特殊鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)概述

周 建 男
（青島鋼鐵控股集團有限公司 總工程師辦公室，山東 青島 266043）

摘　要：特殊鋼包括優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金鋼、高合金鋼三大類，介紹了特殊鋼的生產(chǎn)工藝技術(shù)，重點論述了合金結(jié)構(gòu)鋼、汽車用齒輪鋼、合金工具鋼、高速工具鋼、軸承鋼、彈簧鋼和不銹鋼的性能及生產(chǎn)工藝技術(shù)。
關(guān)鍵詞：特殊鋼；性能；生產(chǎn)工藝
中圖分類號：TF76　　 文獻標識碼：A　　 文章編號：1004-4620（2008）03-0001-07

Brief Introduction to the Production Technology of Special Steels

ZHOU Jian-nan
（The Chief Engineer Office of Qingdao Iron and Steel Holding Group Co., Ltd., Qingdao 266043，China）

Abstract: Special steels include quality carbon steel, alloy steel and high alloy steel. This article introducea the processing technique of special steels, it mainly focus on the characteristics and processing technology of alloy structural steel, automobile gear steel, alloy tool steel, high speed tool steel, bearing steel, spring steel and stainless steel.
Key words: special steel; characteristics; production technology

（接上期第7頁）

　　為解決鑄錠中形成大塊萊氏體共晶、碳化物分布不均勻的問題，采用粉末冶金方法提高高速鋼的組織和性能。爐外精煉裝備逐步用于高速鋼生產(chǎn)，主要用LF（V），也有SKF鋼包爐。國外有的廠可以用連鑄生產(chǎn)高速鋼，但僅限于通用型鋼種和小斷面材。世界先進的高速鋼生產(chǎn)工藝流程如下。
　　1）通用型鋼種、中小型材及鋼絲生產(chǎn)流程：電爐（UHP）－精煉爐LF（V）－連鑄－退火－修磨－棒、線連軋：①棒材（＞φ20 mm）－保護氣氛連續(xù)退火－精整剝皮－在線檢測－成品包裝（φ20～φ40 mm光亮材）；②線材（φ5.5 ～φ20 mm）－保護氣氛或真空罩式退火－連續(xù)拉拔開卷或磨光、拋光－在線檢測－成品包裝（φ5～φ20 mm冷拔材、光亮材）；③線材（φ5.5 mm）－保護氣氛或真空罩式退火－溫拉或溫軋－真空退火－矯直或磨光－在線檢測－成品包裝（＜φ5 mm冷拔磨光鋼絲）。
　　2）大斷面材及高牌號鋼材生產(chǎn)流程：電爐（UHP）－精煉爐LF（V）－鑄錠（或鑄電極－電渣重熔）－退火－快鍛或精鍛開坯－退火、修磨－精鍛成材－退火－精整－在線檢測－成品包裝。

5 軸承鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)

