不锈钢中合金元素的作用及其研究现状

宋菲菲

摘 要：不锈钢有着较好的可焊接性、耐腐蚀性以及容易加工的特性，在各工业部门及日常生活中已得到广泛应用。不锈钢的性能同其中的合金元素有着密切的关系。本文旨在分析不锈钢中合金元素的作用及其研究现状。

关键词：不锈钢；合金元素；作用；研究现状

不锈钢耐蚀性优良、金属质感强、美观耐用，被广泛应用于工业生产。随着航空航天事业、高端制造业的不断发展，迫切需要各种具有独特性能的新型合金的出现。与此同时，不同合金元素在不锈钢中的作用也逐渐成为研究热点。

1 不锈钢中合金元素的作用探讨

1.1 高N马氏体不锈钢

这是一种硬度和耐腐蚀性相配合的不锈钢。采用加压感应熔炼铸造法，使钢中含N为±0.5%，称为高N马氏体不锈钢，适用于制造汽车和半导体装置的轴承。

1.2 高硬度与加工性好的奥氏体

不锈钢开发高硬度与加工性能好的奥氏体不锈钢时，以国标1Cr17Ni7钢为基准，减少含C量，加入Nb，使晶粒微细化，增加由加工诱发的马氏体量，使之保持好的加工性，提高弹性和疲劳强度，适用于制造汽车发动机气管。

1.3 节能和省资源型不锈钢

1.3.1 无Mo型高耐热铁素体型

不锈钢在钢中不加入Mo，利用Cu的析出强化和Al的固溶强化，提高钢的高温强度，这是一种省资源型高耐热铁素体不锈钢，适用于制作汽车排气系统部件。

1.3.2 无Mo增Cr铁素体型

不锈钢开发无Mo增Cr铁素体型不锈钢的目的是为了取代国标0Cr18Ni9不锈钢，把Cr的含量提到21%，提高其耐腐蚀性，因而减少不锈钢的用量，节约资源。

1.3.3 无Mo增Sn铁素体型

不锈钢在含Cr（14～16）%的钢中加入 Sn，以提高其耐腐蚀性，也是一种耐蚀铁素体型不锈钢，节约了资源。省合金型高强度耐腐蚀的不锈钢在兼有高强度和耐腐蚀的不锈钢中，设法减少Ni和Mo用量，就能开发省合金型高性能的不锈钢，可用于水利、钢铁、化工、水处理、土木和海水淡化等装置和设施中。

1.3.4 特殊用途不锈钢

为了防止由强氧化性硝酸引起的晶界腐蚀就需要开发夹杂物极低的超高纯度、高耐蝕性不锈钢。

1.4 奥氏体形成元素

不锈钢中的奥氏体形成元素主要有C、N、Ni、Mn和Cu等。碳和氮都是强烈形成并稳定奥氏体的元素，碳氮元素容易与其它合金元素以碳、 氮化物的形式析出，所以碳氮含量的增加，会使得不锈钢的强度提高，但是冲击韧性下降，韧脆转变温度上升。研究了碳含量对热轧低碳12Cr-Ni不锈钢的组织及性能的影响。研究发现，随着含碳量由0.004%增加到0.034%，不锈钢的强度、硬度增加，伸长率和冲击韧性下降。当含碳量为0.004%时，冲击韧性最好。另外，碳元素的存在，过饱和的碳将以碳化物形式析出，造成临近区域贫铬，使得奥氏体不锈钢具有较高的晶间腐蚀敏感性。氮在不锈钢中的普遍且大量应用是近十多年不锈钢材料领域最重大的发展。氮在铁素体不锈钢中是有害的，它会提高铁素体不锈钢的脆性转变温度。氮元素在奥氏体不锈钢中可以部分替代镍元素以节约镍，同时起到固溶强化的作用，可显著提高奥氏体和不锈钢的室温和高温强度。氮还可以起到提高奥氏体不锈钢耐腐蚀性能。郎宇平研究发现，氮和适量的铬、钼结合，可以显著提高奥氏体不锈钢的耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀的能力。且随氮含量增加，奥氏体不锈钢耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀能力也增加。然而当钢中含氮量超过某一定量，将对不锈钢的性能产生某些不良影响，例如对奥氏体不锈钢而言，氮含量超过0.12%～0.15%时，钢的冷、热加工性和冷成型性能将有所下降，所以研究氮含量对不锈钢性能的影响也是重要研究方向之一。

在不锈钢中加入一定数量的铜可改善钢的耐蚀性、力学性能、冷成形性能和切削加工性能。另外，铜的添加还能增加不锈钢的抗菌性能，317L不锈钢、317L-Cu（4.5%）和 Ti-6Al-4三种材料在植入过程中的抗菌能力进行了研究。结果表明，317L-Cu（4.5%）的体内、体外抗菌性和生物相容性强，可作为生物材料以减少植入物相关感染，富铜的金属间化合物的弥散析出，是不锈钢获得表面抗菌性的原因。铜元素添加的不利一面是随钢中含铜量的增加，不锈钢的热塑性降低，从而会影响钢的热加工性能。

2 不锈钢发展展望

通过科研工作者多年来对不锈钢冶炼过程成分设计、析出相控制、铁素体/奥氏体比例和形貌研究，使不锈钢的腐蚀性能和力学性能有了长足的改善，部分性能优于奥氏体和铁素体不锈钢。而且不锈钢是一种资源节约型的高性能的不锈钢产品，它的生产和应用符合不锈钢未来发展的方向。从国际上看，不锈钢的发展在生产工艺、推广应用等方面都取得了更多的经验和更大的成就，多种不锈钢牌号已经研制成功，并得到很好的应用；从国内来看，不锈钢的发展也在迎头追赶，开发的一些牌号都有了成功的应用，出现了良好的范例。可以预料，随着不锈钢的性能继续优化，生产质量进一步挺高，使用比例在今后还会进一步扩大，逐步取代奥氏体不锈钢。

3 结语

本文编述了不锈钢合金元素的现状和作用。从构建未来美好社会、解决能源问题和地球环境问题等方面来说，不锈钢的使用和发展是不可缺的。高纯不锈钢冶炼技术和多辊连轧的开发，也是很重要的。

参考文献：

[1]郑善举等.氮元素对马氏体不锈钢组织和性能的影响[J].材料热处理学报，2017，38（01）：100-105.