國內(nèi)鑄造不銹鋼的應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)鑄造不銹鋼的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，我國鋼紡織業(yè)快速發(fā)展。由于我國勞動力價格便宜,鑄件成本低,加之我國不銹鋼鑄造技術(shù)已有長足進步,可滿足用戶對鑄件質(zhì)量的基本要求,越來越多的國外不銹鋼鑄件用戶到中國來訂貨。在廣東、福建、浙江、江蘇、山東等地,出現(xiàn)了很多以生產(chǎn)出口不銹鋼鑄件為主的基地,每個生產(chǎn)集中地,常有多達數(shù)十家規(guī)模不等的企業(yè)。同時,隨著經(jīng)濟迅速發(fā)展,國內(nèi)不銹鋼需求市場也在擴大,促進了不銹鋼鑄造整體水平提高。目前我國不銹鋼的生產(chǎn)已達相當(dāng)規(guī)模,可生產(chǎn)各類各牌號和各種大小的不銹鋼鑄件。但就質(zhì)量而言,由于受裝備、工藝、原材料、人員素質(zhì)及管理水平等因素影響,整體上離國際先進水平存在一定差距,能生產(chǎn)高質(zhì)量復(fù)雜鑄件的企業(yè)還是少數(shù)。1當(dāng)前的德國應(yīng)用技術(shù)1.1碳量與碳量的關(guān)系我國不銹鋼鑄件中,各牌號不銹鋼都有生產(chǎn),生產(chǎn)最多的是奧氏體不銹鋼,其中以ZG1Cr18Ni9和ZG1Cr18Ni9Ti最多,其次是ZG1Cr18Ni12Mo2Ti。與發(fā)達國家相比,我國不銹鋼含碳量較高(表1)。美國常用鑄造奧氏體不銹鋼為CF-8(304)、CF-3(304L)和CF-8M(316)及CF-3M(316L)。碳含量(%)分別小于0.08、0.03、0.08和0.03,低于我國三個牌號不銹鋼的C≤0.12%的要求。雖然國標(biāo)中有低碳量的牌號如ZG0Cr18Ni9、ZG0Cr18Ni9Ti及ZG0Cr18Ni12Mo2Ti,但生產(chǎn)量少,超低碳量的牌號ZG00Cr18Ni10則生產(chǎn)更少。造成這種情況的原因在于絕大多數(shù)不銹鋼鑄造廠不具備獨立生產(chǎn)低碳和超低碳不銹鋼的能力,少數(shù)廠家雖然有能力生產(chǎn)低碳或超低碳不銹鋼,也因生產(chǎn)量與批量等方面的原因造成生產(chǎn)低碳不銹鋼的成本遠高于普通碳量的不銹鋼。在發(fā)達國家,鑄造廠家大多采用由大鋼廠提供的低碳和超低碳不銹鋼料重熔來生產(chǎn),因而低碳或超低碳不銹鋼鑄件生產(chǎn)成本與普通碳量的不銹鋼鑄件相比并沒有太大增加。不銹鋼耐蝕性與碳量直接相關(guān),特別是奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕傾向更受碳量直接影響,因此低碳和超低碳不銹鋼的耐蝕性能明顯好于普通碳量的不銹鋼。同時,由于碳量下降,在低碳,特別是超低碳牌號不銹鋼中一般不用加鈦進行穩(wěn)定化,也可減少或消除由于加鈦造成的鈦的氧化物、碳化鈦、氮化鈦夾雜。