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【摘要】本文通过对现有铁素体不锈钢的性能和成分进行分析，限制其应用的主要问题在于其后期加工过程，为了改善现有铁素体不锈钢的加工性能，研制一种新型的铁素体不锈钢使其应用范围更广。
中图分类号：TF764+.1 文献标识码：A 文章编号：
1前言
铁素体不锈钢系[1]指铬含量在11%-30%，具有体心立方晶体结构，在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢。铁素体不锈钢可根据钢中铬含量的不同大致分为：Cr11%-15%，Cr16%-20%和Cr21%-30%三类。铁素体不锈钢除具有不锈性和耐一般腐蚀性能外，其耐氯化物应力腐蚀、耐点蚀、耐缝隙腐蚀等局部腐蚀性能优良是此类钢耐蚀性方面的主要特点。与用量最大的Cr-Ni奥氏体不锈钢相比，铁素体不锈钢不含镍或含少量镍，因而是节镍不锈钢；铁素体不锈钢的强度高，热膨胀系数低。虽然铁素体不锈钢有如此多的优点，但自其问世近80年来，与奥氏体不锈钢相比，其用途并不广泛，尤其是在中国。
目前我国铁素体型不锈钢的消费2010年仅占15%，2012年上升到17%，2015年仍然不到20%，而世界水平是铁素体型不锈钢占30%，奥氏体型不锈钢占70%，发达国家日本、美国已达到40%。不合理的消费结构致使镍资源大量浪费。可见适当降低含镍奥氏体型不锈钢的使用比例，扩大铁素体型不锈钢的生产和使用既符合世界发展的潮流，也是中国不锈钢行业持续健康发展的必然选择。但是造成我国铁素体型不锈钢与奥氏体型不锈钢发展不均衡的原因，主要是由于铁素体不锈钢塑性差、冷加工困难，特别是高铬不锈钢成型困难，加工过程中易产生裂纹、合格率相当低、成本大，限制了其应用。因此，只有从生产工艺及生产装备上加以改进，才能扩大其应用。
2.产品研制过程分析
本项主要分析现有的铁素体型不锈钢存在的问题。
1）σ脆性
σ相硬而脆。含铬在15-70%范围内的合金通过540-815℃加热就会产生α脆性，并且在700-800℃左右加热产生σ脆性的速度最快。含铬越高合金，σ脆性越大。Mo、Si、Ni、Mn等能促进σ相生成，C、N抑制其生成。在铁素体型钢中只有13Cr系钢（如405，410）看不见这种脆性。
2）475℃脆性
含铬12%以上的铁素体型钢，加热在340℃-540℃温度下经一定时间后，钢的硬度增加，冲击韧性显著降低，尤其在475℃时最严重，硬度最高，27铬钢经475℃×100小时加热后其常温的抗拉强度增加50%，屈服强度增加150%，而延伸率则变为零。Al、Si、Mo、Nb、Ti、Mn、V等元素的存在，促进产生这种脆性。
3）高温脆性
伴随着晶粒粗化而带来的脆性，加热到950℃-1000℃以上急冷至室温就会产生这种高温脆性，含铬量越高这种脆性越严重，如446钢，经1000℃×100小时加热时常温下的弯曲角度为零。
4）晶间腐蚀
铁素体型不锈钢的晶间腐蚀与奥氏体完全相反，是860℃以上的高温快冷时，被敏化后，才产生晶间腐蚀。而奥氏体型钢快冷时，并不发生敏化，但缓慢冷却之后会产生晶间腐蚀。
5）晶粒度粗大
铁素体型不锈钢由于加热引起的晶粒粗化程度比奥氏体型不锈钢快而且粗化程度大，加热温度越高晶粒度越大，而且晶粒度的长大与材料热处理前的冷加工变形量有关。
鉴于上述缺点，目前我国在铁素体不锈钢加工制造业上还存在着一定的困难，其成材率相当低，成本也很高。本项目主要是研制新型的铁素体不锈钢材料，在传统的铁素体材料中添加一些合金元素Nb、Ti、Mo、Cu、Al等解决上述问题，改善其加工性能，以代替被广泛应用于非环保型的碳钢和高成本的奥氏体不锈钢304。
3.研制一种新型铁素体不锈钢
3.1冶炼工艺
