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日本高性能不锈钢的种类和用途简介
日本不锈钢生产现状
（1）概况：日本年产不锈钢能力约350万t，其中新日铁、住金不锈钢为110万t，日新制钢60万t，JFE公司55万t，日金工和日冶工各30万t，其余由大同特殊钢等特钢厂生产。所生产品种按日本标准JIS的规定为100种，加上各企业自行开发的品种总计约200种左右。不锈钢的用途随着产业的发展在不断扩大，目前主用于餐炊具等耐蚀用品、汽车、家电、电子等机械部件，石油化工等贮运设施、医疗机构和建材等。
（2）材料的选定。按照用途选用品种时，首先应考虑使用性能和加工性能；其次为经济条件，即考虑购入价格的同时还应考虑加工费用和使用中的维护费用。特别是近年来从可持续发展方针出发还应考虑对环境的影响及再生利用的资源合理利用等因素。
（3）锈钢的种类和性能。不锈钢的基本性能为耐蚀性，在JIS标准中按其组织的不同，其分为以下5大类：
1、马氏体体系不锈钢。其特点是硬度高，多作刀具、气轮机叶片等用。在本系中随着含碳量的提高，硬度提高的同时耐磨性亦改善。典型品种为SUS410（含Cr13%，含CO.15%），其同类品种有：420JI、420J2、429J1、440A，通过降低C以改善加工性能的为410L，则归入铁素体系不锈钢。
2、铁素体系不锈钢。当将Fe-Cr系马氏体合金的C降低时便得到铁素体组织，同时耐蚀性和加工性改善。另和奥氏体不锈钢比较，耐蚀性基本相当，但由于不含镍而价廉，故在加工性和焊接性要求不太严的场合可用以代奥氏体不锈钢。
此系的典型品种为430（18Cr-0.5C），其降C后的同类品种有：430LX（18Cr-Ti/Nb）、430J1（18Cr-0.5Cu-Ti），加Mo的品种有436J1（18Cr-0.5Mo-Nb）、436L（18Cr-1Mo-Nb/Ti）和444（18Cr-2Mo-Nb/Ti），增Cr的品种有445J1（22Cr-0.8Mo-Nb/Ti）、445J2（22Cr-2Mo-Nb/Ti）和447J1（30Cr-2Mo-Nb/Ti）。它们的主要用途为：430类和436类多用于家电和汽车排气管等部件；444多弥补奥氏体对氯化物耐蚀性差的缺点而很早即用于电热水器桶；高Cr高Mo系的445J2和447J1则对海滨的耐候性好，多用于海滨大型建筑的屋面板。
3、奥氏体系不锈钢。它占不锈钢的大半以上，典型品种为304（18Cr-18Ni），由于用途广泛，兹分7大类简介如下：
（a）耐蚀性类。又分以下4小类：（Ⅰ）耐晶界腐蚀类有：304L（18Cr-10Ni-低C）、321（18Cr-8Ni-Ti）t347（18Cr-8Ni-Mo）；(Ⅱ)耐一般腐蚀类有316L（18Cr-10Ni-2Mo）-317L（18Cr-12Ni-3Mo）、317J1（17Cr-15Ni-5Mo）和890L（20Cr-25Ni-4.5Mo-1.5Cu；）；（Ⅲ）耐孔洞间隙腐蚀类有：317J2L（25Cr-14Ni-1Mo-0.3N）、317J3L（21Cr-12Ni-2.5Mo-0.2N）和836L（23Cr-25Ni-5.5Mo-0.2N；）（Ⅳ）防应力腐蚀裂纹类有：315J1（18Cr-10Ni-Mo-Cu-Si）、315J2和XM15J1（18Cr-12Ni-3.5Si）。
（b）耐热性类有两小类：（Ⅰ）增Si类有302B（18Cr-8Ni-2Si）；（Ⅱ）增Cr、Ni类有309S（23Cr-14Ni）和310S（25Cr-20Ni）。
（c）加工性类有两小类：（Ⅰ）深冲性佳类有304J1（17Cr-7Ni-2Cu）和340J2（17Cr-7Ni-4Mn-2Cu）；（Ⅱ）软质类有305（18Cr-12Ni）和XM7（18Cr-9Ni-3.5Cu）。
（d）非磁性类有高强度的高Mn高N类（17Cr-1.5Ni-15Mn-0.35N）。
（e）高强度类有两小类：（Ⅰ）增N类有304N1（18Cr-8Ni-0.1N）和304N2（18Cr-8Ni-0.2N-Nb）；（Ⅱ）适于冷加工类有301（17Cr-7Ni）、301L（17Cr-7Ni-N低C）和301J1。