5.1 前言
　　軸承用鋼的質(zhì)量是所有合金鋼中要求最嚴格、檢驗項目最多的鋼種。世界公認軸承鋼的水平是一個國家冶金水平的標志。軸承對其材料的要求較高，必須具備高的硬度、耐磨性、接觸疲勞強度、彈性極限，良好的沖擊韌性、斷裂韌性、尺寸穩(wěn)定性、防銹性能和冷熱加工等性能。為保證這些性能要求，軸承鋼的冶金質(zhì)量必須保證其嚴格的化學(xué)成分及化學(xué)成分均勻性，特別高的純凈度，極低的氧含量和殘余元素含量，嚴格的低倍組織和高倍組織，嚴格的碳化物均勻性，嚴格的表面脫碳層和內(nèi)部疏松、偏析、顯微孔隙等，不允許存在裂紋、夾渣、毛刺、折迭、結(jié)疤、氧化皮、縮孔、氣泡、白點和過燒等表面和內(nèi)部缺陷。我國特鋼企業(yè)2007年軸承鋼產(chǎn)量為245萬t。
5.2 性能
　　當(dāng)前世界各國所使用的軸承鋼主要有5大類^[9]，即高碳鉻軸承鋼、滲碳軸承鋼、不銹軸承鋼、高溫軸承鋼、中碳軸承鋼。
　　1）高碳鉻軸承鋼。高碳鉻軸承鋼是含鉻0.6%～1.5%的高碳合金鋼，目前我國標準中采用5個牌號，GCr15、GCr6、GCr9、GCr9SiMn、GCr15SiMn。高碳鉻軸承鋼已有100多年的歷史，長期的生產(chǎn)和使用證明，這種鋼基本上可以滿足一般工作條件的軸承要求，具有良好的耐磨性和抗接觸疲勞性能，有較理想的耐銹蝕性和一定的彈性、韌性，加工性能較好，價格也較便宜，因此應(yīng)用最廣。由于淬透性的差別，其中用量最大的是GCr15和GCr15SiMn，GCr6和GCr9已很少采用。
　　2）滲碳軸承鋼。滲碳軸承鋼實質(zhì)上是優(yōu)質(zhì)滲碳結(jié)構(gòu)鋼，目前我國標準中采用6個牌號，G20CrMo、G20CrNiMo、G20Cr2Ni4、G20CrNi2Mo、G10CrNi3Mo、G20Cr2Mn2Mo。這類鋼經(jīng)過滲碳、淬火、回火等熱處理工序后，表面具有很高的硬度和一定的耐磨性以及較高的抗接觸疲勞強度，且其心部都具有良好的韌性、一定的強度和硬度。主要用于承受沖擊載荷下的軸承和特大型軸承，如鐵路、軋鋼機用軸承等。
　　3）不銹軸承鋼。有馬氏體不銹鋼和奧氏體不銹鋼，目前我國標準中采用3個牌號，9Cr18、9Cr18Mo、Cr14Mo4。其中以馬氏體不銹鋼9Cr18使用最多。這類鋼經(jīng)過熱處理可以得到全部或大部馬氏體組織，具有高強度、很好的耐磨性和韌性，特別是在海水、酸、有機鹽水溶液中具有較強的抗銹蝕能力。這些軸承鋼的缺點是碳含量高，碳與鉻形成粗大的一次碳化物，降低材料的機械性能，減少鉻元素對抗腐蝕的貢獻。1Cr18Ni9Ti等奧氏體不銹鋼，經(jīng)熱處理后可以得到單一的奧氏體組織，具有良好的韌性和很好的抗腐蝕能力。但由于強度、硬度不高，只適用于制造低負荷、低轉(zhuǎn)速軸承。
　　4）高溫軸承鋼。高溫軸承鋼具有一定的高溫硬度和高溫耐磨性。高溫接觸疲勞強度、抗氧化、耐沖擊、高溫尺寸穩(wěn)定性等特點。此類鋼利用高速鋼和高鉻馬氏體不銹鋼的一些鋼號。我國目前使用的高溫軸承鋼主要有：9Cr18Mo（260 ℃）、Cr4Mo4V（315 ℃）、Cr14Mo4（480 ℃）、W6Mo5Cr4V2（480 ℃）、W9Cr4V2Mo（520 ℃）、W18Cr4V（560 ℃）、W12Cr4V5Co5（590 ℃），其中使用最普遍的是Cr4Mo4V。高碳鉻軸承鋼的回火溫度是160～180 ℃，所以使用溫度一般不超過120 ℃，如果使用溫度超過120 ℃，鋼的強度急劇下降，尺寸不穩(wěn)定，并導(dǎo)致軸承的疲勞強度降低。所以，只能用高溫軸承鋼而不能用高碳鉻軸承鋼，如飛機用渦輪噴氣發(fā)動機的功率越來越大，壓縮機和渦輪機的主軸軸承要求耐高溫，其工作溫度一般為55～260 ℃，高者可達370 ℃，在這種工作條件下，只能采用高溫軸承鋼。
　　5）中碳軸承鋼。中碳軸承鋼是中碳合金鋼，我國目前主要有：55、50MnA、70Mn、5CrMnMo、60CrMnMoA、55SiMoVA、50SiMo，后兩個鋼號是我國開發(fā)的抗沖擊軸承鋼。此鋼類適用于制作掘進、起重、大型機床等重型設(shè)備上用的特大尺寸軸承，一般轉(zhuǎn)速不高，但承受較大的軸向、徑向載荷及彎曲應(yīng)力等。
