铬锰系（200系）奥氏体不锈钢现状、发展与前景
杨长强
中国特殊钢企业协会不锈钢分会
锰是不锈钢生产的重要合金元素，在CrNi系不锈钢生产中作为脱氧元素，一般加入1.5%Mn，在Cr-Mn-Ni-N、Cr-Mn-N系不锈钢中作为重要的合金化元素，一般加入6~20%。铬系不锈钢研发始于1912年，Cr-Ni奥氏体不锈钢研发始于1913年，Cr-Mn-Ni-N不锈钢于1926年在德国首先开始研制，美国后来由于同样的原因，即战争导致镍短缺，开始以锰、氮代镍的不锈钢研究，至40年代便取得了显著成果。1955年美国钢铁协会（AISI）就将低Ni-CrMnN不锈钢AIASI201、AISI202纳入标准。1972年日本将它们（SUS201、SUS202）纳入JIS标准，苏联1972年将12Х17Г9АН4（相当AISI202）纳入标准。中国1975年将1Cr17Mn6Ni5N（相当201）和1Cr18Mn8Ni5N（相当202）纳入国标（GB）。研究发现CrMn系不锈钢有很多不可多得的特性，如1固溶处理后高的强度，2冷加工高的硬化率，高的强化系数，3无磁性（冷加工状态下极低的导磁率），4优良的耐磨性，5较小的晶间腐蚀倾向。所以CrMn系不断得到改良和创新，不断开发出一系列新钢种，这就形成CrMnN不锈钢与AISI300（CrNi系）并列的AISI200（CrMn系）不锈钢。2002年美国ASTM不锈钢标准中CrNi300系有77个标准牌号，CrMn200系有22个牌号，如加上企业牌号将超过30个。中国特殊钢企业协会2003年12月发布《Cr-Mn系不锈钢厚板、薄板和钢带技术规范》中纳入16个牌号。CrMn系不锈钢已不完全是节镍概念上的钢种，而是发展一系列具有CrMn系不锈钢特有优异性能的材料。2003年全世界CrMn系不锈钢产量达到不锈钢总量的7.5%，2004年产量占世界不锈钢总产量的9%，已达230万吨，2007年中国CrMn系不锈钢产量为117.8万吨，占中国不锈钢总产量的16.35%。CrMn系不锈钢市场扩大，中心已转移到印度和中国。
一、200系不锈钢的概况
1、 钢种和化学成分
200系早期开发是以锰、氮代镍，代替18-8型铬镍奥氏体不锈钢。18-8型Cr-Ni不锈钢301、302、304（包括321）占不锈钢总产量50%以上。这些钢种耐蚀性、机械性能、高低温性能、工艺性能、装饰性等综合性能极佳，广泛应用于民用到军用的各领域，民用的建筑装饰。家用电器，厨房设备和器皿，交通运输，环境保护，市政建设；军工的航空，航天，核工业，舰船；工业领域的化工、化肥，石油，纺织，印刷，造纸，能源。表1列出了AISI200系列标准含锰奥氏体不锈钢。早期研究了节镍耐蚀的201，202，204，205，206也就是相对应Cr-Ni系的301，302，304，305，316。接着研制211，将低碳氮、加Mn、Cu的钢种，用
表1 铬锰系（200系）奥氏体不锈钢的化学成分
|
钢号 |
元素 |
|
UNS |
ASTM |
AISI |
C |
Cr |
Mn |
Ni |
Mo |
Si |
P |
S |
N |
其他 |
|
S20100 |
201 |
201 |
≤
0.15 |
16.00
/18.00 |
5.50
/7.50 |
3.50
/5.50 |
|
≤
1.00 |
≤
0.060 |
≤
0.030 |
≤
0.25 |
|
|
S20103 |
201L |
201L |
≤
0.03 |
16.00
/18.00 |
5.50
/7.50 |
3.50
/5.50 |
|
≤
0.75 |
≤
0.045 |
≤
0.030 |
≤
0.25 |
|
|
S20153 |
201LN |
T201LN |
≤
0.03 |
16.00
/17.50 |
6.40
/7.50 |
4.00
/5.00 |
|
≤
0.75 |
≤
0.045 |
≤
0.015 |
0.10
/0.25 |
Cu≤1.00 |
|
S20161 |
|
|
≤
0.15 |
15.00
/18.00 |
4.00
/6.00 |
4.00
/6.00 |
|
3.00
/4.00 |
≤
0.040 |
≤
0.040 |
0.08
/0.20 |
|
|
S20200 |
202 |
202 |
≤
0.15 |
17.00
/19.00 |
7.50
/10.00 |
4.00
/6.00 |
|
≤
1.00 |
≤
0.060 |
≤
0.030 |
≤
0.25 |
|
|
S20300 |
XM-1 |
203EZ |
≤
0.08 |
16.00
/18.00 |
5.00
/6.50 |
5.00
/6.00 |
≤