在25Cr钢（AISI446，447），加入合金元素，调整铁素体不锈钢的性能指标，从而改善其后期加工性能。图1为新型铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的抗腐蚀性能比较图。图1-1中红色的标记处446（25Cr-Ti）为新型铁素体不锈钢。通过多次试验测试，选择了最佳C、Cr、N 、Ti的含量。
图1-2
（一周期八个小时）
图1-2 周期腐蚀试验对比图
3.2新型铁素体不锈钢的加工工艺
铁素体不锈钢管的加工工艺，包括热处理制度，加工性能r值（平均塑性应变比）；成品的耐热性（高温疲劳极限和高温屈服强度），950℃左右的抗氧化性等。成品符合德国DIN EN 10216-5。
铁素体不锈钢在热加工过程中越易引起晶粒长大，但是热加工温度低又极易产生裂纹，所以热加工温度控制区间必需保证，即锻造温度1050℃-1100℃，热轧终轧温度800-850℃。
对于冷加工中的热处理工艺综合上述考虑，一般采用退火温度定为780-850℃，保温30-40分钟，水冷为好。
3.3新型铁素体不锈钢的性能指标改善
1)改善铁素体不锈钢的性能，降低脆性，提高低温塑性，改善细化晶粒。世界上许多国家正致力于这方面的研制与开发，如日本的JFE钢铁公司多年来一直致力于用于排气系统的新型铁素体不锈钢的研制开发生产，并申请了多项专利。我们借鉴国外的先进技術和使用经验，研制生产适合我们自己生产工艺的、拥有自己知识产权的新型铁素体材料。
2）解决冷加工困难问题。提高加工性能r值（平均塑性应变比）；即r值，r越高，加工性能越好。冷加工过程中值得注意的是，冷加工变形量、退火温度及保温时间都必须严格控制，否则会引起晶粒度粗化，材料变脆，经深冲、弯曲、冷加工后易产生折皱，晶间腐蚀也严重。三者之间的关系如图2所示。
图2：不同不锈钢晶间腐蚀比较
4.结论
新型铁素体不锈钢，不含镍元素，在含铬量相当条件下，其耐腐蚀性强，与铬镍钢（300系列）相当，优于铬锰钢（200系列）。铁素体不锈钢综合性能好，特别适合于薄规格的板、管、带材的生产和使用。新型铁素体不锈钢的研制成功，必将进一步扩大铁素体不锈钢的应用领域。这是顺应国际潮流和适合中国国情的正确选择。
参考文献：
[1] 罗永赞.铁素体不锈钢的进展《材料开发与应用》1996, (2): 41-48.
中图分类号：TF764+.1 文献标识码：A 文章编号：
1前言
铁素体不锈钢系[1]指铬含量在11%-30%，具有体心立方晶体结构，在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢。铁素体不锈钢可根据钢中铬含量的不同大致分为：Cr11%-15%，Cr16%-20%和Cr21%-30%三类。铁素体不锈钢除具有不锈性和耐一般腐蚀性能外，其耐氯化物应力腐蚀、耐点蚀、耐缝隙腐蚀等局部腐蚀性能优良是此类钢耐蚀性方面的主要特点。与用量最大的Cr-Ni奥氏体不锈钢相比，铁素体不锈钢不含镍或含少量镍，因而是节镍不锈钢；铁素体不锈钢的强度高，热膨胀系数低。虽然铁素体不锈钢有如此多的优点，但自其问世近80年来，与奥氏体不锈钢相比，其用途并不广泛，尤其是在中国。
目前我国铁素体型不锈钢的消费2010年仅占15%，2012年上升到17%，2015年仍然不到20%，而世界水平是铁素体型不锈钢占30%，奥氏体型不锈钢占70%，发达国家日本、美国已达到40%。不合理的消费结构致使镍资源大量浪费。可见适当降低含镍奥氏体型不锈钢的使用比例，扩大铁素体型不锈钢的生产和使用既符合世界发展的潮流，也是中国不锈钢行业持续健康发展的必然选择。但是造成我国铁素体型不锈钢与奥氏体型不锈钢发展不均衡的原因，主要是由于铁素体不锈钢塑性差、冷加工困难，特别是高铬不锈钢成型困难，加工过程中易产生裂纹、合格率相当低、成本大，限制了其应用。因此，只有从生产工艺及生产装备上加以改进，才能扩大其应用。
2.产品研制过程分析
本项主要分析现有的铁素体型不锈钢存在的问题。
1）σ脆性