5.3 生產(chǎn)工藝
　　鋼的冶煉水平是軸承鋼內(nèi)在質(zhì)量好壞的先決條件。鋼中的氧含量、成分偏析，夾雜物數(shù)量及分布，大顆粒碳化物的狀況是影響軸承鋼內(nèi)在質(zhì)量的重要冶金因素。近年來，軸承鋼的冶煉技術(shù)就是圍繞這些關(guān)鍵因素相繼發(fā)展起來。鋼中氧含量可穩(wěn)定在≤（10～15）×10^-6，一些先進企業(yè)可控制在（5～8）×10^-6。
　　鋼中夾雜物分為A（硫化物）、B（氧化物）、C（硅酸鹽）、D（點狀不變形夾雜）4種類型，不同類型的夾雜物對軸承壽命影響也不同，夾雜物的尺寸和在鋼中的位置對軸承壽命也有不同的影響。鋼中氧含量愈低，軸承鋼壽命愈高。上述4種夾雜物中后三者都是由氧化物所構(gòu)成，三者對軸承壽命的有害影響已為大量事實所證明，鋼中的氧含量幾乎全部（除溶解氧外）由它們提供。因此，近年來在衡量軸承鋼質(zhì)量上把氧含量當(dāng)作極為重要的指標。
　　無論是轉(zhuǎn)爐或電爐流程，二次精煉是軸承鋼生產(chǎn)中的關(guān)鍵工序，主要精煉設(shè)備以LF或ASEA－SKF配有VD或RH為主，可使內(nèi)在質(zhì)量得以保證。
　　軸承鋼連鑄的問題一直是人們關(guān)注的重點。長期以來，連鑄坯中心疏松和偏析嚴重的問題并沒有得到根本的解決，至少在我國還是一個“難題”。既使采用了電磁攪拌技術(shù)、輕壓下技術(shù)改善疏松和偏析，由于中心疏松會殘留在球極區(qū)，又會帶來新的“白亮帶”缺陷。盡管如此，目前，軸承鋼的連鑄工藝已被世界眾多特殊鋼廠所采用，而且除部分滾動體用軸承鋼外，絕大多數(shù)軸承鋼采用連鑄生產(chǎn)。目前，為了解決軸承鋼連鑄坯的質(zhì)量問題，正在積極地開展著如下工作：除強化冶煉技術(shù)、降低鋼中的氧含量和有害雜質(zhì)外，在連鑄過程還采用中間包加熱、電磁攪拌、結(jié)晶器液位控制、強化二次冷卻和液相穴壓下技術(shù)，采用浸入式水口加保護渣的保護澆鑄技術(shù)，增大連鑄坯斷面達到大的壓縮比熱軋軸承鋼材等。
　　在軸承鋼棒材軋制生產(chǎn)中，對坯料進行表面探傷，修磨，實現(xiàn)精坯軋制已達成共識，并且要嚴格遵守加熱工藝制度以控制脫碳程度。采用控軋、控冷技術(shù)，步進加熱爐、連軋機組、連續(xù)退火爐，在線質(zhì)量監(jiān)控等技術(shù)。
　　世界上生產(chǎn)軸承鋼最著名的廠家有瑞典SKF公司，日本的山陽特殊鋼廠，美國Timken公司等。
　　日本山陽公司的棒線生產(chǎn)工藝流程：UHP電爐－LF精煉爐－RH精煉爐－連鑄或模鑄－初軋－三輥行星軋機或大型軋機－無損探傷－修磨－連軋機組－無損檢驗－連續(xù)爐球化退火－無損檢測－檢驗入庫。
　　SKF公司OVaK0鋼廠棒線生產(chǎn)工藝流程：電爐－LFV精煉爐－模鑄－均熱爐－初軋－火焰清理－150×150坯料－檢驗、噴丸、修磨－加熱－除鱗－軋制－冷卻－剪切－打包－發(fā)貨。該廠年產(chǎn)45萬t鋼，全部采用模鑄，初軋開坯，而沒有采用連鑄。OVaK0鋼廠也認為連鑄軸承鋼已不是技術(shù)問題，但是他們主要考慮了經(jīng)濟問題，因產(chǎn)品規(guī)格的覆蓋面使其投資成本與產(chǎn)量規(guī)模不相匹配。他們進行了一系列有利于產(chǎn)品質(zhì)量提高的改造投資。
　　我國某著名特殊鋼廠軸承鋼棒材4條生產(chǎn)線工藝流程：
    1）電爐－VHD精煉爐－模鑄（680 kg錠）－鋼錠修磨（需要時）－Φ650軋機－酸洗、拋丸、檢查－修磨－需要時退火－包裝－入庫。
　　2）UHP電爐－LF+VD精煉爐－連鑄或模鑄（3 t錠）、850開坯－檢查－修磨－連軋（需要時連續(xù)退火）－檢查－修磨－校直－包裝入庫。
　　3）電爐－模鑄電極－電渣冶金－軋制－或熱處理－精整－包裝入庫。
　　4）真空感應(yīng)爐－真空自耗爐－軋制－精整－或熱處理－包裝入庫。