0.5 |
≤
1.00 |
≤
0.040 |
0.18
/0.35 |
- |
Cu0.75/2.25 |
|
|
|
204 |
≤
0.08 |
17.00
/19.00 |
7.50
/10.00 |
4.00
/6.00 |
- |
≤
1.00 |
≤
0.045 |
≤
0.030 |
≤
0.25 |
|
|
|
|
204L |
≤
0.03 |
17.00
/19.00 |
7.50
/10.00 |
5.00
/7.00 |
- |
≤
1.00 |
≤
0.045 |
≤
0.030 |
≤
0.25 |
|
|
S20400 |
|
|
≤
0.03 |
15.00
/17.00 |
7.00
/9.00 |
1.50
/3.00 |
|
≤
1.00 |
≤
0.040 |
≤
0.030 |
0.15
/0.20 |
|
|
S20430 |
|
|
≤
0.15 |
15.50
/17.50 |
6.50
/9.00 |
1.50
/3.00 |
|
≤
1.00 |
≤
0.060 |
≤
0.030 |
0.05
/0.25 |
Cu2.00/4.00 |
|
S20500 |
205 |
205 |
0.12
/0.25 |
16.50
/18.00 |
14.00
/15.50 |
1.00
/1.75 |
|
≤
1.00 |
≤
0.060 |
≤
0.030 |
0.32
/0.42 |
Nb0.10/0.30 |
|
S20910 |
XM-19 |
|
≤
0.06 |
20.50
/23.50 |
4.00
/6.00 |
11.50
/13.50 |
1.50
/3.00 |
≤
1.00 |
≤
0.040 |
≤
0.030 |
0.20
/0.40 |
V0.10/0.30 |
|
S21400 |
XM-31 |
|
≤
0.12 |
17.00
/18.50 |
14.50
/16.00 |
≤
1.00 |
|
0.30
/1.00 |
≤
0.045 |
≤
0.030 |
≤
0.35 |
|
|
S21500 |
|
|
0.06
/0.15 |
14.00
/16.00 |
5.50
/7.50 |
9.00
/11.00 |
0.80
/1.20 |
0.20
/1.20 |
≤
0.040 |
≤
0.030 |
0.25
/0.50 |
Nb0.75/1.25
V0.15/0.40
B0.003/0.009 |
|
S21600 |
XM-17 |
216 |
≤
0.08 |
17.50
/22.00 |
7.50
/9.00 |
5.00
/7.00 |
2.00
/3.00 |
≤
0.75 |
≤
0.045 |
≤
0.030 |
0.25
/0.50 |
|
|
S21603 |
XM-18 |
216L |
≤
0.03 |
17.50
/22.00 |
7.50
/9.00 |
5.00
/7.00 |
|
≤
0.75 |
≤
0.045 |
≤
0.030 |
0.25
/0.50 |
|
|
S21800 |
|
|
≤
0.10 |
16.00
/18.00 |
7.00
/9.00 |
8.00
/9.00 |
|
3.50
/4.50 |
≤
0.040 |
≤
0.030 |
0.08
/0.18 |
|
|
S21900 |
XM-10 |
|
≤
0.08 |
19.00
/21.00 |
8.00
/10.00 |
5.50
/7.50 |
|
≤
1.00 |
≤
0.060 |
≤
0.030 |
0.15
/0.40 |
|
|
S21904 |
XM-11 |
|
≤
0.04 |
19.00
/21.50 |
8.00
/10.00 |
5.50
/7.50 |
|
≤
1.00 |
≤
0.060 |
≤
0.030 |
0.20
/0.40 |
|
|
S24000 |
XM-29 |
|
≤
0.08 |
17.00
/19.00 |
11.50
/14.50 |
2.25
/3.75 |
|
≤
1.00 |
≤
0.060 |
≤
0.030 |
0.20
/0.40 |
|
|
S24100 |
XM-28 |
|
≤
0.15 |
16.50
/19.50 |
11.00
/14.00 |
2.25
/3.75 |
|
≤
1.00 |
≤
0.060 |
≤
0.030 |
0.20
/0.45 |
|
|
S28200 |
|
|
≤
0.15 |
17.00
/19.00 |
17.00
/19.00 |
- |
0.50
/1.25 |
≤
1.00 |
≤
0.045 |
≤