我國沿海省分有相當(dāng)多的中小型不銹鋼生產(chǎn)企業(yè)以生產(chǎn)出口不銹鋼鑄件為主,由于國內(nèi)低碳和超低碳不銹鋼原料很少,企業(yè)本身不具備爐外精煉設(shè)施,所以生產(chǎn)的不銹鋼鑄件的實際含碳量通常達不到低碳和超低碳水平。鑄件內(nèi)在質(zhì)量達不到發(fā)達國家同類鑄件水平。1.2反滲透膜介質(zhì)的選擇鐵素體不銹鋼含鉻量一般為12%～30%,含碳量大多低于0.12%。在高鉻(Cr≥16%)鐵素體不銹鋼中常含有1%～4%的鉬,以改善耐非氧化性介質(zhì)和耐點蝕、縫隙腐蝕等性能。我國鐵素體不銹鋼的牌號為ZG1Cr17和ZG1Cr19Mo2。鐵素體不銹鋼具有良好的耐蝕性能,特別是對氧化性介質(zhì)。鐵素體不銹鋼鉻含量較高而鎳當(dāng)量較低,成本上低于鉻鎳奧氏體不銹鋼。由于鐵素體組織對碳的固溶能力低,除超低碳鋼種外,一般在鐵素體組織中均會有一定數(shù)量的碳化物析出,影響鋼的抗點蝕性能。同時鐵素體不銹鋼還有鑄態(tài)晶粒粗大而又不能通過熱處理細化、韌脆性轉(zhuǎn)變溫度高、σ相及475℃脆性等問題,鋼的沖擊韌性很低,不能用于受力較大的耐蝕構(gòu)件。因此在我國應(yīng)用不多。鐵素體不銹鋼的這些問題主要是由間隙原子造成的,其中主要是碳和氮。隨著精煉技術(shù)發(fā)展,這些問題已可解決。國外多采用VOD或AOD精煉降低鋼的碳量至0.03%甚至0.01%以下,并用加鈦或鈮穩(wěn)定化的方法固定多余碳,消除了碳化物析出降低耐蝕性的問題。同時通過精煉后鋼中的氮量也降至極低,避免了碳、氮在晶界的偏聚造成的脆性,鋼的韌性可以達到很高水平。這樣鐵素體不銹鋼就有很廣闊的應(yīng)用前景。我國有關(guān)這方面的研究和應(yīng)用的報道還很少見。1.3力學(xué)性能分析奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼是指在奧氏體基體中存在一定量的鐵素體組織的一類不銹鋼。雙相不銹鋼有以下三個顯著特點。(1)有遠高于奧氏體不銹鋼的屈服強度,性能可以通過改變組織中的鐵素體量加以調(diào)節(jié)。有文獻報道了國外一種Zeron牌號(C≤0.03%、24%～26%Cr、5%～8%Mo、3%～4%Ni、0.2%～0.3%N、0.5%～1%Cu、0.5%～1%W)的鑄造雙相不銹鋼與鑄造奧氏體不銹鋼CF-8M及相對應(yīng)的變形合金AISI316的力學(xué)性能對比(見表2),屈服強度約為奧氏體鋼的2倍。(2)有良好抗蝕能力,特別是抗應(yīng)力腐蝕開裂能力超過奧氏體不銹鋼。雙相不銹鋼常含一定量的硅、鉬或氮,所以一般具有很高耐點蝕性能。雙相不銹鋼對晶間腐蝕的敏感性也小于奧氏體鋼,這是由于雙相鋼在經(jīng)受敏化加熱時,碳化物優(yōu)先析出在δ/γ相界的δ相一側(cè),由此產(chǎn)生的貧鉻可以較快地從高鉻鐵素體內(nèi)部通過擴散得到補充。如果雙相鋼中的鐵素體呈連續(xù)網(wǎng)狀分布,則抗晶間腐蝕能力差。雙相鋼中碳化物析出傾向大于奧氏體不銹鋼,低碳或超低碳含量的雙相鋼耐蝕性明顯高于普通碳量雙相鋼。