（f）提高切削性类是303（18Cr-8Ni-S）、303Se（18Cr-8Ni-Se）和303Cu（18Cr-8Ni-Cu）。
（g）遮蔽中性子类有18Cr-8Ni-B。
此外还有节Ni型的201（17Cr-4Ni-6Mn）和202（18Cr-5Ni-9Mn）。近来各企业还开发成功通过在表面镀金、蚀刻、涂装和表面加工处理等以改善抗菌、遮热和美观性的不锈钢。
不锈钢的耐蚀性和合金成分的关系以N的作用最大，其次为Mo和Cr。被称为超级不锈钢的836L，即作为镍基超合金和钛的代用品而用于高浓度氯化物的条件下。非磁性钢的高Mn高N钢尚未列入JIS，但已作为弹簧材料用于电子零部件，它除了非磁性外，耐蚀性亦好。还有中子遮蔽用的加B不锈钢亦未列入JIS，它是304L中加入1.0%B，主用于核燃料的贮存容器。
4、双相不锈钢系。它是奥氏体组织和铁素体组织各1/2所构成，成分亦取决于两者生成元素的平衡。其典型品种为329（27Cr-4Ni-1.5Mo），通过增加Mo和N含量以提高耐蚀性的主要品种有329J1（25Cr-4.5Ni-2Mo-N）、329J3L（22Cr-5Ni-3Mo-N）和329J4L（25Cr-6Ni-3.5Mo-N），它们的特点是高耐蚀的同时由于结晶微细致强度亦高。
5、析出硬化型不锈钢系。在304基础上加入Cu、Al、Ti和Mo等成分并经时效处理以提高其强度。根据时效前的组织可分为三类：
（a）630类，成分为17Cr-4Ni-4Cu-Nb，经固溶化处理为马氏体组织，再经470~625℃时效热处理后铜呈微细化析出；
（b）631（17Cr-7Ni-Al）类，系在301中加入Al、Cu后并经固溶化处理为奥氏体组织，再经热处理和冷加工后成为马氏体，并经450~550℃时效热处理而硬化。还有631J1（17Cr-8Ni-1Al）和631J2（17Cr-7Ni-1.5Si-Cu-Ti）2种。
（c）660（15Cr-25Ni-Mo、Ti、Al、V、B）类，原为奥氏体组织，经716℃时效热处理使Y析出，它在比较稳定的700℃以下作为高温材料应用，在JIS中分类为耐热钢。
高耐蚀性不锈钢
不锈钢在表面Cr的稳定皮膜的保护下在一般生活环境下发挥了较好的耐蚀性，并具有长期的金属光泽，从而在炊具、建筑内外装饰材和铁道车辆等方面得到了广泛应用。但当Cr的稳定皮膜在过苛环境下受到破坏后，仍易带来被腐蚀等重大损伤。据此，近年来针对中性条件下孔洞、间隙等局部腐蚀、强酸中的全面腐蚀和氯化物环境下的应力腐蚀裂纹等条件下的特殊需要，开发成功如下的比一般不锈钢更耐蚀的新钢种：
（1）耐孔洞、间隙腐蚀的优良不锈钢。孔洞腐蚀是由Cl-等卤化物离子对稳定皮膜局部破坏而引起的局部深度腐蚀。在平滑表面上产生的点状或虫食状腐蚀称为孔洞腐蚀，在螺栓连接结构部分的间隙或附件下部产生的腐蚀称为间隙腐蚀，两者的腐蚀机理相同。
为抑制孔洞间隙腐蚀，从材料方面主要应选择含强化稳定皮膜元素Cr、Mo、N等高的钢种。从合金成分计算耐孔蚀性的指标PI=Cr+3Mo+16N（N仅用于奥氏体钢）。尽管随着PI值的提高耐孔蚀性亦上升，但由于合金量增加后成本上升，故应根据使用环境采用最佳钢种。各生产厂已按此原则开发成功各种用途的新钢种。
在汽车部件和建材外装饰用的铁素体系不锈钢的代表钢种SUS430（17Cr）为基础，通过加入新成分以改善耐孔蚀性方面，各生产厂已开发成功SUS430J1L（18Cr-Ci-Nb低C、N）、SUS436J1L（19Cr-0.5Mo-Ti/Nb低C）和SUS436L（成分见前）等新钢种。此类高纯铁素体系不锈钢，不仅耐蚀性好，且由于C、N等杂质低和加入微量Ti、Nb，其加工性特别是焊接性亦佳。
还有由于铁素体系不锈钢的热膨胀率低，用于长尺寸的大型建筑屋面板时比奥氏体系钢在设计、施工上均较为有利，但海上飞来的海盐粒子造成的腐蚀严重，特别是不易受雨水冲刷致海盐易浓缩的部位更为严重。为此，已开发出耐孔蚀性好的建材用不锈钢SUS445J2和SUS447J1。
对于海滨受海盐粒子浸蚀更多的场所和在浸于海水中受高浓度氯离子浸蚀的场所，需要耐蚀性更高的高Cr、高Mo奥氏体系或双相系不锈钢。现被称为超级不锈钢的SUS836L（20Cr-18Ni-6Mo-0.2N）已开发成功并用于海滨地区的屋顶、海洋结构物吃水部位的金属衬里、海水淡化设施和高盐分浓度食品制造设备等处。对于用氯气杀菌的自来水贮水槽中的所相部分，由于结露水中Cl-浓缩的同时PH值亦降低，故形成严重的局部腐蚀环境。对此，则使用了双相系的SUS329J4L（成分见前）。