0.030 |
0.40
/0.60 |
Cu0.75/1.25 |
|
|
211 |
|
≤
0.07 |
16.00
/17.00 |
5.50
/6.50 |
5.00
/6.00 |
|
0.20
/0.70 |
≤
0.040 |
≤
0.030 |
- |
Cu1.50/2.00 |
|
S21460 |
XM-14 |
|
≤0.12 |
17.00
/19.00 |
14.00
/16.00 |
5.00
/6.00 |
|
≤
0.75 |
≤
0.060 |
≤
0.030 |
0.35
/0.50 |
|
于冷加工。201L、201LN等是201的改进，解决晶间应力腐蚀问题。用作汽车、火车、地铁车厢相应构件。后来陆续发展了高强度耐蚀不锈钢S21400（XM-31）,S24000（XM-29，Nitronic33），S28200（Carpenter18-18plus），S21900（XM-11，Nitronic40），S20910（XM-19，Nitronic50）及YUS120等。XM-31、XM-11用于航空，低温系统，无磁部件。XM-11、XM-19等具有优于316的耐蚀性，用于泵、阀、紧固件、海洋用材，热交换器，弹簧等。1990年新的AISI203（XM-1，Cr17Ni5.5Mo0.25Cu2S0.25）易切削钢，AMCO公司发展S20161（Nitronic60，Cr17Ni8.5Mn8.5Si4N耐磨自润滑不锈钢也列入标准。进一步开发一些无磁高强度CrMnNiN钢。
表2列出Mn、N带Ni高强度无磁不锈钢。YUS130（C0.2Cr21Ni6Mn9N0.3）是比较高Cr、高N的材料，SUS205，NASNM15，NTKS-4等几乎是完全用Mn、N代替Ni的Cr17Mn15N0.35钢。NASNM15M为获得较好耐蚀性降低C保持一定Ni量。由于这些钢种Mn含量都在10%以上，大大增加钢中N的溶解度，因此N含量都在0.3~0.4%，固溶处理后可得到完全奥氏体组织而且十分稳定，冷作后可得到无磁高的强度。
表2 无磁CrMn系奥氏体不锈钢的化学成分
|
钢号 |
C |
Cr |
Mn |
Ni |
Si |
P |
S |
N |
|
AISI205 |
0.12/0.25 |
16.50/18.00 |
14.00/15.50 |
1.00/1.55 |
≤0.5 |
≤0.030 |
≤0.030 |
0.32/0.50 |
|
NASNM15 |
0.12/0.25 |
16.00/18.00 |
14.00/16.00 |
1.10/2.00 |
≤0.75 |
≤0.045 |
≤0.045 |
0.32/0.40 |
|
NTK S-4 |
≤0.25 |
16.00/18.00 |
14.00/16.00 |
1.00/2.00 |
≤1.00 |
≤0.060 |
≤0.030 |
≤0.50 |
|
NASNM15M |
0.040/0.090 |
16.50/17.50 |
14.00/15.00 |
4.00/4.60 |
≤0.90 |
≤0.045 |
≤0.045 |
0.30/0.35 |
|
YUS120 |
≤0.20 |
20.00/22.00 |
9.00/10.00 |
5.00/6.00 |
≤1.00 |
≤0.030 |
≤0.030 |
0.15/0.30 |
2、 物理性能和机械性能
表3列出201、202和205与对应的300系钢固溶处理状态下的物理性能，从这表可看出200系和300系物理性能没有多大差别，几乎是相当的。但是冷加工后的透磁率的变化不同，由于冷作时诱变马氏体程度不同，透磁率上升200系比300系小（图1）。
表3 201、202、205和301、302、305的物理性能
|
性能 |
201 |
202 |
205 |
301 |
302 |
305 |
|
密度（g/cm3） |
7.93 |
7.92 |
7.80 |
7.93 |
7.93 |
7.93 |
|
弹性系数（103N/mm2） |
197 |
197 |
197 |
193 |
193 |
193 |
|
线膨胀系数（10-6/℃） |
0~100℃ |
15.7 |
17.0 |
- |
17.0 |
17.2 |
17.3 |
|
0~315℃ |
17.5 |
18.4 |
17.9 |
17.2 |
17.8 |
17.9 |
|
比电阻（10-8Ω·m） |
69 |
69 |
72 |
72 |
72 |
72 |
|
比热（J/kg·℃），0~100℃ |
503 |
503 |
503 |
503 |
503 |
- |
|
热传导率（w/m·℃）,100℃ |