(3)雙相不銹鋼含鎳量較低,可使用一定量氮代替鎳,成本上有較大優(yōu)勢。雙相不銹鋼有鉻鎳型和鉻錳氮型兩大類。我國鑄造雙相鋼有兩個牌號,即ZG1Cr17Mn9Ni4Mo3Cu2N和ZG1Cr18Mn13Mo2CuN,均為節(jié)鎳的鉻錳氮型。與國外相比,一是碳量較高影響耐蝕性能;二是錳量較高影響工藝性能。我國鑄造雙相鋼成本較低,性能方面有差距。應(yīng)在積極擴大鑄造雙相不銹鋼應(yīng)用的同時,大力發(fā)展性能更高的低碳鉻鎳型雙相鋼。1.4沉淀硬化型不銹鋼馬氏體不銹鋼有很高力學(xué)性能,特別是抗拉強度,同時具備一定耐蝕性能,因此多用于受力較大或承受磨損,同時環(huán)境介質(zhì)有一定腐蝕性的場合。鉻13系列馬氏體不銹鋼價格較低,有優(yōu)良力學(xué)性能,我國有較廣泛生產(chǎn)和應(yīng)用。這類不銹鋼耐蝕性相對較低,在強腐蝕介質(zhì)作用下耐蝕性顯得不夠。對這類不銹鋼可通過降低碳含量提高耐蝕性,由于碳量下降造成的鎳當(dāng)量下降則通過添加一定量鎳來補償,可實現(xiàn)在保持高強度的同時提高耐蝕性。由于碳量降低可焊性提高,特別適于受力大、耐磨蝕的工作場合。目前這種低碳馬氏體鋼作為鑄造鋼種在我國的應(yīng)用還不廣泛。沉淀硬化型不銹鋼也是馬氏體鋼的一種,在我國ZG0Cr17Ni4Cu4Nb為典型代表。這類不銹鋼具有很高強度并保持一定韌性,同時具有很高耐蝕性和耐磨性能。我國多年前已能生產(chǎn)這種高性能不銹鋼。這種高性能不銹鋼對雜質(zhì)元素含量及夾雜物水平較敏感,生產(chǎn)這種鋼對精煉技術(shù)和設(shè)備的要求較高,經(jīng)電渣熔鑄的鑄件性能遠高于用普通方法生產(chǎn)的鑄件水平。目前主要用于航空工業(yè)、軍工產(chǎn)品或一些重要民用產(chǎn)品。2新鉻的研究和開發(fā)2.1用鑄造不銹鋼方面的應(yīng)用隨著石油、化工等行業(yè)的飛速發(fā)展,加之其它化學(xué)加工工業(yè)新工藝和新型催化劑的采用,加劇了工藝介質(zhì)對材料的腐蝕,通用的不銹鋼已難以滿足需求。近年來國內(nèi)外許多單位針對特定的腐蝕介質(zhì)致力于開發(fā)專用的不銹鋼,以期達到更好的使用效果。大連理工大學(xué)與大連耐酸泵廠在開發(fā)專用鑄造不銹鋼方面做了很多工作[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17],開發(fā)了多種硅、鉬不同含量的奧氏體和奧氏體-鐵素體雙相鑄造不銹鋼(表3),應(yīng)用于高溫濃硫酸、稀硫酸、鹽酸、硝酸、堿及磨損腐蝕等場合取得較好效果。與國外專用鋼相比,或降低了成本或提高了耐蝕性能。中國科學(xué)院金屬腐蝕與防護所開發(fā)的FS-1耐硫酸不銹鋼在不同濃度硫酸中具有良好耐蝕性能,已成功用于硫酸工業(yè)的多種耐蝕零部件。在高溫濃硫酸介質(zhì)中的應(yīng)用表明,耐蝕性與美國鎳基合金Lewmet相當(dāng),合金價格僅為Lewmet合金的31%,且易于生產(chǎn)。