無錫不銹鋼的使用和發展方向
時間：2019-06-13
作者：無錫不銹鋼板
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無錫不銹鋼的使用、開發狀況和發展方向
(1) 鐵素體不銹鋼的應用不斷擴大
近年來，無錫不銹鋼產量和消費量約為300萬t/a～350萬t/a，其中約一半是奧氏體不銹鋼SUS304。但是SUS304對局部腐蝕的耐蝕性不足，因此在更苛刻的環境下，就使用SUS316鋼（增加 Ni含量并添加Mo）。然而由于Ni價高漲，所以開發了價格更低且耐蝕性和加工性與奧氏體不銹鋼相同的鐵素體不銹鋼，使無Ni或少Ni的鐵素體不銹鋼得到廣泛利用。如日本將鐵素體不銹鋼用于大型建筑物的屋頂用材，建造了許多不銹鋼半球狀拱形屋頂球場。
17Cr-0.2Ti鋼和21Cr-0.4Cu-0.3Ti鋼是大幅降低C、N含量的鐵素體不銹鋼，其力學性能比傳統SUS430鋼顯著提高。為避免Mo價不穩定的影響，還開發出節Mo鋼種，如19Cr-0.4～0.6Cu-Nb系列鋼種和上述21Cr-0.4Cu-0.3Ti。這些鋼種都是通過增加Cr含量，降低C、N含量，并添加Cu和Nb來提高鋼的耐蝕性。
雖然增加Cr含量并添加Mo有利于提高鋼的耐蝕性和加工性，但Mo與Ni一樣也有資源緊缺的問題。解決的途徑是最大限度地減少鋼中不純物并降低C、N含量。減少作為腐蝕源的非金屬夾雜物、析出碳化物和不純物的偏析，同時可提高鋼的耐蝕性和加工性。
(2) 特殊用途的無錫不銹鋼
無錫不銹鋼的高純度化和腐蝕特性
控制非金屬夾雜物和不純物偏析對提高不銹鋼耐蝕性非常重要。超低碳IF鋼的生產技術已經為不銹鋼的高純度化指明了方向，對高純度鐵素體不銹鋼的開發有很大促進作用。
Mayuzumi等人以99.9%和99.99%的高純度Fe、Cr、Ni等為原料用冷坩堝法脫氧，熔煉出幾十公斤的不純物濃度小于10ppm，氧含量為60ppm～80ppm的高純度不銹鋼（18Cr-16Ni-2Mo）。通過在鋼中單獨添加或復合添加C、N、P、S、Si、Mn合金，研究在13kmol/m3 HNO3溶液中不純物對鋼的耐晶間腐蝕性的影響。結果表明，單獨添加C、N、P、S到100ppm并不會使鋼的耐晶間腐蝕性下降，復合添加Si和P則會導致耐腐蝕性惡化。對18Cr-14Ni-1Mn-0.5Si鋼而言，如將C、P、S的添加量分別控制到100ppm以下，鋼的耐蝕性顯著提高。
在最近的超純材料技術應用中，了解到理想狀態下不純物允許的濃度范圍，在此基礎上確定出實際材料生產中不純物的濃度目標，以進行鋼材開發。這方面的實驗研究結果已引起關注。
無錫不銹鋼高功能化和表面處理
從上世紀90年代后期開始，家庭廚房用具、衛生器具的抗菌性受到關注。有報告指出在不銹鋼中添加3%～4% Cu，Cu的微細晶粒析出可產生抗菌效果，還有在不銹鋼中添加 Ag可產生抗菌性，這些抗菌不銹鋼均已產品化。另一方面，將抗菌性金屬或合金涂敷或涂鍍在鋼材表面以達到抗菌效果的制品也已商品化。兼松等人研究表明，雖然細菌種類不同殺菌效果不同，但Zn、Mn、Ni、Cu、Co等金屬粉末都具有卓越的殺菌作用，Cr、Ti、Al、Ag也有顯著的殺菌效果。雖然目前抗菌熱潮略有下降，但在食品等產業的設備、裝置方面，仍在繼續研究新的抗菌方法。
大多數不銹鋼是通過鋼材表面生成的10nm鈍化膜保持耐蝕性的，并且由于鈍化膜具有很好的自動修復功能，所以鈍化膜能在長時間內穩定地保持其鈍化狀態。因此，對于不銹鋼來說，除了為發揮其金屬光澤而進行的拋光處理以外，表面未經拋光的無光澤不銹鋼的使用也很多，而除了為增加耐蝕性和提高裝飾性以外，進行表面處理和涂裝的不銹鋼并不多。