16.3 |
16.3 |
20.9 |
16.3 |
16.3 |
16.3 |
|
磁性 |
无 |
无 |
无 |
无 |
无 |
无 |
图1 201、202、301、302
冷加工后的透磁率 |
图2 冷加工对CrNiMn和CrNi
系不锈钢机械性能的影响 |
表4指出固溶处理状态下的机械性能，大部分200系钢中，由于含较多氮，有着比300系高的屈服强度。只有211由于低C、N，有着较低的屈服强度。包括211，S28200（18-18plus），YUS120等含Cu钢都有较高延伸率，优异冷加工性。
表4 CrMn系（200系）奥氏体不锈钢的机械性能
|
钢号 |
抗张强度
MPa |
屈服强度
MPa |
延伸率
% |
硬度
HRB |
|
UNS |
ASTM |
|
|
S20100 |
201 |
|
805 |
377 |
56 |
90 |
|
S20200 |
202 |
|
720 |
377 |
55 |
90 |
|
S20400 |
204L |
|
711 |
384 |
51 |
90 |
|
S20430 |
204 |
|
681 |
347 |
51 |
98 |
|
|
211 |
|
608 |
215 |
64 |
92 |
|
S21600 |
XM-17 |
|
741 |
425 |
51 |
94 |
|
S21603 |
XM-18 |
|
686 |
377 |
47 |
90 |
|
S21400 |
XM-31 |
Tenelon |
862 |
549 |
45 |
98 |
|
S24000 |
XM-29 |
Nitronic33 |
789 |
466 |
50 |
95 |
|
S28200 |
|
18-18plus |
858 |
480 |
62 |
94 |
|
S21904 |
XM-11 |
Nitronic40 |
773 |
448 |
42 |
95 |
|
S20910 |
XM-19 |
Nitronic50 |
830 |
446 |
46 |
98 |
|
S20103 |
201L |
|
892 |
294 |
53 |
HV190 |
|
|
301 |
|
758 |
276 |
60 |
85 |
|
|
302 |
|
621 |
276 |
50 |
85 |
|
|
304 |
|
579 |
290 |
55 |
80 |
|
|
205 |
|
831 |
476 |
58 |
98 |
|
|
Y120 |
|
784 |
290 |
56 |
HV200 |
201、202与其他200系材料不同，与301，302等一样都属于亚稳奥氏体系不锈钢，有着较大的加工硬化性。图2示出这些钢加工硬化曲线。201与301及202于302有类似的硬化特性。201，301加工硬化性大一些。从图1看出马氏体的生成量，各牌号是不同的，202，304马氏体生成的极少，加工硬化主要靠畸变。204、204L以下各钢种，加工硬化几乎都是靠畸变。
CrMnN系材料的机械性能和透磁率见表5。这些钢种固溶处理状态硬度在HV250左右，冷轧强化后强度更高，Hv可达到500，但在此状态下透磁率仍低于1.005。
表5 CrMnN不锈钢机械性能和透磁率
|
钢种 |
固溶处理 |
冷轧状态 |
|
抗张强度
MPa |
屈服强度
MPa |
延伸率
% |
硬度
Hv |
透磁率
µ |
压下率
% |
抗张强度
MPa |
屈服强度
MPa |
延伸率
% |
硬度
Hv |
透磁率
µ |
|
AISI205 |
631 |
470 |
58 |
240 |
≤1.005 |
70 |
1715 |
1421 |
4 |
500 |
≤1.005 |
|
NAS NM15 |
862 |
510 |
52 |
240 |
≤1.005 |
70 |
1715 |
1441 |
4 |
500 |
≤1.005 |
|
NTK S-4 |
862 |
598 |
51 |
275 |
≤1.005 |
70 |
1749 |
1470 |
4 |
500 |
≤1.005 |
|
NAS NM15M |
804 |
431 |
50 |
210 |
≤1.005 |
90 |
- |
- |
- |
500 |
≤1.005 |
|
YUS130 |
853 |
500 |
43 |
245 |
≤1.005 |
60 |
1764 |
- |
4 |
500 |
≤1.005 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3、 耐蚀性及其它性能
