不鏽鋼的使用開發和今後發展動向

不鏽鋼的使用開發和今後發展動向

 

1 鐵素體係不鏽鋼用途的擴展

      *近，日本不鏽鋼的年產量和消耗量約為300萬t~350萬t，其中一半是奧氏體係不鏽鋼SUS304。此鋼種因耐蝕性、加工性優良而用途廣泛，但對點蝕、晶間腐蝕及應力腐蝕開裂等局部腐蝕的耐蝕性不足，故在更苛刻的腐蝕環境下須使用增大Ni含量，並加入Mo的SUS316鋼。然而因Ni價上漲，故業界開發了價格更低、耐蝕性和加工性與奧氏體係不鏽鋼相近的鐵素體係不鏽鋼，從而使不含Ni或含少量Ni的鐵素體係不鏽鋼的使用日益廣泛。

      不鏽鋼被用作大型建築物的屋頂材，如用高耐蝕不鏽鋼建設了多座圓頂球場。在不鏽鋼製屋頂上，無需像在水泥屋頂上進行防水處理和在塗層鋼板屋頂上進行再塗漆處理，幾乎可以不用維修。1989年日本幕張博覽會使用了22Cr-0.8Mo不鏽鋼作屋頂材。現在大阪、西武、劄幌的圓頂建築物屋頂材則使用了耐蝕性更好的SUS447J1（30Cr-2Mo-LC，N）鋼，鐵素體係不鏽鋼的使用量一直在增加。

      鐵素體係17Cr-0.2Ti鋼和21Cr-0.4Cu-0.3Ti鋼大幅度降低了鋼中的C、N含量後，其力學性能比原來的SUS430鋼更高，特彆是後者因提高了Cr含量而具有與SUS304鋼相近的耐蝕性及加工性。由於Mo價高漲且波動頻繁，故也進行了節鉬鋼的開發，如在SUS304（18Cr-1Mo）鋼的基礎上開發了19Cr-(0.4~0.6)Cu-Nb鋼和21Cr-0.4Cu-0.3Ti鋼。這些開發鋼都增加了Cr含量，降低了C、N含量，並加入了Cu和Nb等微量元素，從而提高了鋼的耐蝕性。

      鐵素體係不鏽鋼開發的原動力是為了打破鎳資源價格高且波動大的局限，且還要保留與奧氏體係不鏽鋼相近的耐蝕性和加工性。對此，雖然增Cr加Mo有效，但Mo與Ni同為稀缺資源，故解決問題的辦法是開發*大限度降低鋼中雜質與C、N含量的高純淨不鏽鋼。這類鋼因減少了成為不鏽鋼腐蝕起點的非金屬夾雜物、碳化物的析出相及雜質元素在晶界的偏析，故提高了鋼的耐蝕性和加工性。

  2 特殊用途不鏽鋼

  2.1高純淨化與腐蝕特性

      如上所述，不鏽鋼耐蝕性的降低是因鋼中所含的非金屬夾雜物和雜質元素在晶界的偏析成為腐蝕起點的結果，故對之進行控製極為重要。*近，99.999%或者99.9999%超高純鐵表現出的優良耐蝕性及以超低碳鋼為主的IF鋼技術，都表明了不鏽鋼應向高純淨化方向發展，這對高純淨鐵素體係不鏽鋼的開發具有很大的促進作用。

      在處理核反應堆使用過的核燃料過程中，由於使用了含強氧化劑的高溫濃硝酸溶液，不鏽鋼製容器在強氧化介質中的腐蝕電位處於過鈍化電位區，從而產生了晶間腐蝕。對於腐蝕機理，有研究報告稱是P和Si在晶界的偏析造成的。Mayuzumi等人以99.9%或99.99%的高純度Fe、Cr、Ni金屬為原料，熔煉含氧60ppm~80ppm的高純淨不鏽鋼18Cr-16Ni-2Mo，並單獨或複合添加C、N、P、S及Si、Mn，以調查每種雜質對不鏽鋼鋼耐蝕性的影響。結果表明，在單獨添加C、N、P、S達100ppm的情況下，不鏽鋼在18kmol/m3 HNO3中的耐晶間腐蝕性冇有劣化。若分彆將18Cr-14Ni-1Mn-0.5Si鋼中的C、P、S控製到100ppm以下，則其耐蝕性顯著提高。進一步的研究表明，在高純淨18Cr-14Ni鋼中單獨或複合加入P、S、C時，發生了晶間腐蝕。

      由於有效利用了超高純度材料技術，可以說以上研究成果從理想狀態把握了鋼中可允許的雜質濃度範圍。就實用材料生產技術的目標而言，可將此成果作為鋼材開發的新方法而備受矚目。

 2.2 高功能化和表麵處理

     從20世紀90年代中期開始，家庭內的**及廚房·衛生器具等的**性能受到廣泛關注。除在衛生陶瓷和瓷磚上塗敷TiO2（利用太陽光和紫外線**）等受到重視外，在不鏽鋼中加入3%~4% Cu，彌散均勻分布的富Cu析出相使不鏽鋼具有**效果。另外，向不鏽鋼中加Ag的**產品已經問世，而且將**性金屬·合金塗敷·塗鍍在鋼材表麵發揮**作用的產品也已上市。研究和實踐表明：因**種類的不同，上述產品的**效果也有差異，但可以確認即使Cr、Ti、Al、Ag有明確的**作用，Zn、Mn、Ni、Cu、Co等金屬粉末也均有顯著的**效果。雖然**作用會逐步衰減，但作為對食品無害且環境負荷小的**手段，一直在研究和討論之中。