上海材料研究所在國家“七五”科技攻關(guān)計劃支持下,在316不銹鋼基礎(chǔ)上通過提高鉬含量和加入其它微量元素,成功開發(fā)的C15不銹鋼,在海水和氯離子介質(zhì)中具有很高耐蝕性,達到美國著名AL-6X(00Cr20Ni25Mo6)水平,成本較低,易于生產(chǎn)。2.2不銹鋼的開發(fā)華中理工大學(xué)針對近海船舶螺旋槳開發(fā)了用于海洋環(huán)境的可鑄態(tài)使用的奧氏體不銹鋼。在近海海域航行的大量船舶,由于受污染海水的特種腐蝕和淺海海底泥砂的沖刷磨損,船舶螺旋槳不僅要有高機械強度和表面硬度,而且要有優(yōu)異的耐蝕性。由于不銹鋼的高溫?zé)崽幚沓３孤菪龢墓ぷ髑娈a(chǎn)生變形,因此可在鑄態(tài)使用的不銹鋼的開發(fā)有著特殊意義?？稍阼T態(tài)使用的不銹鋼是在CF-12M基礎(chǔ)上,通過加入復(fù)合精煉劑和一定量釩進行變質(zhì)處理實現(xiàn)的。研究表明,釩能抑制鑄態(tài)組織中碳化物在晶界析出,抑制鑄態(tài)馬氏體組織形成,從而大幅度提高不銹鋼的鑄態(tài)力學(xué)性能和耐蝕性。從表4可以看到,經(jīng)變質(zhì)處理的鑄態(tài)不銹鋼力學(xué)性能(除硬度)和耐蝕性明顯高于未經(jīng)變質(zhì)處理的鑄態(tài)不銹鋼,與經(jīng)固溶化處理的不銹鋼相當(dāng)。2.3復(fù)合改性不銹鋼液我國是稀土資源大國,稀土應(yīng)用研究具有世界先進水平。與在其它鋼鐵中應(yīng)用比,稀土在不銹鋼中應(yīng)用的研究較少?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明,稀土在不銹鋼中同樣有著廣闊的前景。華中理工大學(xué)研究了一種稀土復(fù)合精煉劑,精煉劑中的稀土等組元與氧、硫等雜質(zhì)有很強親和力,加入鋼液后能與鋼中氧、硫、氧化鋁、鋁硅酸鹽及氮化鈦等雜質(zhì)作用形成復(fù)合夾雜物,利于消除鋼中上述雜質(zhì)對鋼性能的影響。精煉劑中的鎂在鋼液內(nèi)形成細小氣泡吸附于上述復(fù)合夾雜物上,促進夾雜物上浮排出。用它處理不銹鋼液,可顯著減少鋼中非金屬夾雜物數(shù)量,殘存的小尺寸非金屬夾雜物也轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐?從而減少非金屬夾雜物對鋼力學(xué)性能和耐蝕性的影響。經(jīng)精煉處理的ZG1Cr18Ni9Ti的力學(xué)性能,特別是沖擊韌性,遠高于國標(biāo)及美國標(biāo)準CF-8的最低性能要求(表5);耐蝕性腐蝕率為0.214～0.337mm/a,與美國金屬學(xué)會對CF-8鋼的試驗值0.25～0.35mm/a相當(dāng)。這種方法簡單實用,值得大力推廣。丁暉等人研究了稀土對鉻錳氮不銹鋼腐蝕磨損性能的影響,結(jié)果表明,加入0.02%～0.06%稀土能使鉻錳氮不銹鋼的腐蝕電位正移,維鈍電流降低,熱力學(xué)穩(wěn)定性增加,耐蝕性提高,抗晶間腐蝕和抗點蝕能力增強。同時稀土也能使鉻錳氮不銹鋼抗磨性改善。稀土加入不銹鋼中,可起到深度脫硫、脫氧,控制硫化物或其它非金屬夾雜物形態(tài)以及細化晶粒,改善鋼力學(xué)性能的作用。