（2）在强酸中耐全面腐蚀的优良不锈钢。不锈钢作为在酸性溶液中耐蚀的钢铁材料，发明后即用于各种化工装置和输送容器，但由于它对各种氧化性不同的酸的适应性不同，在使用时还应详细分析腐蚀环境后合理选定钢种。
硝酸为氧化性强的强酸，为最能发挥不锈钢特性的环境。在70%以下的浓度下可充分发挥SUS304类的耐蚀性；对于浓度更高或高温领域则应采用含Si高的17Cr-14Ni-4Si-Nb钢等新开发的钢种。但硝酸的晶界腐蚀性强，对于焊接施工的部件可用低碳的SUS304L类，而对于使用高浓度硝酸的用于核燃料再处理设施，则应使用C和P大幅下降以改善耐晶界腐蚀的奥氏体系不锈钢（R-SUS304ULC、R-SUS316USC）等钢种。
硫酸为非氧化性强酸，故不能像硝酸般在广范围内使用不锈钢。如在低浓度硫酸中或>90%的高深有度硫酸中可使用SUS304类，而含有Mo的SUS316在常温硫酸下亦仅能在<20%的浓度下使用。在中浓度硫酸中一般不锈钢将产生激烈的全面腐蚀，腐蚀速度并随酸中的离子浓度而变化。为抑制全面腐蚀以加Mo、Cu等元素为有效，多使用双相系的SUS329J4L或超级不锈钢SUS836L。
在火电锅炉的烟气脱硫装置或烟道烟突部的低温结露部位，由于露水澡浓度的硫酸成分可引起激烈的全面腐蚀加上烟气的Cl-离子浓缩，亦会发生间隙腐蚀的局部腐蚀。对这种苛刻的复合环境必须使用高耐蚀性不锈钢板。经对烟道内部的环境分析后，缍开发出厂该环境下既耐全面腐蚀又耐局部腐蚀的奥氏体系不锈钢（成分为20Cr-15Ni-3Mo-1.7Cu-0.2N），现已用于火电厂烟突内衬和烟道的零部件等处。
（3）氯化物环境下耐应力腐蚀裂纹的优良不锈钢。在局部腐蚀和拉拔应力的双重作用下，奥氏体系不锈钢会产生裂纹，甚至造成设备重大故障。这在氯化物、高温高压水、氢氧化钠和连多硫酸环境下达50℃以上温度时经常发生，在高温下氯化物低浓度的水环境下亦会偶尔发生。对此，作为设计施工方面的对策，应降低Cl-离子和溶氧浓度、除去加工和焊接时的残余应力以及回避应力集中等；同时还应注意防止焊接时再加热引起的晶界Cr碳化物生成而导致的耐蚀性劣化现象和焊接部的应力集中等。从材料方面的对策则应从起因于Cl-离子的孔洞腐蚀多为局部腐蚀的起点出发，如上所述应采用耐孔蚀性的奥氏体系不锈钢，或采取通过添加以提高防应力腐蚀裂纹有效的Si、Cu的SUS315J1（成分见前）和SUS315J2（18Cr-12Ni-2Cu-Mo）。但是奥氏体系不锈钢从本质上防止应力腐蚀裂纹的机理还不十分明确，为此应在考虑使用环境而选用钢种的同时，还应从设计施工上多加注意。
另外，铁素体系不锈钢则没有产生应力腐蚀裂纹的倾向，从而对回避裂纹有利。但由于其耐蚀性、加工性、焊接性等一般均比奥氏体系不锈钢差，故在应用上受到限制。对此，近年来各企业对上述特性改善后陆续开发出不少新钢种，使用效果亦好。如代表钢种SUS444已广泛用于电热水器。电热水器罐体过去多用SUS304，由于应力腐蚀裂纹曾多次发生故障，加上罐体结构简单，新开发的SUS444已广泛代用。由于本钢种不仅防应力腐蚀裂纹的性能好，而且在铁素体系不锈钢中，一般耐蚀性、加工性和焊接性亦均较好，故亦可用于太阳能热水器和换热器等处。
烧油的热水锅炉由于结构复杂和焊接点多，一般多使用经改进后奥氏体系的SUS315J1和SUS315J2。
根据社会对钢的高强度化要求研究了种种的强化方法，并作为应用开发的重点，对耐蚀性的不锈钢亦不例外地被要求高强度化。因为强度提高后板厚可变薄，有利于部件轻量化，同时使用寿命亦可延长，从而好处很多。特别是在2000年日本建筑标准法实施修订后，不锈钢被列入钢结构用材料，JISG4321建筑结构用不锈钢作为一般结构材料被批准，从而不锈钢的高强度化更为重要。
钢的变形主由于位错运动。由于抑制位错运动致使变形困难时，钢则得到强化。具体方法有固溶强化、析出强化、加工强化、马氏体相变强化和晶粒微细化强化等，现就不锈钢的强化方法、强化后的结构和用途简介如下：