最近，許多家電（如電冰箱、電飯鍋等）設計采用有金屬光澤的不銹鋼。這種設計大多采用表面涂敷2靘～15靘透明涂層的不銹鋼，以滿足裝飾性和耐指紋性的要求。
氫燃料電池的開發和實用化將成為非化石能源利用的有效手段。目前最接近實用化的高分子電解質燃料電池中，單位組元的發電量很小，所以將大量組元疊加，分離各組元的氣體（氫氣、氧氣、水蒸氣）。過去用石墨作為分離器，但由于石墨很脆，加工性低差，使電池整個體積和重量都很大。現將不銹鋼作分離器，使分離器的厚度大大減少，從而大幅減小電池的體積和重量。存在的問題是在電池啟動和關閉時不銹鋼發生腐蝕以及不銹鋼鈍化膜導致接觸電阻增加。不銹鋼腐蝕產生的Fe、Cr、Ni離子會嚴重惡化電池中電解質高分子膜和觸媒載體Pt的功能。
最近有人提出將 Au等貴金屬鍍在不銹鋼表面，該方法被確認可防腐蝕和降低接觸電阻，但成本太高，仍需進一步改進。
片田等人開發出盡量不增加Cr、Ni、Mo等合金元素量，而是添加N來提高耐海水局部腐蝕的不銹鋼。該研究用N2最大壓力為5MPa的電渣重熔爐對不銹鋼進行重熔－凝固使鋼潔凈化并向鋼中溶入N，制出單相閭宓牟恍飧?23Cr-4Ni-2Mo-1N。這種高N不銹鋼具有良好的機械加工性，同時還展現出-50℃夏比沖擊脆性轉變溫度的特殊力學性能。在耐海水腐蝕方面，N和Mo的復合效果非常顯著，同時在海水中添加2%Mo和1%N，完全不發生間隙腐蝕。固溶在不銹鋼中的N可以抑制孔蝕。根據X射線電子光譜法的分析結果，N在不銹鋼鈍化膜和鋼基體之間的界面上產生集聚，在腐蝕過程中形成NH4+離子，阻止了局部區域pH值的降低。
無錫不銹鋼的高純度化和對不純物的控制，不僅可以提高鋼的力學性能，也是提高抗間隙腐蝕的有效方法。從實用角度來說，并不需要對所有不純物都進行控制，可以選定為滿足性能（耐候性，力學性能等）要求而必須控制的不純物，對這些不純物的允許濃度進行控制。
汽車用無錫不銹鋼
由于離發動機越遠，廢氣的溫度越低，所以對汽車排氣系統中不同位置的部件要求的抗氧化性和耐蝕性也不同。最靠近發動機處的廢氣溫度最高，達到800℃～1000℃，對該部位的排氣部件要求具有抗高溫氧化性、一定的高溫強度和高溫疲勞強度；而在距發動機較遠位置的部件會發生水的凝結引起的露點腐蝕。目前，在排氣系統內分別使用不同的不銹鋼和耐熱鋼。其中觸媒轉換器在1000℃以上工作，且通過擴大與廢氣的接觸面積來提高觸媒反應率，所以提高觸媒反應器的耐久性十分必要。最近，已有為提前激發觸媒活性，將觸媒反應器移到廢氣總管附近，并使廢氣總管與觸媒反應器一體化的做法。汽車排氣系統用的觸媒有Pt、Rh、Pd等，目前觸媒載體是不銹鋼箔，現在又成功開發出厚50靘的19Cr-7.5Al蜂窩狀材料，進一步提高了抗高溫氧化性，并增加了觸媒反應器的孔徑，減輕了發動機的負荷。
無錫不銹鋼在汽車用量上的增加是適應汽車更新要求和遵守環保要求的必然結果。為滿足性價比的嚴格要求，汽車用鋼制造廠已經作出了很大努力并取得顯著效果，其中包括下面將要介紹的表面處理鋼板。
(3) 無錫不銹鋼的未來發展方向
對于大量使用的奧氏體不銹鋼來說，使用Ni是不可避免的。但目前人們已認識到Ni價昂貴、價格波動大以及供給國少等問題，并開始著手Ni的儲備和替代材料的開發。用其他元素替代Ni的研究已進行了多年，但尚未取得令人滿意的成果。因此，不如發展鐵素體不銹鋼，并對鐵素體不銹鋼的使用環境進行細致規定，向鐵素體不銹鋼替代奧氏體不銹鋼的方向推進。Ni在奧氏體的穩定化和提高耐蝕性方面起著決定性作用，很難找出可以完全替代 Ni的元素。前面介紹過N也是奧氏體穩定化元素，通過計算可知，在片田等人使用的23Cr-2Mo-Fe系鋼中添加1.3%以上的N，而不添加 Ni，也能獲得單相不銹鋼。