σ相硬而脆。含铬在15-70%范围内的合金通过540-815℃加热就会产生α脆性，并且在700-800℃左右加热产生σ脆性的速度最快。含铬越高合金，σ脆性越大。Mo、Si、Ni、Mn等能促进σ相生成，C、N抑制其生成。在铁素体型钢中只有13Cr系钢（如405，410）看不见这种脆性。
2）475℃脆性
含铬12%以上的铁素体型钢，加热在340℃-540℃温度下经一定时间后，钢的硬度增加，冲击韧性显著降低，尤其在475℃时最严重，硬度最高，27铬钢经475℃×100小时加热后其常温的抗拉强度增加50%，屈服强度增加150%，而延伸率则变为零。Al、Si、Mo、Nb、Ti、Mn、V等元素的存在，促进产生这种脆性。
3）高温脆性
伴随着晶粒粗化而带来的脆性，加热到950℃-1000℃以上急冷至室温就会产生这种高温脆性，含铬量越高这种脆性越严重，如446钢，经1000℃×100小时加热时常温下的弯曲角度为零。
4）晶间腐蚀
铁素体型不锈钢的晶间腐蚀与奥氏体完全相反，是860℃以上的高温快冷时，被敏化后，才产生晶间腐蚀。而奥氏体型钢快冷时，并不发生敏化，但缓慢冷却之后会产生晶间腐蚀。
5）晶粒度粗大
铁素体型不锈钢由于加热引起的晶粒粗化程度比奥氏体型不锈钢快而且粗化程度大，加热温度越高晶粒度越大，而且晶粒度的长大与材料热处理前的冷加工变形量有关。
鉴于上述缺点，目前我国在铁素体不锈钢加工制造业上还存在着一定的困难，其成材率相当低，成本也很高。本项目主要是研制新型的铁素体不锈钢材料，在传统的铁素体材料中添加一些合金元素Nb、Ti、Mo、Cu、Al等解决上述问题，改善其加工性能，以代替被广泛应用于非环保型的碳钢和高成本的奥氏体不锈钢304。
3.研制一种新型铁素体不锈钢
3.1冶炼工艺
在25Cr钢（AISI446，447），加入合金元素，调整铁素体不锈钢的性能指标，从而改善其后期加工性能。图1为新型铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的抗腐蚀性能比较图。图1-1中红色的标记处446（25Cr-Ti）为新型铁素体不锈钢。通过多次试验测试，选择了最佳C、Cr、N 、Ti的含量。
图1-2
（一周期八个小时）
图1-2 周期腐蚀试验对比图
3.2新型铁素体不锈钢的加工工艺
铁素体不锈钢管的加工工艺，包括热处理制度，加工性能r值（平均塑性应变比）；成品的耐热性（高温疲劳极限和高温屈服强度），950℃左右的抗氧化性等。成品符合德国DIN EN 10216-5。
铁素体不锈钢在热加工过程中越易引起晶粒长大，但是热加工温度低又极易产生裂纹，所以热加工温度控制区间必需保证，即锻造温度1050℃-1100℃，热轧终轧温度800-850℃。
对于冷加工中的热处理工艺综合上述考虑，一般采用退火温度定为780-850℃，保温30-40分钟，水冷为好。
3.3新型铁素体不锈钢的性能指标改善
1)改善铁素体不锈钢的性能，降低脆性，提高低温塑性，改善细化晶粒。世界上许多国家正致力于这方面的研制与开发，如日本的JFE钢铁公司多年来一直致力于用于排气系统的新型铁素体不锈钢的研制开发生产，并申请了多项专利。我们借鉴国外的先进技術和使用经验，研制生产适合我们自己生产工艺的、拥有自己知识产权的新型铁素体材料。
2）解决冷加工困难问题。提高加工性能r值（平均塑性应变比）；即r值，r越高，加工性能越好。冷加工过程中值得注意的是，冷加工变形量、退火温度及保温时间都必须严格控制，否则会引起晶粒度粗化，材料变脆，经深冲、弯曲、冷加工后易产生折皱，晶间腐蚀也严重。三者之间的关系如图2所示。
图2：不同不锈钢晶间腐蚀比较
4.结论
新型铁素体不锈钢，不含镍元素，在含铬量相当条件下，其耐腐蚀性强，与铬镍钢（300系列）相当，优于铬锰钢（200系列）。铁素体不锈钢综合性能好，特别适合于薄规格的板、管、带材的生产和使用。新型铁素体不锈钢的研制成功，必将进一步扩大铁素体不锈钢的应用领域。这是顺应国际潮流和适合中国国情的正确选择。
参考文献：
[1] 罗永赞.铁素体不锈钢的进展《材料开发与应用》1996, (2): 41-48.