（1）固溶强化。使合金元素固溶入纯金属时，一种为合金元素进入基体金属晶粒的原子间隙，称为侵入型。不锈钢是将Cr和Ni固溶入铁中的合金，应属于固溶强化状态，但Cr、Ni对Fe的固溶强化作用很小。经试验得知，对Cr、Ni奥氏体不锈钢强化作用最大的为侵入型元素的N和C，如在SUS304中使N固溶后产生的SUS304N1（含N0.1%-0.25%），和SUS304N2（含N0.15%-0.30%），其含N量为SUS304（含0.04%）的2-7倍，其强度为SUS304的1.5-2倍。按JISSG4305有关固溶化状态的力学性能规定，SUS304为205N/mm2以上，SUS304N2为345Nmm2以上。由于加N而产生的此类强化不锈钢已在结构和强度部件上广泛应用。
固溶强化不仅限于常温强度，对提高高温强度亦有效。由此，比其它方法更有利于焊接用高强度不锈钢。如后述的利用加工硬化的SUS301（17Cr-7Ni）为改善其焊接部件的耐蚀性而将C降低的SUS301L，为保持焊接部件的强度便靠加入0.2%以下的N来解决，现已被铁道车辆普通采用。
（2）析出强化。是在基体金属中制造析出物（碳化物、氮化物、金属间化合物等）使之强化的方法，由于析出物可妨碍位错运动，故在母相中以微细而多数分布的状态最有利于提高强度。析出强化利用钢中合金元素的固溶度随温度变化而不同的原理。利用析出强化的不锈钢称为析出硬化（PH）型不锈钢，JI G4304中按固溶化状态的基体组织分类为马氏体系和半奥氏体系的2类析出硬化型不锈钢。
马氏体系的不锈钢SUS630（17Cr-4Ni）含Cu约4.0%，在1050°左右的高温下将Cu固溶于奥氏体相中，在冷却过程中Cu在过饱和的马氏体组织中发生作用，再经450-480℃、1-4h析出硬化处理后，则在基体的马氏体中以Cu富化物公散析出而使钢强化。其硬度经固溶化处理后为350HV，经析出硬化处理后达450HV。SUS630以强度高及耐蚀性与SUS304相当的优势，已广泛用于弹簧材、飞机结构用材、刀具等处。
半奥氏体系的PH不锈钢为强度和加工性兼优的特殊钢种，它是在SUS301中加入Al的17.7PH不锈钢SUS631（17Xr-7Ni-1.2Al），它在固溶强化处理后的常温下具有加工性好的奥氏体组织；如再经950℃10分钟热处理，通过便C的固溶量变化以提高马氏体相变点（Ms点），接着在Ms点（-70℃）附近冷却，使成为马氏体组织（RH950处理）。亦有在固溶强化处理后经冷加工生成加工诱发马氏体的方法（CH900处理）。马氏体形成后，在510℃左右加热以实施析出硬化处理时，Al、Ni析出，使在奥氏体状态下为280N/mm2的强度经析出硬化后达到1520-1700N/mm2的高水平。
（3）由加工硬化产生的强化。使钢变形时给晶粒施加剪切应力，位错在运动的同时给晶粒引发更多的位错。加工硬化指通过轧制、拉拔等塑性变形使晶粒内的位错密度增大以对钢强化的方法。这种加工硬化的作用，对奥氏体系比铁素体系更大。如18Cr-8Ni成分的准稳定奥氏体系在随着位错密度的加大而使硬化上升，便生成马氏体（加工诱发变态），很易得到高强度。
利用加工硬化形成的材料称为硬材，其强度随轧制的变化分为H（硬度）、2/3H、1/2H等不同的水平。SUS302（17Cr-7Ni）硬材已广泛用于家用电器的压紧板簧、汽车发动机垫圈和通信机器的连接器等板簧制品。由加工诱发的马氏体带有磁性，故SUS301和SUS304等硬材亦有磁性。
非磁性的弹簧用材料首推高Mn不锈钢的AISI205（17Cr-15Mn-1.5Ni-0.35N），它是以Mn取代SUS301中的Ni，其性质不同主要由于N而生成较多的固溶体并充分发挥了固溶强化的效果。如固溶化处理状态下的硬度SUS304为180HV，而AISI205则为270HV。进一步加工后发现有显著的加工硬化特性。
AISI205在高温下具有优良的弹簧弹性，故用于发动机的垫圈等处。
（4）由结晶细化生产的强化。晶粒大小对强度的作用很早即发现，如退火后软钢的晶粒尺寸愈小则屈服强度愈高并呈直线关系，这一关系称为霍尔佩其法则。这由于变形使在结晶内运动的位错在晶界被阻止，故晶粒细化造成的更多晶界使材料的强度提高。上述的固溶强化、析出强化和加工硬化若过度时则韧性呈下降趋向，从而因加工和使用条件而有时使强度受限；但晶粒细化则在强度提高的同时仍保持韧性不受影响。为此，这一方法已为研发中“超级金属”项目所应用。