不锈钢耐蚀性一般取决于钢的组成元素，随着Cr、Mo、N等含量而改善，Mn降低耐蚀性。表6列出201，202和301，302在各种介质中的耐蚀性。在所试验的介质中，它们之间的耐蚀性基本相当，但在盐雾试验，室温65%HNO3和50%H3PO4中201、202的耐蚀性较301、302差些。所以201、202系那样低Ni钢种在酸、碱中使用仅限于稀薄的溶液，而在耐大气腐蚀上接近301、304。但是应该指出高Mn钢耐晶间腐蚀性能较Ni系要好，因为Mn提高C在钢中固溶度。图3指出202和304出现晶间腐蚀的临界碳含量，202临界碳含量为0.07%，304为0.03%。不锈钢耐点蚀性主要取决于钢中Cr、Mo、N含量，216（0Cr21Mn8.5Ni6Mo2.5N）和XM-19（0Cr22Ni13Mn6Mo2.5N）耐点蚀性优于CrNi系316（0Cr12Mi14Mo2），XM-19还有较好的抗氧化性。车辆用材料，原来使用的201，301等硬化、半硬化材料，焊后产生晶间腐蚀应力破裂，为此1990年成功提供降低碳含量的201L、201LN，解决此问题，现已在实际应用。含Mn奥氏体系不锈钢几乎都含有大量N，较300系Cr-Ni钢高温强度高（图4），抗高温氧化性比300系稍差，作为耐热钢使用，抗氧化温度为800~850℃，XM-11由于有较高Cr，抗氧化性能与304相当，使用温度为850~900℃。
表6 AISI201、202于301、302室温耐腐蚀性能对比
|
介质 |
腐蚀率 |
介质 |
腐蚀率 |
|
201 |
301 |
202 |
302 |
|
65%HNO3 |
0.0432 |
0.0381 |
65%HNO3 |
0.0459 |
0.0229 |
|
8%H2SO4+1%CuSO4 |
0.00076 |
0.00051 |
5%H2SO4 |
0.000 |
0.000 |
|
5%乳酸 |
0.00025 |
0.00025 |
50%H3PO4 |
0.0076 |
0.0025 |
|
10%乳酸 |
0.00025 |
0.00025 |
2%HCl |
0.0025 |
0.0025 |
|
60%醋酸 |
0.00025 |
0.00025 |
15%醋酸 |
0.000 |
0.000 |
|
盐雾试验 |
腐蚀面积40~60% |
无腐蚀 |
15%乳酸 |
0.000 |
0.000 |
图3 碳含量对于650℃敏化2小时
处理的材料在65%HNO3沸腾
溶液中腐蚀率的影响 |
图4 17Cr-15Mn-N钢
高温抗张强度
试验结果 |
关于200系钢的二次加工性，冲压成型性，前面已谈到，屈服强度高，稍硬一些，除了需考虑制作设备功率外，与Cr-Ni奥氏体钢具有同样的优异性能。
二、近十年我国不锈钢的发展概况
近十年我国不锈钢实现了快速发展，1998年粗钢产量仅26.35万吨，2007年达到720.6万吨，10年增长26.3倍。2006年就已经超过日本，跃居世界第一。不锈钢产能以达到1000万吨以上，而且多采用世界先进工艺技术装备。太钢新不锈钢工程建成投产，成为年产能300万吨全球最大的工艺设备最先进的不锈钢企业。宝钢年产量144万吨不锈钢工程全面建成投产，张浦、上海克虏伯、酒钢、青浦、联众都相续建成投产。大批民营资本也进入不锈钢材料生产领域，一批普遍采用电炉-炉外精炼-连铸生产的合理工艺技术的不锈钢民企成为我国不锈钢行业的一支重要力量，如福建吴航、青山集团、内蒙华业、西南不锈等。
钢种结构日趋合理。10年前我国不锈钢类基本上以奥氏体和马氏体为主，同时生产少量的上述标准CrMn（200系）不锈钢，基本上不能生产铁素体不锈钢。十年来发生了巨大的变化，2006年Cr钢（400系）生产118.6万吨，占不锈钢年产量的22.34%，CrMn钢（200系）81.1万吨，占15.3%。2007年Cr钢（400系）生产183.9万吨，占不锈钢产量25.52%，CrMn钢（200系）117.8万吨，占16.35%。Cr钢除传统的409、430外，新开发的434、436、439和444不锈钢等现代铁素体不锈钢新品已供应市场，443、445、446高Cr、高Cr、Mo铁素体不锈钢正在开发，即将进入市场。CrMn钢（200系）除传统的201、202、204、219等外，主要围绕经济性亚稳奥氏体不锈钢、高强度CrMnN不锈钢奥氏体不锈钢和超级奥氏体不锈钢进行开发。
三、铬锰系不锈钢近十年来的发展
近十几年Mn系不锈钢发展主要围绕着三个方面：1、经济性亚稳奥氏体不锈钢，2、高强度CrMnN奥氏体不锈钢，3、超级奥氏体不锈钢。
1、 经济性亚稳奥氏体不锈钢
研发的核心仍然是节镍，廉价，良好的机械性能和成形性能。表7列出各国研发的经济型CrMn系不锈钢，表8列出亚稳奥氏体不锈钢的物理性能，表9列出亚稳奥氏体不锈钢的机械性能。