圖4  美國Timkem公司Faircrest廠的工藝流程

6 彈簧鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)

6.1 前言
　　彈簧種類較多，按照所承受的載荷不同，彈簧可分為拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧等；而按照彈簧的形狀不同，又可分為螺旋彈簧、碟形彈簧、環(huán)形彈簧、板簧和盤簧等。用以制造彈簧的鋼材，統(tǒng)稱彈簧鋼。當(dāng)前用于制造彈簧的鋼材包括碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼、不銹、耐熱鋼以及合金工具鋼和高速工具鋼等鋼種。通常所說的彈黃鋼^[10]是指碳素彈簧鋼和合金彈簧鋼（2007年中國合金彈簧鋼產(chǎn)量160萬t^[11]）。碳素彈簧鋼的碳含量一般在0.62%～0.90%。按照其錳含量又分為一般錳含量（0.50%～0.80%，如65、70、85）和較高錳含量（0.90%～1.20%，如65Mn）兩類。合金彈簧鋼包括Si-Mn系（60Si2Mn，相當(dāng)于美國的9260，日本的SUP6、SUP7，德國的60SiCr7）；Cr-Mn系（55CrMnA，相當(dāng)于美國的5155、日本的SUP9、德國的55Cr3）；Cr-V系（50CrVA，相當(dāng)于美國的6150、日本的SUP10、德國的50CrV4）；CrMnB系（60CrMnBA，相當(dāng)于美國的51B60、日本的SUP11A）等。
6.2 性能
　　彈簧主要是在往復(fù)、交變動載荷及惡劣的環(huán)境條件（如振動、沖擊、拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲、腐蝕等）下使用，要求彈簧鋼具有下述性能：良好的力學(xué)性能，如高的抗拉強度、屈服強度、硬度、塑性、韌性以及彈性極限、比例極限等，但要同時保證其所有性能具有很高的水平是很困難的。因此，應(yīng)視使用情況，優(yōu)化各項指標，以達到最佳的綜合力學(xué)性能配合；良好的抗疲勞性能和抗彈減性能；良好的工藝性能，包括淬透性、熱處理工藝性能（如淬火變形小、不易過熱、晶粒均勻細小、回火穩(wěn)定性高、不易脫碳、石墨化和氧化等）和加工成形性能；此外，還必須具有良好的內(nèi)在質(zhì)量和表面質(zhì)量。
　　疲勞破壞和彈性減退失效是彈簧兩種最常見的破壞形式。通常通過固溶強化、沉淀強化、細晶強化來提高彈簧鋼彈減抗力，彈簧鋼中常用的合金元素Si、V、Ni、B可提高其彈減抗力。
　　良好的內(nèi)在質(zhì)量是由冶金過程決定的。首先應(yīng)保證準確的化學(xué)成分，這樣才能在加工和熱處理后得到確保性能的顯微組織，良好穩(wěn)定的淬透性以及各種性能。另外，應(yīng)有高的純潔度，P、S等雜質(zhì)元素和H、N等要低。鋼中的各種非金屬夾雜物不但要求含量低而且要控制其形狀、大小、分布、成分等，尤其是要減少顆粒尺寸大、硬度高、不易變形的夾雜物，這些有害夾雜物是應(yīng)力集中源，易引起裂紋疲勞破壞。
　　表面質(zhì)量是彈簧鋼另一重要技術(shù)指標，表面質(zhì)量包括表面脫碳、表面缺陷（裂紋、折疊、結(jié)疤、夾雜、分層等）。彈簧鋼在承受彎、扭、交變應(yīng)力等各種載荷時，表面應(yīng)力最大，各種缺陷是應(yīng)力集中源，在使用過程中易引起早期破壞和失效。據(jù)統(tǒng)計，表面夾雜物引起彈簧破損的比率為40％，表面缺陷和脫碳引起破損的比率為30％。彈簧制品表面，除噴丸強化外，保留了鋼材供貨狀態(tài)的表面，因此鋼材的表面狀態(tài)對彈簧的工作性能和壽命具有很大影響。
　　對采用圓形截面的鋼絲制成的彈簧而言，其強度與剛度分別與鋼絲直徑的3次方和4次方成正比，故鋼絲截面的微小變化都會對其強度產(chǎn)生很大影響，扁鋼的厚度和寬度也有相似的影響。因此，彈簧鋼的尺寸公差和精度是保證成品使用性能和壽命的重要因素。
6.3 生產(chǎn)工藝
　　過去，一般要求的彈簧鋼主要是在電爐、轉(zhuǎn)爐、平爐中冶煉，模鑄，橫列式軋機軋制。較高質(zhì)量要求的（主要是降低鋼中夾雜物的含量）主要采用電爐＋電渣重熔或真空重熔法生產(chǎn)。
　　當(dāng)今比較典型的生產(chǎn)工藝流程是：初煉鋼水由電爐或轉(zhuǎn)爐提供，根據(jù)不同的鋼種、質(zhì)量水平要求和生產(chǎn)者的裝備條件選擇二次精煉方法，在連鑄工序中使用減少非金屬夾雜物數(shù)量的技術(shù)（防止二次氧化、非金屬夾雜物的上浮及分離）和防止偏析技術(shù)（低過熱度澆鑄、電磁攪拌等），可以生產(chǎn)出質(zhì)量相當(dāng)于模鑄鋼錠中下部的優(yōu)質(zhì)鋼坯。鋼坯加熱一般采用步進爐，附有可控氣氛系統(tǒng)，控制鋼坯脫碳、氧化燒損。在加熱爐與粗軋機之間，裝有高壓水除鱗機，清除鋼坯表面氧化鐵皮。使用無扭高剛度連軋機進行熱機軋制（控軋控冷），獲得高的尺寸精度、表面質(zhì)量和滿意的內(nèi)部組織。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，采用磁粉或渦流和超聲波探傷儀在線檢查鋼材表面、內(nèi)部缺陷。對標識有缺陷的產(chǎn)品進行清理或剔除。同時，對質(zhì)量要求較高的懸掛彈簧鋼線材和閥門彈簧鋼絲要分別進行鋼坯修磨、軟化處理、成品表面處理，經(jīng)過剝皮、冷拔、退火、酸洗、油淬火/回火、探傷、防腐等一系列工序，才能確保鋼材的表面質(zhì)量。具體工藝流程如下。
　　1）彈簧鋼生產(chǎn)工藝流程：電爐或轉(zhuǎn)爐－精煉爐（RH或LF+RH或ULO或ASEA-SKF或ULO+ULTiN或VAD）－連鑄－熱軋－精整。
　　2）懸掛彈簧合金鋼線材生產(chǎn)工藝流程：電爐或轉(zhuǎn)爐－精煉爐－連鑄－粗軋－修磨－線材軋制－檢驗－軟化處理－表面處理－包裝。
　　3）油淬火閥門鋼絲生產(chǎn)工藝流程：盤條檢驗－剝皮－冷拔、退火、酸洗/循環(huán)－油淬火/回火－渦流探傷－防腐處理－包裝。
　　RH真空脫氣法、LF-RH、ASEA-SKF和VAD真空脫氣加熱法是大家較熟悉的處理方法，僅介紹ULO、ULO+ULTiN精煉法：
　　1）ULO（超低氧）鋼處理工藝^[4]，是日本大同特殊鋼在RH基礎(chǔ)上，為更有效地降低鋼中夾雜物數(shù)量而采取的手段。具體步驟是：在1臺超高功率堿性電弧爐中熔化鋼水，接著吹氧后向鋼水中加入Fe-Si或At進行預(yù)脫氧處理，得到高堿度還原渣。然后將鋼水倒入鋼包中，并將RH循環(huán)脫氣設(shè)備“兩腿”插入鋼液中，汲取鋼水進入脫氣設(shè)備的真空室中。借助于大容量噴射泵，保持真空度＜13.3 Pa，并將小流量氬氣引入鋼水中，鋼水發(fā)泡進入真空室，鋼水中碳脫氧反應(yīng)快速進行，因而鋼水脫氧。當(dāng)碳氧反應(yīng)達到平衡時，加入像Al這樣合適的脫氧劑。為了促進脫氧產(chǎn)物的上浮分離和去除，以及保持脫氧狀態(tài)的穩(wěn)定，繼續(xù)進行脫氧操作，最后調(diào)整加Al量。RH脫氣后，氧含量下降到15×10^-6以下。該處理工藝是實現(xiàn)懸掛彈簧鋼2 000 MPa應(yīng)力值的一種手段。
　　2）ULTiN（超低氮化鈦）鋼處理工藝^[4]：首先選擇原材料，以得到Ti含量（30～50）×10^-6的鋼水，然后進行脫氣操作，降低氮含量到（40～60）×10^-6。如果ULO處理后再進行ULTiN處理（即ULO+ULTiN），鋼中氧化物和TiN夾雜物可大幅度下降，鋼的疲勞極限與真空電弧重熔鋼相同，該彈簧鋼可制造高強度閥門彈簧。
　　隨著機械工業(yè)的不斷發(fā)展，特別是汽車工業(yè)的發(fā)展，彈簧的發(fā)展趨勢是輕量化、大型化。為了適應(yīng)彈簧的各種工作條件并滿足高強度、高壽命的要求，彈簧鋼除具有良好的綜合性能外，還必須具有良好的內(nèi)在質(zhì)量和表面質(zhì)量。