通常不锈钢的粒径为数十μm，而目前的研发成果已达其1/100的100nm级水平。如粒径达300nm左右的奥氏体不锈钢其抗拉强度达普通粒径材2倍的1100N/mm2，且韧性不降。现通过晶粒细化以提高强度的不锈钢，已列入JIS中，即具有复合组织的双相系不锈钢。如SUS329J4L（25Cr-6Ni-3Mo-N）为在铁素体母相中具有岛状的奥氏体相分散组织，且通过加入N，经固溶强化可提高强度和耐孔蚀性。由于晶粒细化和固溶强化的复合作用，其强度特性比奥氏体系和铁素体系均大，成为兼具有耐应力腐蚀性好的铁素体系和高强度的奥氏体系不锈钢的特性，广泛用于贮水槽、含硫油气用油井管和化工贮罐配管等腐蚀严重的环境。
（5）马氏体相变生产的强化。不锈钢中具有最高硬度的SUS440C（13Cr-1C）（640-700HV）即属于马氏体系不锈钢。由于马氏体组织的结构非常微细，加上内部存在高密度的位错和碳的过饱和固溶物，故达到了高强度。另外，经以后的回火处理，碳化物等析出物又形成分散的微细化组织，故马氏体系不锈钢通过固溶C和回火处理以调整其强度。如SUS420J2（13Cr-0.3C）由1000℃的高温的奥氏体区急冷时，相变为固溶0.3%C的马氏体，再经回火热处理使碳化物等分散微细化后强度可达550HV左右。它和SUS420J1（13Cr-0.2C）及SUS410（13Cr-0.1C）并列为发电、化工设备等结构用不锈钢。
最后对称为高强度不锈钢的代表性钢种的主要成分、用途和对应的强化机理及其强度水平如表1所示。此外，各公司还在开发表1以外的耐蚀性高强度钢。它们的强度有多种，应根据不同用途，综合考虑耐蚀性、加工性和耐氧化性以选定最佳适用的钢种。
表1 主要高强度不锈钢的用途和强度水平
体系 |
钢种 |
主要成分 |
性质和用途 |
强化机理 |
硬度（HV） |
奥氏体系 |
AISI205 |
17Cr-15Mn-1.5Ni-0.4N |
非磁性弹簧和金属垫圈 |
固溶硬化+加工硬化 |
260-420 |
SUS301 |
17Cr-7Ni |
铁道车辆、一般弹簧 |
加工硬化 |
||
SUS301L |
17Cr-7Ni-N-低C |
铁道车辆 |
固溶强化+加工硬化 |
||
SUS304N1 |
18Cr-8Ni-N |
结构用高强部件 |
固溶强化 |
220-250 |
|
SUS304N2 |
18Cr-8Ni-N-Nb |
||||
双相系 |
SUS329J1 |
25Cr-4.5Ni-2Mo |
兼具耐SCC性和强度 |
晶粒细化强化 |
250-280 |
SUS329J5L |
25CR-6Ni-3Mo-N-低C |
||||
马氏体系 |
SUS410 |
13Cr |
一般用途和刀具 |
马氏体强化 |
370-450 |
SUS420J1 |
13Cr-0.2C |
气轮机叶片 |
马氏体+固溶强化 |
520-580 |
|
SUS420J2 |
13Cr-0.3C |
刀具、喷嘴、阀座、阀门、直尺 |
|||
SUS400C |
13Cr-1C |
最高硬度、用于喷嘴和轴承 |
640-700 |
||
析出硬化系 |
SUS630 |
17Cr-4Ni-4Cu-Nb |
轴类、气轮机部件、钢运输带 |
析出+马氏体强化 |
400-500 |
SUS631 |
17Cr-7Ni-1Al |
发条、垫片、计器部件、高温弹簧 |
高加工成形性不锈钢板材
不锈钢板以原状使用的较少，大多通过加工成型后使用。兹就拉伸成形和深冲成形简介如下：
（1）拉伸成形。用球型冲模压板将板的四周固定，通过球型冲头使板厚变薄的同时增加其表面积，并作冲头和模合成形的加工方法称为延伸加工法。由于表面延伸率的极限使其深部亦受到限制外，为保证成品性能，延伸量亦受到限制。由此，作为材料特性的延伸率和n值（加工硬化指数）大的材料其延伸性亦好。