表7 经济型CrMn系亚稳奥氏体不锈钢
|
钢号 |
C |
Cr |
Ni |
Mn |
Mo |
Cu |
N |
Si |
P |
S |
|
204Cu |
≤0.15 |
15.00/17.50 |
1.50/3.50 |
6.00/9.00 |
0.2 |
2.00/4.00 |
≤0.25 |
≤1.00 |
≤0.045 |
≤0.030 |
|
NTK D-7 |
≤0.12 |
16.00/18.00 |
2.00/4.00 |
5.00/7.00 |
|
1.50/3.50 |
≤0.25 |
≤1.00 |
≤0.045 |
≤0.030 |
|
NTK D-9 |
≤0.12 |
16.00/18.00 |
3.00/5.00 |
4.00/6.00 |
|
1.50/3.50 |
≤0.20 |
≤1.00 |
≤0.045 |
≤0.030 |
|
NTK D-10 |
≤0.08 |
16.00/18.00 |
4.00/6.00 |
3.00/5.00 |
|
2.00/3.00 |
0.15 |
≤1.00 |
≤0.045 |
≤0.030 |
|
204M |
≤0.15 |
15.00/17.00 |
1.50/3.50 |
6.00/9.00 |
|
|
≤0.25 |
≤1.00 |
≤0.045 |
≤0.030 |
|
J1 |
≤0.08 |
15.00/17.00 |
4.00/5.00 |
7.00/8.00 |
|
≤1.5 |
0.10 |
≤1.00 |
≤0.075 |
≤0.030 |
|
J4 |
≤0.10 |
14.00/16.00 |
0.80/1.20 |
8.50/10.00 |
|
≤2.0 |
0.20 |
≤0.75 |
≤0.075 |
≤0.030 |
表8 亚稳奥氏体不锈钢物理性能
|
钢种 |
密度
g/cm3 |
平均热膨胀系数10-6/℃ |
特定温度下的电阻
μΩ/cm |
导热率w/cm∙℃ |
比热J/g∙℃ |
弹性模量
N/mm2 |
熔点
℃ |
|
0~100℃ |
0~500℃ |
100℃ |
500℃ |
0~100℃ |
|
NTKD-7 |
7.84 |
16.9 |
18.6 |
77 |
0.15 |
0.24 |
0.53 |
198000 |
1400/1450 |
|
NTKD-10 |
7.86 |
16.9 |
18.6 |
77 |
0.15 |
0.24 |
0.53 |
198000 |
1400/1450 |
|
SUS304 |
7.93 |
17 |
18 |
72 |
0.17 |
0.21 |
0.55 |
198000 |
1400/1450 |
表9 亚稳奥氏体不锈钢机械性能
|
钢种 |
规格mm |
抗张强度MPa |
屈服强度MPa |
延伸率% |
硬度Hv |
抗弯性R=1,180° |
Er |
|
204Cu（3%Cu） |
棒φ5 |
962 |
486 |
- |
- |
- |
|
|
204Cu（2%Cu） |
棒φ5 |
1004 |
499 |
- |
- |
- |
|
|
304 |
棒φ5 |
869 |
392 |
- |
- |
- |
|
|
NTK D-7 |
板0.8 |
727 |
409 |
45 |
202 |
无裂纹 |
12.9 |
|
NTK D-10 |
板0.8 |
618 |
314 |
51 |
175 |
无裂纹 |
13.2 |
|
204M |
板1 |
839 |
488 |
53 |
- |
无裂纹 |
- |
|
304 |
板1 |
618 |
314 |
59 |
170 |
无裂纹 |
13.2 |
|
J4 |
板1 |
850 |
490 |
61 |
210 |
无裂纹 |
13.2 |
204Cu的Ni含量较304低6%，加入3%Cu，8%Mn，≤0.25N，有着与304类似的成型性，加工硬化速率和耐蚀性。棒、线材已大量取代304，供冷锻紧固件、弹簧、丝/绳、钉、护板、钢带生产。NTK D-7与204Cu基本相似。NTK D-9 、NTK D-10是在NTK D-7基础上将Ni从~3%分别增加到~4%、~5%，N从0.25%降至0.20%、0.15%，此二钢种强度略有降低，塑性稍有提高，钢的成型、耐蚀性较NTK D-7稍好。NTK D-9、NTK D-10与美国AISI211类似，多用于生产板材，适于厨房设备，电气设备，器皿，室内装饰等使用。J4的Cr降至16%以下，Ni降至1%，加入1.5%Cu，N ≤0.20%，J4固溶处理后为单一奥氏体组织，强度及加工硬化速率高于304，成型性与304相当。