Thermo-Calc軟件在不銹鋼品種開(kāi)發(fā)的應(yīng)用

無(wú)錫不銹鋼板廠(chǎng)家無(wú)錫漢能不銹鋼2020年8月31日訊 不銹鋼（Stainless Steel）是不銹耐酸鋼的簡(jiǎn)稱(chēng)，耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)或具有不銹性的鋼種稱(chēng)為不銹鋼；而將耐化學(xué)腐蝕介質(zhì)（酸、堿、鹽等化學(xué)浸蝕）腐蝕的鋼種稱(chēng)為耐酸鋼。每種不銹鋼都在其特定的應(yīng)用領(lǐng)域具有良好的性能，新品種開(kāi)發(fā)成功的關(guān)鍵首先是要弄清用途和使用環(huán)境，然后再確定正確的鋼種。

全球主要不銹鋼生產(chǎn)國(guó)集中在亞洲地區(qū)，我國(guó)在2006年已然成為全球最大的不銹鋼生產(chǎn)國(guó)，緊隨其后的分別是印度、日本。21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的不銹鋼產(chǎn)量占全球比例快速提高，從2001年的3.8%，提高到2016年的54.48%，產(chǎn)量達(dá)到2493.8萬(wàn)噸。奧氏體不銹鋼由于具有無(wú)磁性，良好的焊接性能和抗蝕性能，成為產(chǎn)量、用量最大，型號(hào)最多的一種不銹鋼，全世界不銹鋼的產(chǎn)量中，奧氏體不銹鋼占75%。

隨著奧氏體不銹鋼的應(yīng)用領(lǐng)域愈來(lái)愈廣泛，對(duì)奧氏體不銹鋼強(qiáng)度、韌性、低磁性和耐蝕性均提出了越來(lái)越高的要求。我國(guó)目前的不銹鋼也主要以?shī)W氏體不銹鋼為主，包括200、300系和400系。

傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼如0cr25ni20多為高Ni含量，其合金元素范圍是：WC≤0.08%，19.0%＜WNi＜22.0%，24.0%＜WCr＜26.0%，2.0%＜WMo＜3.0%，WMo≤2.0，WSi≤1.0，WS≤0.030，WP≤0.035。我國(guó)鎳礦的資源量有限，為了滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)不銹鋼行業(yè)的強(qiáng)勁需求，每年需要從國(guó)外進(jìn)口大量的鎳資源，導(dǎo)致了近年來(lái)Ni價(jià)的持續(xù)高漲，而且全球的鎳供應(yīng)缺口不斷擴(kuò)大。隨著我國(guó)不銹鋼產(chǎn)量的增加，Ni的供需矛盾將日益凸顯，唯一的解決辦法就是生產(chǎn)節(jié)鎳型的不銹鋼，降低Ni系不銹鋼的比例。

20世紀(jì)50年代中期，肖紀(jì)美院士在美國(guó)開(kāi)展了650℃以上工作溫度的節(jié)鎳不銹耐熱鋼的研制，通過(guò)系統(tǒng)研究相圖與相變，他提出可以用錳、氮部分或全部代替奧氏體不銹鋼中的鎳。同時(shí)首次提出了節(jié)鎳奧氏體不銹鋼基本成分設(shè)計(jì)和力學(xué)性能計(jì)算的方法和計(jì)算圖。該鋼種要形成完全奧氏體組織所需的最低碳、氮含量可通過(guò)下列公式計(jì)算：WC+WN=0.078（WCr-12.5%）。

《材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算在鋼鐵材料中的應(yīng)用》一書(shū)中系統(tǒng)的計(jì)算了高N節(jié)鎳型不銹鋼的相圖以及合金元素對(duì)奧氏體不銹鋼相區(qū)的影響，提出采用Thermo-Calc熱動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行高氮節(jié)鎳型不銹鋼的成分設(shè)計(jì)的原理和方法，本文簡(jiǎn)做介紹。

首先，采用Thermo-Calc軟件及其附帶的TCFE9數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算了傳統(tǒng)310S不銹鋼相圖（見(jiàn)下圖），310S不銹鋼的基體成分為FE-0.03%C-0.20%Si-1.3%Mn-25%Cr-20%Ni-0.03%Mo-0.0050%N。從傳統(tǒng)310S不銹鋼相圖上可以看出，在低Ni端存在四種類(lèi)型的含鐵素體（BCC）相區(qū)：BCC、L+BCC、FCC+BCC、L+FCC+BCC。奧氏體不銹鋼是使用狀態(tài)下以?shī)W氏體組織為主的不銹鋼，因此，要想在較寬的溫度區(qū)域下形成單一的FCC相，則鋼中Ni含量必須大于18%，如圖中箭頭所示。根據(jù)肖紀(jì)美院士的研究結(jié)果，確定節(jié)鎳不銹鋼的品種開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)采用高Mn、高N替代Ni的思路。