1．奥氏体系不锈钢的延伸性。SUS304和SUS301被称为标准奥氏体系不锈钢在常温下加工时，奥氏体的一部分相变为马氏体相（称为加工诱发马氏体相变），产生显著的加工硬化。即局部变形时该部分受到强化，并将变形传播至全体而引起大变形。由此奥氏体系的延伸性比铁素体系较好。作为对应加工诱发马氏体变态的奥氏体稳定度的指标Md30（指真变形下引起0.30的延伸变形的50%马氏体相的生成温度）常被应用。
经过对SUS304和SUS301试验的结果，Md30的最大值前者为0℃，后者为15℃，说明此时的延伸性最大。
2．铁素体系不锈钢的延伸性。SUS430等铁素体不锈钢，它不像标准奥氏体不锈钢会产生加工诱发相变，故提高延伸性的手段只有从成分上减少次要元素以达到高纯度化。
从Cr13铁素体不锈钢的试验结果得知，通过减少侵入型固溶元素的C、N以及加入可将碳、氮化物固定的Ti，均有利于提高加工硬化系数。
（2）深冲成形。它指在模具内通过材料的移动，将平板成形为容器状的方法。它和延伸成形不同处是将增加的表面积形成立体。由所成形的容器看，从成形的角度可分为以下部分；（a）底部：受冲头力的部分；（b）侧部：传达冲头力的部分；（c）凸缘部分：向圆周方向收缩的同时并向模孔中进入的部分。为此决定深冲性的因素为冲头底部的材料强度和凸缘收缩变形时材料强度的综合影响。
1．奥氏体系不锈钢的深冲性。如上所述的SUS304和SUS301由于产生加工诱发马氏体相变而使n值加大，从而深冲性亦好，但如这种相变过大时将使收缩凸缘的变形阻力加大反使深冲性变差。为此在提高深冲性时，应降低收缩凸缘的变形阻力，亦即为使钢质软化而加入Cu,SUS304J1即属于此类。还有为减少C、N而加入Cu、Al复合物对提高深冲性亦有效。
另外，在奥氏体不锈钢压力成形时还会发生过期裂纹，即深冲成形后数分钟乃至数个月后发生的延迟破坏。对此，从材料方面应采取以下措施：（a）降低C、N含量；（b）奥氏体的稳定化（降低Md30）；（c）降低钢中含氢量。作为成形方法应该设法降低残留应力。
2．铁素体系不锈钢的深冲性。它主要受r值的支配。r值为表示钢板异向性的指标，r值高时，变形时板厚减少困难，即板面内方向的材料流动比板厚方向的容易。r值受材料的集合组织而变化，而集合组织则受成分和生产条件的影响较大，特别是受冷轧时的压下率和退火条件的综合影响较大。为此，从成分上应尽力降低C、N含量，并增加Ti、Nb以降低固溶C、N而使r值提高；冷轧时增大压下率和冷轧道次亦有利r值提高。
还有铁素体系不锈钢特有的扭伤和条痕等缺陷的问题。前者为对延伸方向45°发生的凹凸现象，起因于侵入型元素C、N的位错而发生的屈伏不均所致，应通过适当的调质轧制以解决。后者为成形时产生的和轧制方向平行的凹凸现象，它起因于连铸坯柱状晶的带状组织在钢板上的残留，故应从铸坯、热轧和冷轧各工序上加以改善。
（3）材料、用途的新动向。在冲压成形方面不仅是深冲或延伸等个别形态的加工，往往以复合成形的方式较多。从反映深冲性极限的深冲比的LDR值和反映延伸性的杯突试验看，SUS304J1为2.2/15，SUS34J2为2.1/13，SUS304L为2.1/12.6，SUS304为2.0/13.2，可知以SUS304J1为最优，但以3段深冲的裂纹发生度（10天后）看，则以SUS304L和SUS304J2为优，故应按成型品的形状和加工度以合理选用材料。
关于材料、用途的新动向，在奥氏体系不锈钢方面，各公司均在开发软质材料，如NSS304ES和NAS304D；在铁素体系不锈钢方面则开发成功深冲性可知奥氏体匹敌的YUSPDX及条痕很少的R430XT等新品种。在用途方面，家电等产品已用上高级感、清洁感的不锈钢，特别是电炊具和电冰箱的外装材方面已广泛应用。并尚在不断发展中。
