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不锈钢的使用开发和今后发展动向
日期：2024-09-20 10:24
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摘要：
不锈钢的使用开发和今后发展动向
1 铁素体系不锈钢用途的扩展
*近，日本不锈钢的年产量和消耗量约为300万t~350万t，其中一半是奥氏体系不锈钢SUS304。此钢种因耐蚀性、加工性优良而用途广泛，但对点蚀、晶间腐蚀及应力腐蚀开裂等局部腐蚀的耐蚀性不足，故在更苛刻的腐蚀环境下须使用增大Ni含量，并加入Mo的SUS316钢。然而因Ni价上涨，故业界开发了价格更低、耐蚀性和加工性与奥氏体系不锈钢相近的铁素体系不锈钢，从而使不含Ni或含少量Ni的铁素体系不锈钢的使用日益广泛。
不锈钢被用作大型建筑物的屋顶材，如用高耐蚀不锈钢建设了多座圆顶球场。在不锈钢制屋顶上，无需像在水泥屋顶上进行防水处理和在涂层钢板屋顶上进行再涂漆处理，几乎可以不用维修。1989年日本幕张博览会使用了22Cr-0.8Mo不锈钢作屋顶材。现在大阪、西武、札幌的圆顶建筑物屋顶材则使用了耐蚀性更好的SUS447J1（30Cr-2Mo-LC，N）钢，铁素体系不锈钢的使用量一直在增加。
铁素体系17Cr-0.2Ti钢和21Cr-0.4Cu-0.3Ti钢大幅度降低了钢中的C、N含量后，其力学性能比原来的SUS430钢更高，特别是后者因提高了Cr含量而具有与SUS304钢相近的耐蚀性及加工性。由于Mo价高涨且波动频繁，故也进行了节钼钢的开发，如在SUS304（18Cr-1Mo）钢的基础上开发了19Cr-(0.4~0.6)Cu-Nb钢和21Cr-0.4Cu-0.3Ti钢。这些开发钢都增加了Cr含量，降低了C、N含量，并加入了Cu和Nb等微量元素，从而提高了钢的耐蚀性。
铁素体系不锈钢开发的原动力是为了打破镍资源价格高且波动大的局限，且还要保留与奥氏体系不锈钢相近的耐蚀性和加工性。对此，虽然增Cr加Mo有效，但Mo与Ni同为稀缺资源，故解决问题的办法是开发*大限度降低钢中杂质与C、N含量的高纯净不锈钢。这类钢因减少了成为不锈钢腐蚀起点的非金属夹杂物、碳化物的析出相及杂质元素在晶界的偏析，故提高了钢的耐蚀性和加工性。
2 特殊用途不锈钢
2.1高纯净化与腐蚀特性
如上所述，不锈钢耐蚀性的降低是因钢中所含的非金属夹杂物和杂质元素在晶界的偏析成为腐蚀起点的结果，故对之进行控制极为重要。*近，99.999%或者99.9999%超高纯铁表现出的优良耐蚀性及以超低碳钢为主的IF钢技术，都表明了不锈钢应向高纯净化方向发展，这对高纯净铁素体系不锈钢的开发具有很大的促进作用。
在处理核反应堆使用过的核燃料过程中，由于使用了含强氧化剂的高温浓硝酸溶液，不锈钢制容器在强氧化介质中的腐蚀电位处于过钝化电位区，从而产生了晶间腐蚀。对于腐蚀机理，有研究报告称是P和Si在晶界的偏析造成的。Mayuzumi等人以99.9%或99.99%的高纯度Fe、Cr、Ni金属为原料，熔炼含氧60ppm~80ppm的高纯净不锈钢18Cr-16Ni-2Mo，并单独或复合添加C、N、P、S及Si、Mn，以调查每种杂质对不锈钢钢耐蚀性的影响。结果表明，在单独添加C、N、P、S达100ppm的情况下，不锈钢在18kmol/m3 HNO3中的耐晶间腐蚀性没有劣化。若分别将18Cr-14Ni-1Mn-0.5Si钢中的C、P、S控制到100ppm以下，则其耐蚀性显著提高。进一步的研究表明，在高纯净18Cr-14Ni钢中单独或复合加入P、S、C时，发生了晶间腐蚀。
由于有效利用了超高纯度材料技术，可以说以上研究成果从理想状态把握了钢中可允许的杂质浓度范围。就实用材料生产技术的目标而言，可将此成果作为钢材开发的新方法而备受瞩目。
2.2 高功能化和表面处理
从20世纪90年代中期开始，家庭内的**及厨房·卫生器具等的**性能受到广泛关注。除在卫生陶瓷和瓷砖上涂敷TiO2（利用太阳光和紫外线**）等受到重视外，在不锈钢中加入3%~4% Cu，弥散均匀分布的富Cu析出相使不锈钢具有**效果。另外，向不锈钢中加Ag的**产品已经问世，而且将**性金属·合金涂敷·涂镀在钢材表面发挥**作用的产品也已上市。研究和实践表明：因**种类的不同，上述产品的**效果也有差异，但可以确认即使Cr、Ti、Al、Ag有明确的**作用，Zn、Mn、Ni、Cu、Co等金属粉末也均有显著的**效果。虽然**作用会逐步衰减，但作为对食品无害且环境负荷小的**手段，一直在研究和讨论之中。