7 不銹鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)

7.1 前言
　　不銹鋼在空氣、水、酸、鹽的水溶液中及其他氧化性氣氛中具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，以其良好的耐蝕性、耐高溫性、耐低溫性、耐磨損性及外觀精美等特征，被廣泛應(yīng)用于宇航、原子能、石油化工、海洋開發(fā)及家庭民用等方面。
　　按合金成分大致分為Cr鋼和Cr－Ni鋼兩大類。按金相組織分為5個系列，奧氏體型、鐵素體型、奧氏體－鐵素鐵型（雙相型）、馬氏體型、沉淀硬化型。在GB1220－92不銹鋼棒中，列出了64個牌號，奧氏體型33個，如1Cr18Ni9（美ASTM、日JIS302）等，鐵素體型7個，如0Cr13Al（美ASTM、日JIS405）等，雙相型3個，如0Cr26Ni5Mo2（美ASTM、日JIS329）等，馬氏體型18個，如2Cr13（美ASTM、日JIS420）等，沉淀硬化型3個，如0Cr17Ni4Cu4Nb（美ASTM、日JIS630）等。
　　2006年世界不銹鋼產(chǎn)量2 840萬t，中國不銹鋼產(chǎn)量躍居世界第一，已達到530萬t，其中300系300.4萬t，400系118.5萬t，200系81.1萬t。2007年世界不銹鋼產(chǎn)量2 760萬t，同比下降2.9％，中國不銹鋼產(chǎn)量720萬t，同比增加36％^[11]。
7.2 性能
　　1）奧氏體不銹鋼。向Fe－Cr合金中加Ni、Mn等面心立方晶格的元素以擴大γ區(qū)到全部消除α－Fe所形成的不銹鋼。此類鋼無磁性，由于含Ni、Cr高，其耐蝕性能好。由于熱處理時無相變，所以不能變硬，但可以通過冷加工而硬化。用Mn或N部分地代替Ni是降低此類鋼成本的有效辦法。此類鋼常稱為18－8鋼（一般為18％Cr-8％Ni、C≤0.1％），美、日鋼種牌號為300系列，典型鋼號為304，產(chǎn)量高、用途廣，具有良好的加工性能、力學(xué)性能、耐蝕性能以及焊接性能。奧氏體不銹鋼還包括節(jié)鎳型200系列鋼種。圖5為Cr-Ni系奧氏體不銹鋼的發(fā)展過程^[4]。