六、高加工性不锈钢棒材 近年随着不锈钢在建筑、汽车、家电、工厂机器、化学设备等方面的应用范围扩大，从提高生产效率和降低成本出发以及从切削加工向冷轧加工的转变，都希望改善不锈钢产冷轧加工性能。兹就不锈钢棒材成形加工时的冷轧加工性能简介如下。 （1）代表型冷轧加工用不锈钢。在JISG4315冷轧加工时用不锈钢棒材中，有奥氏体系9钢种、铁素体系2钢种、马氏体系2钢种。兹分述如下： 1．奥氏体系的9钢种为：SUS304、SUS304L、SUS304J3、SUS305、SUS305J1、SUS316、SUS316L、SUS384和SUSXM7（主要成分见表2）。本系不锈钢除耐蚀性好外，其低温韧性、高温强度和非磁性等特性均较好，故广泛用于螺栓、螺帽和螺钉等处。作为冷轧加工用钢要求变形阻力越低越好。从反映这一特性的加工硬化特性看，奥氏体系不锈钢比炭素钢、铁素体系不锈钢和马氏体系不锈钢等的加工硬化特性均非常大，亦即由于变形阻力大而造成冷轧加工性低。其原因为在加工硬化特性已大的基础上加上在冷轧加工中引起的加工诱发马氏体相变的作用。为此，采取加入不易引起加工诱发马氏体的成分以对应。如加入Ni、Cu可使奥氏体组织稳定化，或降低C、N、Si等因溶强化元素以降低固溶热处理后的强度以及通过强化精炼以减少钢中的非金属夹杂等。如SUSXM7和SUS304J3则加入了3%-4%和1%-3%的Cu。 表2 日本近年开发成功的高加工性不锈钢（棒材）
注：（）内指开发企业，除新日铁和日立制作所外，系均为特殊钢企业。 2．铁素体系不锈钢有SUS430和SUS434两上钢种。由于本系不锈钢在淬火下仍不硬化，故加工性优良，加上热膨胀系数小，耐蚀性和电磁性均好，故多用于汽车尾气排放部件，电磁阀、喷咀和各种测头处。通常为提高铁素体系不锈钢的冷轧加工性能，多采用降低C、N、Si、Mn等固溶强化元素、降低不纯元素和非金属夹杂，以及使晶微粒细化等措施，特别是晶料的微细化受制造工艺的条件影响较大，它的再结晶粒径一般随加工度的加大而变细，热处理温度则以温度较低方为细。如冷加工率为5%-10%的低水平时，晶粒明显粗大化，而冷加工率超过20%则热处理后的结晶粒粗大化受到抑制。为此，在使用铁素体不锈钢时应注意此点。 另在用于电磁阀的电磁不锈钢为提高其电磁特性，多采取加入Si、Al的措施，此时为改装其冷轧加工性，应采取极低C、N化和加入Ti等可形碳化物的元素。还为改善冷轧加工后的切削性能，可适量加入铅等易切削元素。 3．马氏体系不锈钢有SUS403和SUS410两个钢种。本系不锈钢可通过淬火、回火以提高强度，故为改善冷轧加工性时可采取降低Si、Mn等固溶强度元素，降低非金属夹杂和控制晶粒径等措施。还有可通过对退火处理后Cr碳化物大小的控制以降低硬底。另为改善冷轧加工的切削性亦可加入铅等易切削元素。 （2）最近的开发动向。近年为了部件功能的多样化和低成本化，多采取复杂形状部件的冷轧加工，从而对不锈钢冷轧加工性的要求更为严格，据此开发出不少高性能的不锈钢，具体钢种如表2所示。 由上可知，在奥氏体系不锈钢方面，开发出冷轧加工性好且兼具高强度、易切削、高耐蚀和高强度非磁性等性能具佳的不锈钢；在铁素体系不锈钢方面则开发成功兼具耐蚀性、冷轧加工性和以电磁特性为主的不锈钢；马氏体系不锈钢方面，在过去不可能提供的冷轧加工的SUS440C类的高强度不锈钢中，通过对Cu-C含量的调整平衡以抑制了粗大的一次碳化物的生成从而成为可冷轧加工的材料；还在SUS420类通过对Cr、Mo、N的适度调整以开发成功耐蚀性和冷轧加工性均提高的新材料；最近在析出硬化系（如SUS630等）不锈钢中，通过对C、N、Cb量调整平衡以使固溶化处理后的硬度下降而开发成功可供建筑螺栓用的新材料。 七、耐热不锈钢 不锈钢由于含Cr高而具有较好的高温作用，如在一般热处理炉、工业用耐热部件、火电锅炉和化工用反应炉等工业方面已广泛应用，此外在汽车的尾气排放部和家用炉具等方面亦在应用。作为高温使用性能应要求同时具备耐蚀性、高温强度、热膨胀性和传热性等多种，此处重点介绍耐热不锈钢在高温环境下重点考虑的必要性能。 （1）要求耐热不锈钢的主要性能。在高温环境下使用的耐热不锈钢，将面临以下问题： 1．关于耐蚀性方面（a）高温氧化。由于和氧反应使表面生成氧化膜，它的生成速度和剥离可决定氧化速度；（b）耐高温气腐蚀。首先是H2S及SOX反应形成的硫化物在低融点下呈多孔状，致硫化铁皮的剥离速度快，危害比氧化重而温度低，其次是由CO和HC产生的C扩散入金属内部后形成碳化物，由于Cr的碳化物析出形成缺Cr层；还有由NH3产生的N扩散入金属内形成氮化物，亦由于Cr的氮化物析出而形成缺Cr层；此外还和Cl形成腐蚀性更强的卤化物膜。（c）熔融监腐蚀是由硫酸盐和氯化物等低熔点化合物付着和熔融使保护性氧化物熔解，锅炉上付着的熔融灰亦起类似腐蚀作用。重点说明如下： （a）高温氧化。