      除了增強耐蝕性和設計性之外，進行著色、黑化等表麵處理和塗漆的不鏽鋼並不多。*近，有不少家電產品有效利用不鏽鋼的金屬光澤，在其表麵塗敷了2μm~15μm的透明漆，使之具有優良的設計性和耐指紋性。

      氫燃料電池的開發·實用化使人類擺脫對化石燃料的依賴成為可能，因此寄予厚望。目前在實用化的高分子電解質燃料電池上，由於各單位元件電動勢小，故將多數單位元件堆積構成使用。為了對各元件的氣體（H2、O2、H2O）進行分離，由於原來采用的石墨分離器加工性低且增大了電池的體積和質量，故現在使用了加工性能高的不鏽鋼作為隔板材料而大幅度減小電池體積和質量。然而在電池啟動和停止時，不鏽鋼會產生腐蝕和其純態皮膜的接觸電阻增大等問題。因為不鏽鋼的腐蝕而溶解的Fe、Cr、N等離子使作為電解質的高分子膜和觸媒Pt（即催化劑）大幅度劣化。

     2004年有研究報告稱，通過向鋼材中加入N且儘可能不增加其中的Cr、Ni、Mo等合金元素含量，開發了在海水中發生局部腐蝕少的耐海水腐蝕不鏽鋼。即利用N2*大壓力為5MPa的加壓式電渣重熔裝置，通過對不鏽鋼的重熔·凝固而實現鋼材的純淨化和使N在鋼中固溶，從而開發了23Cr-4Ni-2Mo-1N的γ單相不鏽鋼。這類高氮不鏽鋼（N含量高達10000ppm）既有優良的機械加工特性，又在夏比衝擊試驗中顯示出可低到-50℃的延性-脆性轉變溫度等特異性能；而且由於2%Mo和1%N的同時加入使鋼在海水環境下完全冇有產生間隙腐蝕，因此該高氮鋼的耐海水腐蝕性顯著。儘管已知固溶於不鏽鋼中的N能抑製點蝕的發生，但從X射線電子法的解析可知，N富集在鈍態皮膜和母相界麵附近，在腐蝕過程中形成了NH4+離子，從而阻止了局部pH值的下降。

  2.3 汽車和不鏽鋼

       自20世紀70年代以來，由於製定了汽車尾氣排放規則及對規則的強化，從而要求大幅度減排CO、HC、NOx等有害氣體。燃油在發動機中燃燒而產生的大氣汙染物，經觸媒氧化·還原反應可將CO、HC、NOx轉化為CO2、H2O、N2等排入大氣。

      由於距離汽車引擎越遠的部件所接觸的廢氣溫度越低，故對不同位置部件的耐氧化性·耐蝕性要求也不同。例如在引擎的正下方，排出的廢氣溫度*高達800℃~1000℃，就要求該位置部件須有耐高溫氧化性·耐高溫強度和耐高溫疲勞強度；在距引擎遠的位置，因溫度下降導致H2O汽凝結從而引發濕氣腐蝕。由於不同部位所處的環境和對材料性能的要求不同，故應分彆使用不同的不鏽鋼和耐熱鋼。特彆是在觸媒轉換器上的環境溫度≥1000℃，還需要儘可能大的麵積接觸廢氣以提高觸媒轉換效率，故必須提高材料的耐久性。為了加快觸媒活性的開始時間，也可將轉換器從車內地板下移至排氣歧管附近，從而將歧管與轉換器一體化。汽車排氣係統用的觸媒有Pt、Rh、Pd等，觸媒載體是不鏽鋼箔，原來一直使用陶瓷材料，現在改為厚度為50μm的19Cr-7.5Al不鏽鋼蜂巢材，在提高材料耐高溫氧化特性的同時，增加了轉換器的數值孔徑，從而減輕了施加在引擎輸出功率上的負擔。

      不鏽鋼在汽車行業用量的增加，是與家用轎車使用周期的延長相對應的。鑒於汽車行業的成本要求，今後不鏽鋼在汽車上的應用可能不會太多，但滿足用戶需求的研發措施不會停止，並期待在其他領域得到發展。

  3 、不鏽鋼的使用開發和今後發展動向

今後發展方向

      由於現在仍大量使用奧氏體係不鏽鋼，故不可避免的使用鎳資源，造成其價格上漲、資源短缺等問題，為此開發了代用材料。*近，鐵素體係不鏽鋼的高純淨化及與使用環境關係的研究整理指明了轉換替代奧氏體係不鏽鋼的方向。要想找到替代Ni的奧氏體穩定化元素並不容易。如上所述N也是奧氏體穩定化元素，研究表明，在23Cr-2Mo-Fe係中加N至1.3%以上時，即使不加Ni也可使鋼變成單相奧氏體。雖然因工藝和設備問題生產率較低、成本較高，但這一發現指出了解決此技術的一個關鍵方向。

     除高溫耐氧化性外，不鏽鋼的*大特點在於其鈍態皮膜的化學穩定性和優良的再鈍化性。關於不鏽鋼鈍態皮膜，已有人歸納了迄今為止的研究成果，查明了皮膜厚度、組成、半導體特性、耐點蝕等特性，但仍有皮膜原子水平的不均勻性、皮膜構成元素的作用、考慮了鈍化過程的中間域及表麵電子狀態的鈍化機理等課題需查明。對這些課題進行深入研究，即可為不鏽鋼的開發與生產開辟新的道路。