圖5  Cr-Ni系奧氏體不銹鋼的發(fā)展過程

　　2）鐵素體不銹鋼。由結(jié)構(gòu)為體心立方晶格的α－Fe組成，含Cr量波動于12%～30％之間，由于無相變，此類鋼不能用熱處理的方法進行強化，但可進行冷加工和退火。鐵素體不銹鋼具有耐氯化物高應(yīng)力裂紋腐蝕性能，塑性脆化轉(zhuǎn)變溫度很高。由于添加了一些其他元素發(fā)展了許多鋼號，使其應(yīng)用更加廣泛。美、日鋼種牌號為400系列。圖6為鐵素體不銹鋼的發(fā)展過程^[7]。

圖6  鐵素體不銹鋼的發(fā)展過程

　　3）馬氏體不銹鋼，向Fe-Cr合金中加入C以擴大γ區(qū)，像碳素鋼一樣使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，其Cr含量13%～18％、C含量0.1%～1％。此類鋼可以通過熱處理進行強化和提高硬度，但其耐蝕性能不如鐵素體和奧氏體不銹鋼，被廣泛用于刀具、剎車片、軸承、汽輪機葉片、結(jié)構(gòu)件及耐磨器具等。美、日鋼種牌號為400系列。
　　4）奧氏體－鐵素體不銹鋼，由奧氏體和鐵素體兩相組織組成，即在不銹鋼中，有兩種相反的力量同時作用：鐵素體形成元素不斷形成鐵素體，奧氏體形成元素不斷形成奧氏體。最終的晶體結(jié)構(gòu)取決于兩類添加元素的相對數(shù)量。Cr是一種鐵素體形成元素，所以Cr在不銹鋼晶體結(jié)構(gòu)的形成上和奧氏體形成元素之間是一種競爭關(guān)系。因為Fe和Cr都是鐵素體形成元素，所以400系列不銹鋼是完全鐵素體不銹鋼，具有磁性。在把奧氏體形成元素Ni加入到Fe-Cr不銹鋼的過程中，隨著Ni成分增加，形成的奧氏體也會逐漸增加，直至所有的鐵素體結(jié)構(gòu)都被轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體結(jié)構(gòu)，這樣就形成了300系列不銹鋼。如果僅添加一半數(shù)量的Ni，就會形成50%的鐵素體和50%的奧氏體，這種結(jié)構(gòu)被稱為雙相不銹鋼。它兼具有奧氏體和鐵素體鋼的優(yōu)點，特點是有良好的耐蝕性、耐酸性和高的強度。
　　5）沉淀硬化不銹鋼，成分與奧氏體型近似，只是含Ni量較低和添加了少量Al、Ti、Cu等元素。奧氏體不銹鋼雖耐蝕性能好，但不能通過熱處理進行強化，而馬氏體不銹鋼雖然有較高的強度，但抵抗環(huán)境侵蝕的能力較弱，為此對鐵基耐蝕合金采用了鋁基、鎂基和鎳基合金上行之有效的沉淀硬化或時效硬化方法；由于需要強度，向鋼中加了C，由此發(fā)展了以低碳馬氏體為基體進而用沉淀硬化法提高強度的合金。少量合金元素的作用是在熱處理時具有時效強化能力，能在奧氏體基體中分布著彌散強化相，形成高強系列鋼種，可以用做彈簧、墊圈、軸類、汽輪機部件，高強度容器等要求強度高、彈性好的部件。美、日鋼種牌號為600系列。
7.3 生產(chǎn)工藝
　　不銹鋼冶煉有3種方法：采用電爐一步冶煉法，目前很少采用；采用電爐或轉(zhuǎn)爐（電爐為主）與AOD（或VOD等）二步冶煉法（二次精煉），目前常用此法；三步法，即電爐+轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉（或AOD）+VOD也被用于冶煉不銹鋼。其AOD與VOD精煉不銹鋼的優(yōu)劣性比較見表2。不銹鋼連鑄，采用了泡沫陶瓷過濾器技術(shù)（用于中間包堰壩上）、中間包加熱技術(shù)、無氧化澆注技術(shù)、結(jié)晶器液面高度自動控制技術(shù)、電磁攪拌技術(shù)（結(jié)晶器內(nèi)電磁攪拌M－EMS、二次區(qū)電磁攪拌S－EMS，凝固未端電磁攪拌F－EMS）等以及薄板坯連鑄技術(shù)。熱軋板帶主要采用爐卷軋機、行星軋機、熱連軋機等。冷軋板帶主要采用4輥冷軋機、多輥冷軋機（如ZR20森吉米爾軋機）、冷連軋機等。棒、線材軋制一般選用無扭連軋機，連續(xù)退火、酸洗等。

表2  AOD與VOD精煉不銹鋼的優(yōu)劣性比較

　　用轉(zhuǎn)爐和RHOB精煉爐聯(lián)合即LD-RHOB法，精煉不銹鋼工藝分5步（見圖7）：用KR脫硫處理、轉(zhuǎn)爐熔煉、出鋼和排渣、鋼水重回轉(zhuǎn)爐熔煉、真空吹氧脫碳脫氧。