除了增强耐蚀性和设计性之外，进行着色、黑化等表面处理和涂漆的不锈钢并不多。*近，有不少家电产品有效利用不锈钢的金属光泽，在其表面涂敷了2μm~15μm的透明漆，使之具有优良的设计性和耐指纹性。
氢燃料电池的开发·实用化使人类摆脱对化石燃料的依赖成为可能，因此寄予厚望。目前在实用化的高分子电解质燃料电池上，由于各单位元件电动势小，故将多数单位元件堆积构成使用。为了对各元件的气体（H2、O2、H2O）进行分离，由于原来采用的石墨分离器加工性低且增大了电池的体积和质量，故现在使用了加工性能高的不锈钢作为隔板材料而大幅度减小电池体积和质量。然而在电池启动和停止时，不锈钢会产生腐蚀和其纯态皮膜的接触电阻增大等问题。因为不锈钢的腐蚀而溶解的Fe、Cr、N等离子使作为电解质的高分子膜和触媒Pt（即催化剂）大幅度劣化。
2004年有研究报告称，通过向钢材中加入N且尽可能不增加其中的Cr、Ni、Mo等合金元素含量，开发了在海水中发生局部腐蚀少的耐海水腐蚀不锈钢。即利用N2*大压力为5MPa的加压式电渣重熔装置，通过对不锈钢的重熔·凝固而实现钢材的纯净化和使N在钢中固溶，从而开发了23Cr-4Ni-2Mo-1N的γ单相不锈钢。这类高氮不锈钢（N含量高达10000ppm）既有优良的机械加工特性，又在夏比冲击试验中显示出可低到-50℃的延性-脆性转变温度等特异性能；而且由于2%Mo和1%N的同时加入使钢在海水环境下完全没有产生间隙腐蚀，因此该高氮钢的耐海水腐蚀性显著。尽管已知固溶于不锈钢中的N能抑制点蚀的发生，但从X射线电子法的解析可知，N富集在钝态皮膜和母相界面附近，在腐蚀过程中形成了NH4+离子，从而阻止了局部pH值的下降。
2.3 汽车和不锈钢
自20世纪70年代以来，由于制定了汽车尾气排放规则及对规则的强化，从而要求大幅度减排CO、HC、NOx等有害气体。燃油在发动机中燃烧而产生的大气污染物，经触媒氧化·还原反应可将CO、HC、NOx转化为CO2、H2O、N2等排入大气。
由于距离汽车引擎越远的部件所接触的废气温度越低，故对不同位置部件的耐氧化性·耐蚀性要求也不同。例如在引擎的正下方，排出的废气温度*高达800℃~1000℃，就要求该位置部件须有耐高温氧化性·耐高温强度和耐高温疲劳强度；在距引擎远的位置，因温度下降导致H2O汽凝结从而引发湿气腐蚀。由于不同部位所处的环境和对材料性能的要求不同，故应分别使用不同的不锈钢和耐热钢。特别是在触媒转换器上的环境温度≥1000℃，还需要尽可能大的面积接触废气以提高触媒转换效率，故必须提高材料的耐久性。为了加快触媒活性的开始时间，也可将转换器从车内地板下移至排气歧管附近，从而将歧管与转换器一体化。汽车排气系统用的触媒有Pt、Rh、Pd等，触媒载体是不锈钢箔，原来一直使用陶瓷材料，现在改为厚度为50μm的19Cr-7.5Al不锈钢蜂巢材，在提高材料耐高温氧化特性的同时，增加了转换器的数值孔径，从而减轻了施加在引擎输出功率上的负担。
不锈钢在汽车行业用量的增加，是与家用轿车使用周期的延长相对应的。鉴于汽车行业的成本要求，今后不锈钢在汽车上的应用可能不会太多，但满足用户需求的研发措施不会停止，并期待在其他领域得到发展。
3 、不锈钢的使用开发和今后发展动向
今后发展方向
由于现在仍大量使用奥氏体系不锈钢，故不可避免的使用镍资源，造成其价格上涨、资源短缺等问题，为此开发了代用材料。*近，铁素体系不锈钢的高纯净化及与使用环境关系的研究整理指明了转换替代奥氏体系不锈钢的方向。要想找到替代Ni的奥氏体稳定化元素并不容易。如上所述N也是奥氏体稳定化元素，研究表明，在23Cr-2Mo-Fe系中加N至1.3%以上时，即使不加Ni也可使钢变成单相奥氏体。虽然因工艺和设备问题生产率较低、成本较高，但这一发现指出了解决此技术的一个关键方向。
除高温耐氧化性外，不锈钢的*大特点在于其钝态皮膜的化学稳定性和优良的再钝化性。关于不锈钢钝态皮膜，已有人归纳了迄今为止的研究成果，查明了皮膜厚度、组成、半导体特性、耐点蚀等特性，但仍有皮膜原子水平的不均匀性、皮膜构成元素的作用、考虑了钝化过程的中间域及表面电子状态的钝化机理等课题需查明。对这些课题进行深入研究，即可为不锈钢的开发与生产开辟新的道路。
