　ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌｓ　ｍａｙ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ，ｅｆｆｅｃｔ　ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｎｇ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｎ—ｎｉｔｒｉｄｅ，ｆｉｎｅ　ｇｒａｉｎ　ｓｉｚｅ，ｃｈａｎｇｅ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｓｕｌｐｈｉｄｅ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｃｈｓｉｏｎ　ｉｎ　ｓｔｅｅｌ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ，ｗｅｌｄａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｗｏｒｋ　ｏｆ　ａｐ—　ｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｒａｒｅ　ｅａｒｔｈ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ａｄｄｉｎｇ　ｉｎ　ｆｅｒｒｉｔｉｃ　ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ　ｈａｓ　ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ．　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｉｎｄｅｘ　Ｒａｒｅ　Ｅａｒｔｈ　Ｅｌｅｍｅｎｔｓ，Ｆｅｒｒｉｔｉｃ　Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　Ｓｔｅｅｌ，Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｓｐｅｃｔ　

第ｌ７卷第６期　２０１１年ｌ２月　上海戈　报（自然科学版）　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＡＮＧＨＡＩ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ　ＳＣＩＥＮＣＥ）　Ｖ０ｌ＿１７　Ｎｏ．６　Ｄｅｃ．２０１１　

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－２８６１．２０１　１．０６．０１５　

新型节镍Ｃｒ２２双相不锈钢中铜的作用　

石璐璐　，　马正欢　，　崔世云　，　李　钧　，　肖学山　，　赵钧良　

（１．上海大学材料研究所，上海２０００７２；２．宝山钢铁股份有限公司，上海２００９４０）　

摘要：研究ｃｕ对新型节镍Ｃｒ２２双相不锈钢（ｄｕｐｌｅｘ　ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌｓ，ＤＳＳｓ）的显微组织、力学性能及腐蚀性能的影响．　研究结果表明，ｃｕ元素在该系列成分双相不锈钢中是较强的奥氏体形成元素，质量分数为０．６９％的ｃｕ可使Ｃｒ２２　ＤＳＳｓ在不同温度固溶处理后的奥氏体体积分数增加约８％．节镍型Ｃｒ２２　ＤＳＳｓ的室温屈服强度和抗拉强度分别在　４９０和７５０　ＭＰａ左右，ｃｕ元素可适当提高Ｃｒ２２　ＤＳＳｓ的室温延伸和腐蚀性能．新开发的节镍型Ｃｒ２２　ＤＳＳｓ与目前广　泛使用的３０４奥氏体不锈钢相比，成本大幅度降低，且力学性能和腐蚀性能得到提高．　关键词：节镍型双相不锈钢；拉伸性能；点蚀性能　中图分类号：ＴＧ　１４２．７　文献标志码：Ａ　文章编号：１００７－２８６１（２０１１）０６－０７６８－０６　

Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｃｕ　ｏｎ　Ｎｅｗ　Ｃｒ２２　Ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ　Ｄｕｐｌｅｘ　Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　Ｓｔｅｅｌｓ　

ＳＨＩ　Ｌｕ．１ｕ　，ＭＡ　Ｚｈｅｎｇ．ｈｕａｎ　，ＣＵＩ　Ｓｈｉ．ｙｕｎ　，ＬＩ　Ｊｕｎ　，ＸＩＡＯ　Ｘｕｅ．ｓｈａｎ　，ＺＨＡＯ　Ｊｕｎ．１ｉａｎｇ　

（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００７２，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｂａｏｓｈａｎ　Ｉｒｏｎ　ａｎｄ　Ｓｔｅｅｌ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００９４０，Ｃｈｉｎａ）　

各种元素在不锈钢中所起的作用：

碳钢一般是铁碳系的，元素一般有C、Fe、Mn、Si、S、p。

不锈钢一般是铬（Cr）或铬镍（Cr-Ni）系的。不过不锈钢也分铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、双相不锈钢等。

马氏体不锈钢一般Cr含量为13%左右，铁素体不锈钢一般Cr含量为17%左右。用的比较多的是奥氏体不锈钢，也就是Cr-Ni系的。用的较多的有304、308、316等等。

合金元素的影响：

Mn

1、在低含量范围内，对钢具有很大的强化作用，提高强度、硬度和耐磨性

2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性

3、稍稍改善钢的低温韧性

4、在高含量范围内，作为主要的奥氏体化元素

Si

1、强化铁素体，提高钢的强度和硬度

2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性

3、提高钢的氧化性腐蚀介质中的耐蚀性，提高钢的耐热性

4、磁钢中的主要合金元素（含量在0.40%范围内时，改善热裂倾向，含量高时，易形成柱状晶，增加热裂倾向。）

Cr

1、在低合金范围内，对钢具有很大的强化作用，提高强度、硬度和耐磨性

2、降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性

3、提高钢的耐热性

4、在高合金范围内，使钢具有对强氧化性酸类等腐蚀介质的耐腐蚀能力

Mo

1、 强化铁素体，提高钢的强度和硬度

2、 降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性

3、 提高钢的耐热性和高温强度

Ni

1、 提高钢的强度，而不降低其塑性，改善钢的低温韧性

2、 降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性

3、 扩大奥氏体区，是奥氏体化的有效元素

4、 本身具有一定耐蚀性，对一些还原性酸类有良好的耐蚀能力

Al

1、 炼钢中起良好的脱氧作用

2、 细化钢的晶粒，提高钢的强度

3、提高钢的抗氧化性能，提高不锈钢对强氧化性酸类的耐蚀能力

RE

1、炼钢中起脱硫、去气、净化钢液作用

2、细化钢的晶粒，改善铸态组织

Ti元素在不锈钢中的作用

铬-镍奥氏体不锈钢在450～800℃温度区加热，常发生沿晶界的腐蚀破坏，称为晶间腐蚀。一般认为，晶间腐蚀是碳从饱和的奥氏体以Cr23C6形态析出，造成晶界处奥氏体贫铬所致。防止晶界贫铬是防止晶间腐蚀的有效方法。如将各种元素按与碳的亲和力大小排列，顺序为：Ti、Zr、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn。钛与碳的亲和力比铬大，钛加入钢中后，碳优先与钛结合生成碳化钛（TiC），这样就避免了析出碳化铬而造成晶界贫铬，从而有效防止晶间腐蚀。

由于钛与氮可结合生成氮化钛，钛与氧可结合生成二氧化钛，所以钛的加入量有一定的限制，实际生产中为防止晶间腐蚀，钛加入量一般按下式计算：Ti=C×5～0.8%。

为了防止晶间腐蚀，含钛的钢固溶处理后还必须进行稳定化处理。固溶处理后不锈钢得到单相奥氏体组织，这种组织处于不稳定状态，当温度升高到450℃以上时，固溶体中的碳逐步以碳化物形态析出，650℃是Cr23C6形成温度，900℃是TiC形成温度。要防止晶间腐蚀就要减少Cr23C6含量，使碳化物全部以TiC形态存在。由于钛的碳化物比铬的碳化物稳定，钢加热到700℃以上时，铬的碳化物就开始向钛的碳化物转化。稳定化处理是将钢加热到850～930℃之间，保温1h，此时铬的碳化物全部分解，形成稳定的灰色或者黑色的TiC，钢的抗晶间腐蚀性能得到改善。同时，不锈钢中加入钛，在一定条件下还可以弥散析出Fe2Ti金属间化合物，使钢的高温强度有所提高。