圖7  轉(zhuǎn)爐-RHOB法精煉不銹鋼過程

  不銹鋼帶材生產(chǎn)工藝流程如下：
　　1）熱軋帶鋼：電爐或轉(zhuǎn)爐－精煉爐（AOD或VOD或RH-OB）－連鑄－檢查修磨（需要時）－熱帶軋制－酸、堿洗－熱處理－熱軋帶鋼成品。
　　2）冷軋帶鋼：冷軋帶坯－連續(xù)退火和酸洗或收卷和切邊－或（冷軋－修磨）－冷軋－連續(xù)退火和酸洗或光亮退火－或（冷軋－連續(xù)退火和酸洗或光亮退火）－精軋－精整－冷軋帶成品。
7.4 鋼種的發(fā)展趨勢
7.4.1 節(jié)鎳型不銹鋼
　　Ni系不銹鋼目前占世界不銹鋼產(chǎn)量的2/3，我國占80%左右。Ni資源短缺及昂貴，Ni-Cr系不銹鋼價格隨Ni價變化而變化。因此，應(yīng)大力發(fā)展無Ni和低Ni鐵素體不銹鋼、Cr-Mn奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼。
　　Ni在不銹鋼中的主要作用在于它改變了鋼的晶體結(jié)構(gòu)。在不銹鋼中增加Ni的一個主要原因就是形成奧氏體晶體結(jié)構(gòu)，從而改善可塑性、可焊接性和韌性等不銹鋼的屬性，所以Ni被稱為奧氏體形成元素。然而，Ni并不是唯一具有此種性質(zhì)的元素。常見的奧氏體形成元素有：Ni、C、N、Mn、Cu。雖然添加Mn對于形成奧氏體并不非常有效，但是添加Mn可以使更多的N溶解到不銹鋼中，而N正是一種非常強的奧氏體形成元素。在200系列的不銹鋼中，正是用足夠的Mn和N來代替Ni形成100%的奧氏體結(jié)構(gòu)，Ni的含量越低，所需要加入的Mn和N數(shù)量就越高。例如在201型不銹鋼中，只含有4.5%的Ni，同時含有6.00%Mn、0.25%的N，這也是200系列不銹鋼的形成原理。在有些不符合標準的200系列不銹鋼中，由于不能加入足夠數(shù)量的Mn和N，為了形成100%的奧氏體結(jié)構(gòu)，人為地減少了Cr的加入量，這必然導(dǎo)致了不銹鋼抗腐蝕能力的下降。
7.4.2 超級不銹鋼
　　根據(jù)不銹鋼材料的顯微組織特點，超級不銹鋼分為超級鐵素體不銹鋼、超級奧氏體不銹鋼、超級馬氏體不銹鋼和超級雙相不銹鋼等幾個類型。
　　1）超級奧氏體不銹鋼。在普通奧氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上，通過提高合金的純度，提高有益元素（Cr、Mo）的數(shù)量，降低C含量，防止析出Cr23C6造成晶間腐蝕，獲得良好的力學(xué)性能、工藝性能和耐局部腐蝕性能，并替代了Ti穩(wěn)定化不銹鋼。
　　2）超級鐵素體不銹鋼。繼承了普通鐵素體不銹鋼強度高、抗氧化性好、抗應(yīng)力腐蝕優(yōu)良等特點，同時改善了鐵素體不銹鋼的延性—脆性轉(zhuǎn)變、對晶間腐蝕較敏感和焊態(tài)的低韌性等局限性。采用精煉技術(shù)，降低C和N含量，添加穩(wěn)定化和焊縫金屬韌化元素，可獲得高Cr、Mo且超低C、N的超級鐵素體不銹鋼，使鐵素體不銹鋼在耐腐蝕、耐氯化物的點蝕和縫隙腐蝕等應(yīng)用方面進入了一個新的階段。
　　3）超級雙相不銹鋼。該類鋼是20世紀80年代后期發(fā)展起來的，牌號主要有SAF2507、UR52N、Zeron100等，其特點是含C量低（0.01%～0.02%），含有高Mo和高N（Mo≤4%、N≤0.3%），鋼中鐵素體相含量占40%～45%，具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。
　　4）超級馬氏體不銹鋼。屬于可硬化的不銹鋼，具有高的硬度、強度和耐磨性能，但韌性和焊接性較差。普通馬氏體不銹鋼缺乏足夠的延展性，在變形過程中對應(yīng)力十分敏感，冷加工成形比較困難。通過降低含碳量，增加鎳含量，可獲得超級馬氏體不銹鋼。近年來，各國在開發(fā)低碳、低氮超級馬氏體鋼方面投入很大，研究出一批不同用途的超級馬氏體鋼。超級馬氏體鋼已在石油和天然氣開采、儲運設(shè)備、水力發(fā)電、化工及高溫紙漿生產(chǎn)設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用。
　　5）功能性不銹鋼。隨市場需求的變化，各種具有特殊用途和特殊功能的不銹鋼不斷出現(xiàn)。如新型醫(yī)用無Ni奧氏體不銹鋼材料主要為Cr-Ni奧氏體不銹鋼（如316L等），具有很好的生物相容性，含有13%～15%的Ni。Ni是一種致敏因子，且對生物體有致畸、致癌等危害。含Ni植入不銹鋼在體內(nèi)長期使用，會逐漸被破壞而釋放出Ni離子。當(dāng)Ni離子在植入人體附近組織中富集時，可誘發(fā)毒性效應(yīng)，發(fā)生細胞破壞和發(fā)炎等不良反應(yīng)。中國科學(xué)院金屬研究所開發(fā)的Cr-Mn-N型醫(yī)用無Ni奧氏體不銹鋼，經(jīng)過生物相容性試驗，性能優(yōu)于目前臨床使用的Cr-Ni奧氏體不銹鋼（316L）。再如抗菌不銹鋼，隨著人們生活水平的提高，人們對所處的環(huán)境和自身的健康越來越重視，這促進了抗菌材料的研究與開發(fā)。1980年以來，以日本為代表的發(fā)達國家在家用電器、食品包裝、日用品、洗浴設(shè)備等方面開始研究應(yīng)用抗菌材料。日新制鋼株式會社和川崎鋼鐵公司分別研究出了含Cu和含Ag抗菌不銹鋼，含Cu抗菌不銹鋼是在不銹鋼中加入0.5%～1.0%的Cu，并采取特殊熱處理，使不銹鋼自表面到內(nèi)部均勻彌散ε-Cu析出物，起到抗菌作用。這種含Cu抗菌不銹鋼適合應(yīng)用于高級廚房用具等系列產(chǎn)品以及其他要求高加工性和抗菌性等的產(chǎn)品。加Ag抗菌不銹鋼對大腸桿菌和黃色葡萄球菌等均具有很高的抗菌效果，特別是在加工研磨或者表面受磨損時，這種材料能始終保持良好的抗菌效果。
　　6）氮合金化不銹鋼。N作為合金元素加入不銹鋼中，可提高奧氏體穩(wěn)定性，平衡雙相鋼中相的比例，在不影響鋼的塑性和韌性的情況下提高鋼的強度和耐蝕性，并可部分代替不銹鋼中的Ni。在雙相鋼中，N延緩金屬間化合物彌散析出；在馬氏體鋼中，N與其他元素形成氮化物分布于晶界上，可以提高硬化能力，防止高溫回火時奧氏體、鐵素體晶粒的長大。近年來研制的高N含量的奧氏體不銹鋼，即高強無磁奧氏體不銹鋼，具有高溫強度，它將廣泛作為低溫超導(dǎo)材料、高耐蝕性和無磁性材料應(yīng)用。
7.4.3 高潔凈化不銹鋼
　　目前國內(nèi)不銹鋼廠由于夾雜物導(dǎo)致的產(chǎn)品報廢率高達20%以上。因而，不銹鋼冶煉過程中以夾雜物控制為中心的高潔凈化越來越引起人們的重視。在不銹鋼冶煉過程中，內(nèi)生夾雜物是在脫氧、合金化和鋼液結(jié)晶時產(chǎn)生的。成品的外來夾雜物是在鋼液的冶煉、澆鑄和運輸中產(chǎn)生的。為獲得高潔凈度的不銹鋼，要注意入爐原料、脫氧劑、脫氧制度、精煉和連鑄工藝制度等。