稀土元素還有微合金化作用,由于稀土原子在晶界偏聚并與其它元素交互作用,引起晶界結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和能量變化,影響其它元素擴散和新相成核與長大,使鋼的組織和性能改善。需指出的是,稀土在不銹鋼中溶解度不大,必須嚴格控制加入量。過量稀土將在晶界形成低熔點共晶,不僅增加了鋼的熱裂敏感性,而且會降低鋼的耐蝕性。3生產(chǎn)已達一定水平經(jīng)多年發(fā)展,我國不銹鋼鑄造的研究與生產(chǎn)已達一定水平?？深A(yù)料,今后一段時間內(nèi),我國不銹鋼鑄造仍會快速發(fā)展。主要發(fā)展方向?qū)⒓性谝韵聨追矫妗?.1耐蝕性的重要途徑碳是影響不銹鋼耐蝕性的最主要元素,不論是應(yīng)用于什么樣腐蝕介質(zhì),也不論是什么牌號的不銹鋼,從耐蝕性的角度看,碳低的總優(yōu)于碳高的。因此降低不銹鋼的含碳量是提高鋼的耐蝕性的重要途徑。對鐵素體不銹鋼及馬氏體不銹鋼,降低碳量也是改善其力學(xué)性能,特別是韌性的重要措施。正因為如此,低碳和超低碳是當(dāng)今世界各國不銹鋼發(fā)展的總體趨勢。現(xiàn)代超級不銹鋼的碳量均在0.03%以下,有的甚至要求碳量在0.015%以下。不銹鋼在精煉降碳的同時,鋼中雜質(zhì)也得以清除,這又為不銹鋼的進一步合金化打下基礎(chǔ)。我國不銹鋼的碳量總體上較高有歷史原因,隨著我國不銹鋼生產(chǎn)裝備改進和爐外精煉技術(shù)廣泛應(yīng)用,低碳和超低碳不銹鋼的生產(chǎn)會越來越多,不銹鋼鑄件的整體質(zhì)量水平會有進一步提高。3.2雙相不銹鋼的發(fā)展雙相不銹鋼具有比奧氏體不銹鋼更高的力學(xué)性能,有優(yōu)良耐蝕性,特別是抗應(yīng)力腐蝕開裂能力。雙相不銹鋼含鎳量低于奧氏體不銹鋼,生產(chǎn)成本上有較大優(yōu)勢。因此,雙相不銹鋼是近年研究發(fā)展最快的鋼種之一。在雙相不銹鋼中,含氮雙相不銹鋼的發(fā)展有特殊意義。氮不僅是強奧氏體形成元素,在不銹鋼中加入少量氮可取代大量昂貴的鎳,而且氮作為合金元素,既可提高不銹鋼的強度,改善疲勞、蠕變性能,又可明顯提高不銹鋼耐蝕性,尤其是耐點蝕和縫隙腐蝕性能。我國在發(fā)展含氮不銹鋼方面有很好基礎(chǔ),近年在雙相不銹鋼方面的研究也較活躍,性能優(yōu)良且價格低的含氮雙相不銹鋼的應(yīng)用會越來越多。3.3不銹鋼的抗沖劑在高性能超級不銹鋼發(fā)展方面,高鉬含氮不銹鋼是重要發(fā)展方向。通過在奧氏體不銹鋼中加入較高含量(6%～7%)的鉬,進一步提高不銹鋼抗點蝕、縫隙腐蝕能力,特別是在抗氯離子腐蝕性能方面十分優(yōu)異,幾乎可以和HastelloyC相媲美。其抗應(yīng)力腐蝕開裂的能力也比奧氏體不銹鋼有了極大提高。鋼中加入0.2%～0.5%氮可提高鋼的奧氏體化能力,保持鋼為全奧氏體組織,使鋼具有較高強度和令人滿意的塑性。3.4高硅不銹鋼的性能特性在不銹鋼中,硅可提高耐氯化物應(yīng)力腐蝕開裂性能、耐點蝕和縫隙腐蝕性能以及耐海水腐蝕性能。