但是J4Cr在16%以下，Ni仅为1%，又加入9%Mn。如图5所示CrMn钢中合金元素对在1000ppmCl-、80℃溶液中点蚀电位的影响。点蚀电位与Cr+3.3Mo+30N-Mn成正比，这意味着Mn的加入降低钢的耐蚀性。图6、表10示出了J4、409、00Cr13、439、304在30℃的3.5%NaCl溶液中的点蚀电位，409的耐蚀性（点蚀电位）与409相当。较439、304差得多。因此，J4只适用于室内的装饰、室内用具，器皿，要求强度的弱腐蚀介质。204M有着优异的强度和塑性配合，特别在不同冷变形量下强度和塑性都比相对应的304高，适宜于做汽车机构部件，如空间构架，底盘和结构不见，燃料缶和冲击吸收部件。
图5 CrMnNiN奥氏体不锈钢中合金元素对点蚀电位的影响
图6 J4、409、00Cr13、439、304不锈钢
在30℃3.5%NaCl溶液中的极化曲线（击穿电位）
表10 J4、409、0Cr13、439、304在中性氯化物中耐点蚀性
|
钢号 |
化学成分 |
厂家 |
供货状态 |
试验溶液 |
点蚀电位 |
|
J4（201） |
0.090C-14.78Cr-1.01Ni-9.57Mn-1.52Cu-0.15N |
华光 |
固溶处理 |
3.5%NaCL |
26mV，49mV |
|
J4（201） |
0.079C-14.45Cr-0.98Ni-8.92Mn-1.42Cu-0.13N |
联众 |
固溶处理 |
33 mV，46 mV |
|
J4（201） |
0.080C-14.22Cr-0.82Ni-9.73Mn-1.54Cu-0.16N |
吴航 |
固溶处理 |
35 mV |
|
J4（201） |
0.082C-14.74Cr-0.90Ni-9.34Mn-1.45Cu-0.12N |
瑞田 |
固溶处理 |
20 mV |
|
J4（201） |
0.071C-14.58Cr-0.85Ni-9.60Mn-1.46Cu-0.13N |
西南 |
固溶处理 |
21 mV |
|
409 |
0.007C-10.99Cr-0.20Mn-0.50Si-0.24Ti |
宝钢 |
退火处理 |
29 mV，37 mV |
|
00Cr13 |
0.026C-13.60Cr-0.50Mn-0.50Si |
宝钢 |
退火处理 |
50 mV，60 mV，76 mV |
|
439 |
0.016C-17.32Cr-0.091Mn-0.31Si-0.15Ti |
太钢 |
退火处理 |
213 mV，216 mV |
|
304 |
0.045C-18.24Cr-8.17Ni-0.88Mn-0.24Si |
太钢 |
固溶处理 |
285 mV |
2、 高强度CrMnN奥氏体不锈钢
CrMnN不锈钢具有很多重要特性：高强度，高耐磨性，高韧性、耐蚀性、无磁性，近十年来随着冶金技术的进步，使之得到发展并已在某些工业领域应用。表11列出各国研发一些高强度CrMnN钢。
CrMnN不锈钢固溶处理和冷作后的机械性能是十分诱人的，钢的屈服强度是Cr18Ni9的2.5~3倍，而且延性不低于Cr18Ni9（表12、图7）。室温ISO-Y冲击韧性280J，冷至-80冲
表11 高强度CrMnN奥氏体不锈钢化学成分（wt%）
|
钢号 |
C |
Mn |
Cr |
Mo |
Ni |
N |
|
Cr19Mn10N0.5 |
0.08 |
10 |
19 |
- |
|
0.5 |
|
Cr18Mn18N0.5 |
0.08 |
18 |
18 |
- |
|
0.5 |
|
Cr21Mn23Mo0.7N1 |
0.08 |
23 |
21 |
0.7 |
|
1.0 |
|
Cr18Mn18N0.9 |
0.08 |
18 |
18 |
- |
|
0.9 |
|
Cr16Mn14Mo3N0.9 |
|
14 |
16 |
3 |
|
0.9 |
|
StabAlloy AG17 |
0.03 |
20 |
17 |
0.5 |
|
0.5 |
|
P553 |
0.06 |
20 |
14 |
0.5 |
|
0.3 |
|
P557 |
0.06 |
19 |
18 |
- |
1 |
0.6 |
|
P558 |
0.20 |
10 |
17 |
3.1 |
|
0.5 |
|
P559 |
0.06 |
18 |
18 |
1.9 |
|
0.8 |
|
P555 |
0.06 |
20 |
18 |
0.3 |
1 |
0.6 |
|
P560 |
0.06 |
24 |
21 |
0.3 |
2 |
0.9 |
|
P562 |