參考文獻:
　　[1] 周建男.21世紀世界特殊鋼工藝裝備技術(shù)的發(fā)展趨勢[R].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)術(shù)報告,1999.
　　[2] 周建男.鋼鐵生產(chǎn)工藝裝備新技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2004.
　　[3] 項程云.合金結(jié)構(gòu)鋼[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1999.
　　[4] 冶金部特殊鋼信息網(wǎng).國外特殊鋼生產(chǎn)技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996.
　　[5] 康喜范.特殊鋼及其長型材生產(chǎn)工藝的現(xiàn)代進展[G]//1998特鋼研討會文集.北京：中國金屬學(xué)會.
　　[6] 董瀚.先進特殊鋼及生產(chǎn)工藝技術(shù)進展[G]//2002年全國煉鋼、連鑄生產(chǎn)技術(shù)會議文集.北京：中國金屬學(xué)會.
　　[7] 崔京玉，陳京生，唐國志，等.齒輪鋼20CrMnTiH-1研究試制[G]//2005中國鋼鐵年會論文集.北京：冶金工業(yè)出版社，2005.
　　[8] 徐進，等.模具鋼[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1998.
　　[9] 鐘順思，王昌生.軸承鋼[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2000.
　　[10] 《鋼鐵材料手冊》總編輯委員會.鋼鐵材料手冊（第八卷）：彈簧鋼[M].北京：中國標準出版社，2004.
　　[11] 周建男.鋼鐵生產(chǎn)工藝流程技術(shù)與鋼鐵企業(yè)可持續(xù)發(fā)展[R]//2008中國鋼鐵市場形勢與企業(yè)可發(fā)展戰(zhàn)略研討會報告.中國經(jīng)濟導(dǎo)報社主辦，2008.