不锈钢在空气中燃烧时产生的高温氧化膜在其中的金属的离子和氧离子的作用下逐步加厚，其生成速度较大并遵循抛物线法则。铁素体不锈钢中的11.5Cr和14Cr在850-900℃以上时氧化陡然加速，称之为异常氧化，它的氧化物呈抛物线走增，主要由于氧化铁皮的生成使其下的基体因Cr减少而不稳定，致产生由铁素体相向奥氏体相相变并伴生应力，并使氧化膜产生裂纹致加速了氧化。和铁素体相比比奥氏体系在高温环境下的耐氧化性更好。在提高耐氧化性方面Cr、Si、Al等较为有效。 （b）高温硫化。在使用矿物燃料条件下由于燃料中含S，故由燃烧气中的SOX所产生的高温硫化成为耐蚀性劣化的重要原因。届时腐蚀生成物的硫化物的成长速度比氧化铁皮还大，矿不锈钢的耐蚀性比高温氧化呈更快劣化。在改善耐硫化性方面Cr、Al、Si有效。 （c）渗碳。它是由从气相析出的炭于材料表面所生产。即在高温环境下金属表面析出的C易向内部扩散，并和对C亲和加高的元素（Cr、Ti、Nb等）在内部结合。如和Cr结合生成Cr23C6的碳化物时将使基体中的Cr减少而产生缺Cr层，从而引直起耐氧化性的劣化。在改善耐渗碳性方面Ni、Cr、Si有效。 2．关于力学性能方面。在高温下将产生以下问题： （a）高温强度。各种不锈钢的抗拉强度随温度的提高而下降，具体见表3。 表3 几种不锈钢的抗拉强度和温度的关系
由表3可以看出，铁素体不锈钢的强度随温度变化较大，到800℃以上时已很低。奥氏体系不锈钢则在600℃以上还有较好的强度，加上耐氧化性好故用途广泛。为增加高温强度，以通过Mo、Nb、Ti等使基体的固溶强化和碳氮化物析出为有效。 （b）疲劳和蠕变。不锈钢在高温环境下使用时，由于加热时膨胀和冷却时收缩而产生的热应力重复致产生热疲劳。还有在高温下长期运行时还会发生蠕变现象。因为在常温下施加应力时可由产生的塑性变形量而使变形停止，但在高温下被称为蠕变的变形则继续进行。主要是由晶界滑动和位错运动产生的位错蠕变及原子和空穴移动产生的扩散蠕变，均是由温度升高而引起的。 （2）耐热不锈钢的种类和用途。 1．铁素体系不锈钢比奥氏体系不锈钢因Cr的扩散系数大致易生成Cr氧化皮膜，从而耐氧化性好；但应考虑超过规定使用温度时产生的异常氧化。另强度随温度上升而下降快，通常多用于800℃以下。为提高耐氧化性可增加Cr、Si和Al，为提高强度则可加入Mo和Nb。 铁素体系耐热不锈钢主用于汽车尾气排放部件，对更高温（600-950℃）的尾气集合管和催化剂转换器则要求综合性能更好。过去尾气集合管多使用铸件，为轻量化和排放标准改严后才乞讨用耐热不锈钢，从耐疲劳性出发，以热膨胀系数小的铁素体系为主，SUS430类、SUS409类和SUS444类亦被应用。另催化剂转换器作为催化剂的载体多陶瓷，近年开始用SUH21和高Al的20Cr-5Al的铁素体不锈钢。在对耐磨耗性和强度要求严的发动机吸气阀则使用SUH2和SUJH11，对温度高的排气阀则使用奥氏体系的SUS430和加入Si、Al以提高耐氧化性的材料，煤气热水器的燃烧器和热水容器则多用SUS430。 2．奥氏体系不锈钢由于高温下的耐氧化性和强度较好，故多用于工业加热炉。在热处理炉的炉内部件多用SUS304、309S和310S等钢种，如加热器的辐射管由于接触氧化气故特别采用耐氧化性好的SUS310S；回转窑和烘烤炉等高温炉由于使用热风，热风温度在风机处达600-750℃，故用SUS304，在换热器处达800-1100℃故用SUS310S；在火电锅炉的过热器等处汽温达600℃以上，故多用JIS3464中的SUS321H和SUS347H，亦有用SUS340H和SUS310H。 3．马氏体系不锈钢由于通过淬火、回火以提高强度，故工作温度用于回火温度以下，另马氏体组织形成靠C在回火温下形成的Cr23C6的碳化物，这在提高了强度的同时却由于Cr减少而导致耐氧化性下降，故只在要求高强度的发动机吸气阀等处应用。 4．析出硬化系不锈钢是靠时效热处理析出金属间化合物以改善其性能的不锈钢，使用时应和马氏体系不锈钢同样限制使用温度范围。SUS630是经时效热处理使Cu-条微细析出而提高强度的，多用于高温输送带等处。 |
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