傳統(tǒng)310S不銹鋼相圖（界面圖）

接下來(lái)，研究不添加Ni元素時(shí)在合金設(shè)計(jì)上是否可行。通過(guò)Thermo-Calc軟件計(jì)算FE-0.03%C-0.20%Si-9%Mn-25%Cr-0.03%Mo-0%Ni-xN多元合金系相圖的結(jié)果分析得出，即使在N含量高達(dá)1%時(shí)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)仍然無(wú)法獲得單一的奧氏體相區(qū)。由此可見(jiàn)，用氮元素全部替代鎳元素的成分設(shè)計(jì)思路不可行，必須合理的調(diào)整N-Ni比例，在低Ni的基礎(chǔ)上采用高N成分設(shè)計(jì)獲得節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼。

無(wú)鎳不銹鋼相圖（界面圖）

根據(jù)以上思路分別使用Thermo-Calc軟件計(jì)算了N含量為0.0050%、0.1%、0.3%、0.5%時(shí)FE-0.03%C-0.20%Si-9%Mn-25%Cr-0.03%Mo-N-Ni系多元合金相圖，結(jié)果示于下圖。下圖中（a）為0.005%N含量（鋼中殘余N）時(shí)多元合金相圖，如圖所示，1000℃時(shí)獲得單一奧氏體相區(qū)的臨界Ni含量為25%，此時(shí)和傳統(tǒng)310S不銹鋼的合金設(shè)計(jì)成分類(lèi)似。下圖（b）為0.1%的N含量多元合金相圖，1000℃時(shí)獲得單一奧氏體相區(qū)的臨界Ni含量為20.9%，增加N時(shí)獲得單一奧氏體相區(qū)的臨界Ni含量顯著下降。進(jìn)一步增加N含量到0.3%和0.5%時(shí)（下圖（c）、（d）），1000℃獲得單一奧氏體相區(qū)的臨界Ni含量分別為12.4%和5.6%。

將以上計(jì)算結(jié)果匯總后得到鋼中N含量和1000℃時(shí)獲得單一奧氏體區(qū)臨界Ni含量的關(guān)系圖，如下圖所示，通過(guò)大幅度增加鋼中N含量，獲得奧氏體不銹鋼的最低Ni含量可以節(jié)省50%以上。

不同N含量時(shí)多元合金相圖（界面圖）

1000℃時(shí)的臨界Ni含量/%

通過(guò)大幅度增加鋼中N含量，獲得奧氏體不銹鋼的最低Ni含量可以節(jié)省50%以上。

目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出各類(lèi)節(jié)鎳型不銹鋼，如1Cr17Mn9Ni4N，化學(xué)成分中的部分Ni被Mn、N代替。與傳統(tǒng)1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼相比，其塑性更好，冷作硬化到1200Mpa時(shí)伸長(zhǎng)率可達(dá)到21%-28%，而傳統(tǒng)不銹鋼1Cr17Mn9Ni4N的伸長(zhǎng)率只有6%。此外，由于在低溫下變形發(fā)生相變誘發(fā)塑性效應(yīng)使其具有優(yōu)異的低溫性能。

今年11月1日，青山實(shí)業(yè)在中國(guó)國(guó)際不銹鋼工業(yè)展覽會(huì)舉辦之際發(fā)布了最新研究的高氮、高耐蝕、高強(qiáng)度節(jié)鎳奧氏體不銹鋼304D產(chǎn)品，該品種在研發(fā)初期即充分利用了熱動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件Thermo-Calc輔助其進(jìn)行成分設(shè)計(jì)，維持了304不銹鋼18%鉻的同時(shí)通過(guò)高氮合金化（2000ppm以上)以及先進(jìn)制造工藝，使得它在鎳含量大幅度降低3%左右條件下，仍然具有和304不銹鋼相當(dāng)?shù)哪透g能力、冷壓延和冷成形能力以及可焊性，并解決了304不銹鋼長(zhǎng)期以來(lái)的強(qiáng)度偏低的問(wèn)題。

鋼種極低碳化(碳≤0.02%)和高純化(作為雜質(zhì)元素硫、磷、硅、錳等含量極低)。特殊用途鋼種開(kāi)發(fā)，如熱海水用高鉬鋼、高耐蝕高強(qiáng)度的高氮鋼(氮含量達(dá)到0.4%～0.6%甚至0.8%～1.0%)，不銹鋼功能材料(記憶材料、儲(chǔ)氫材料等)等。不銹鋼復(fù)合材料、非晶不銹鋼等新工藝開(kāi)發(fā)。日本有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在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，所以未來(lái)經(jīng)濟(jì)型奧氏體不銹鋼的研究還是有廣大空間可以開(kāi)拓。