0.15 |
18 |
22 |
|
|
0.7 |
|
P563 |
0.10 |
23 |
18 |
2.5 |
4 |
0.5 |
|
表12 三种CrMnN钢固溶处理后的
机械性能 |
图7 N和冷加工对CrMnN和CrNiN
（固溶处理后晶粒50~150m）
屈服强度的影响 |
|
钢种 |
Rp0.2 |
Rm |
A |
Z |
|
0Cr19Mn10N0.5 |
550 |
900 |
50 |
65 |
|
0Cr18Mn18N0.6 |
550 |
900 |
50 |
65 |
|
0Cr21Mn23Mo0.7 |
600 |
950 |
50- |
65 |
|
|
|
|
|
|
击韧性仍有70J。CrMnN奥氏体不锈钢靠变形再结晶细化晶粒，随后冷轧，冷拔和时效，钢的屈服强度可达到3400MPa，可用作弹簧，弹簧线圈，橡胶加强丝（高压软管）。CrMnN钢有很高的加工硬化能力，磨损表面容易加工硬化，高Cr，有相当好的耐蚀性，97年南非引进了0Cr19Mn10N0.5牌号，大量用于采矿工业。电厂发电机护环要求材料，无磁、高强度、高韧性、耐蚀。以前采用Mn18Cr4C0.5，因耐蚀性、韧性满足不了要求，近十年已改换成0Cr18Mn18N0.6，0Cr18Mn18N0.9。护环环境温度≥100℃，采用了耐蚀性更好的0Cr16Mn14Mo3N0.9钢。石油钻探、勘探需要无磁钻铤。无磁钻铤是一种长的无缝厚壁管，管内装入各种仪器，要求钻铤无磁、高强度、耐蚀，表11所列钢种是具有不同强度，不同耐蚀性的无磁材料，已广泛采用，我国每年需要几千吨。
3、 超级奥氏体不锈钢
沿海电厂热交换器、海水淡化、脱盐工业，烟道脱硫等设备以往必须采用Ti合金，或Ni-Cr-Mo合金，近十年研发一些高氮的CrNiMnMoN钢可以代替价格昂贵的Ti、Ni-Cr-Mo合金。表13列出了近十几年来研发的新钢种。这些钢种都有高Cr、Mn、Mo和特别高的N，所以都有极高的强度和耐点蚀、缝隙腐蚀性能。德国合金1.4565已被选用作为排烟除硫、沿海海水淡化和脱盐装置的材料，并且被确定为我国天津海水淡化用设备首选材料。
表13 超级奥氏体不锈钢化学成分（wt%）
|
钢种 |
C |
Cr |
Ni |
Mo |
Mn |
N |
|
1.4565 |
0.02 |
24 |
18 |
4.5 |
6 |
0.5 |
|
934LN |
0.02 |
20 |
15 |
4.5 |
10 |
0.4 |
|
654SMo |
0.02 |
24 |
22 |
7.3 |
3 |
0.5 |
|
B66 |
0.02 |
24 |
22 |
5.6 |
3 |
0.5 |
四、CrMn系不锈钢发展前景
根据国内外市场的需求及我国工业发展的情况，CrMn系奥氏体不锈钢系列中的亚稳奥氏体不锈钢和特殊性能的CrMnN奥氏体不锈钢将会有较大的发展。
1、 亚稳奥氏体不锈钢
CrMn系亚稳奥氏体不锈钢有着较304不锈钢高的强度，较好的强度和韧性的配合，较好的成型性、抛光性、可焊性，廉价，但是有着比304差的耐蚀性。产品使用中出现不少问题，如在沿海或潮湿的大气中出现锈蚀，城市过街天桥、室外装饰都呈现严重锈蚀。。为了CrMn系亚稳奥氏体不锈钢进一步发展，应加强CrMn系（200系）不锈钢的试验研究，对J4的成分进行必要调整。研究各钢种的耐蚀性能，综合性能。根据使用条件、环境正确选择钢种。对号入座的在交通运输、家用电器、建筑装饰、厨房设备等领域应用。充分发挥材料特性又不超过材料耐蚀性能使用极限，欧洲生产商在2007年召开“解决生产200系问题”上提出Cr的最低标准不能低于16.5%，印度不锈钢研究人员也提出将J4钢中Cr提高至16.5%以上的意见。如果能正确选用CrMn系（200系）不锈钢，无论在生产上，设备制造上，使用效果上都会达到价廉物美。不锈钢在民生上需要量很大，只要我们能生产出价廉物美的产品，CrMn系不锈钢必然会有更好的发展。
2、 特殊性能的CrMnN奥氏体不锈钢
高氮CrMnN奥氏体不锈钢具有高的强度、韧性，高耐磨性，无磁性，耐蚀性等特性，在工业上有广泛的需要。今后在以下诸多方面会有较大的发展：1、高强度、高耐蚀性和良好低温韧性的高氮CrMnNiN钢，可为飞机、宇航和舰船提供性能优异的棒、丝、锻件、中板、薄板来制作容器、管、阀、缆线等。2、耐磨、耐蚀、高韧性高氮CrMnN奥氏体不锈钢，可为采矿工业提供耐蚀，耐磨机械设备，采掘设备用材。3、无磁、高强度、耐蚀高氮CrMnMoN奥氏体不锈钢，可为油田提供无磁钻铤，为电厂发电机提供无磁护环等4、高耐点蚀、耐缝隙腐蚀高氮CrNiMnMoN奥氏体不锈钢，可为沿海工厂海水热交换器、海水淡化设备、排烟除硫装置提供优异材料。 |
