鐵素體對奧氏體不銹鋼性能的影響

周麗

（山西鋼鐵建設（集團）有限公司，山西 太原 030008）

一、引言

奧氏體不銹鋼具有良好的耐腐蝕性、耐熱性、耐低溫性、良好的形狀和優良的附著力。不銹鋼是一種重要的系列材料，其生產是不銹鋼的一般生產，不銹鋼閥門的主要材料幾乎都是奧氏體不銹鋼，閥門行業對奧氏體不銹鋼的概念只涵蓋了化學成分和機械性能。隨著科學技術的發展，核電站用核安全閥、核反應堆工程專用閥門、國防軍工以及大型化工廠ASC 管道的重要閥門被不斷使用。因此，有必要掌握奧氏體不銹鋼中鐵素體含量的測定和計算方法。

二、奧氏體不銹鋼中鐵素體的作用

（一）焊接性能

焊接奧氏體不銹鋼的主要問題是它對焊縫和受熱區域的熱裂紋和腐蝕的抵抗力，這種類型的問題也是奧氏體鋼使用焊接和釬焊的證據。鐵素體在奧氏體鋼體的焊接中起著極其重要的作用，為防止焊縫的裂紋（熱裂紋）硬化，在奧氏體焊縫中應形成一定量的δ 相鐵素體（4%～12%）。δ 鐵素體是奧氏體不銹鋼（包括焊接金屬），在主要結晶過程（固化過程）中形成并保持在常溫下，由于鐵素體含碳量低，在延展性和強度方面與純鐵相似，但強度和耐久性較低。

焊接工藝實際上是在母材和焊接材料上局部進行的焊接結構、冶金工藝和熱處理。焊接鐵素體能有效阻止低熔點共晶的形成，降低分離率，抵消二次晶界，從而防止塑料在熱影響區產生裂紋。總之，焊縫中的δ 鐵素體對防止和減少奧氏體焊縫金屬的熱裂紋和微裂紋具有積極作用，焊接設計的焊接能力和安全性大大提高。

δ 鐵素體對焊縫有一定的負面影響，對于焊后需要在600℃以上進行熱處理的焊縫，或在600～850℃下長時間運行的焊縫，δ 相鐵素體具有6 相四邊形晶體結構，因為在高溫下鐵素體相更高。它富含Cr，使周圍的Cr放電，使焊縫金屬變脆，在這種情況下，必須檢查焊縫的鐵素體含量在3%到8%之間，或者必須批準再固溶處理以將相鐵素體重新插入基體中。焊縫適用于整個焊接區域，包括焊縫、接頭和受熱區域，奧氏體鋼的焊接結構經常因腐蝕而損壞甚至斷裂，最常見的腐蝕類型是晶間腐蝕和強腐蝕。

由于鐵素體均勻分布在奧氏體晶粒之間的小孔中，削弱了奧氏體柱的晶體和枝晶的取向，使奧氏體晶粒的邊界分離，不斷混合碳化鉻析出物，防止晶間腐蝕。試驗表明，由于鐵素體不易因腐蝕而開裂，因此含有鐵素體的奧氏體焊縫的耐腐蝕性能優于成分相同但鐵素體較少的奧氏體焊縫。

（二）耐腐蝕性能

焊接材料中的δ 相鐵素體（母材和焊接材料）顯著改善了球團的防腐機制和焊接應力和被加熱區域的腐蝕機制，根據與奧氏體不銹鋼相同的機理，在主要金屬鑄件和鍛件中加入少量鐵素體（5%～12%）有助于提高材料的穩定性。另一方面，鐵素體含量應限制在一些腐蝕性介質中，例如鐵素體在尿素和醋酸等介質中的選擇性腐蝕。

（三）力學性能和加工性能

由不銹鋼制成的鐵素體顯著影響材料的機械性能，隨著鐵素體含量的強度增加，而可見度和沖擊強度降低，使用此功能，可以調整鐵素體的成分，以達到材料所需的機械性能。鐵素體含量過高會干擾不銹鋼的鍛造，尤其是鍛比高的鍛件，限制垃圾填埋場票中的鐵素體含量（通常限制在3%至8%）是可以接受的。冷彎奧氏體鋼也是如此，如冷彎、深拉、冷壓和奧氏體壓制鋼，鐵素體含量應進一步限制（通常限制小于5%）。鋼制閥門的基本外殼材料（外殼和涂層），當地企業通常使用CF 奧氏體鋼鑄件中的鐵素體含量不僅可用于鑄件作為主要焊接材料，以防止焊縫中的熱裂紋和微裂紋，還可防止開裂，并發展在固化和鑄造過程中分裂和鑄造材料的力學。

三、鐵素體的形成機理

結合劑對不銹鋼材料的作用可分為兩類，一類是適合奧氏體形成的奧氏體形成元素，另一類是促進鐵素體形成的鐵素體形成元素，這兩種合金的配比直接決定了奧氏體鋼的整體組織和性能。

盡管使用條件特殊，但常規不銹鋼材料中作為典型鐵素體形成元素的Cr 含量約為12%，得益于鐵碳二元圖，當合金溫度從室溫下降到800°C 時，原來表面中心具有立方晶體結構的奧氏體轉變為立方鐵素體或馬氏體結構。“如果在上述鐵鉻合金中加入鎳或多種奧氏體元素，如果溫度降至室溫，初始高溫狀態下的奧氏體仍然可以穩定，從而產生真正的穩定性。

因此，形成合金的奧氏體元素不足以將所有高溫奧氏體轉化為穩定的奧氏體，一旦溫度達到室溫，只有一部分會變成奧氏體，其余部分變成鐵素體和復雜的大燈奧氏體-鐵素體，這類鋼與純奧氏體鋼相比具有明顯的優勢。例如，由于Cr的增加，提高了奧氏體鋼的抗晶間腐蝕能力，不易產生熱裂紋，而且具有加工性能。

所有不同類型的不銹鋼都是鉻含量超過12%的鐵基合金，鐵基合金在高溫（800℃以上）下的主要晶體結構是表面集中的立方奧氏體，當溫度下降到室溫時，體中心的晶體結構變成立方鐵素體（或馬氏體），如果在合金中加入超過7%的Ni 或加入一種或多種形成奧氏體的元素如CN 或Mn，高溫奧氏體晶體在室溫下是穩定的，即在室溫下為奧氏體。如果奧氏體的添加元素總量（鎳當量）不足，在常溫下可能只有一部分是奧氏體，其余可能是鐵素體，可以得出結論，不銹鋼的組織是由合金元素的組成決定的。對于奧氏體不銹鋼的作用，合金元素的作用可分為兩大類，即鐵素體形成元素（稱為鉻當量元素）和奧氏體形成元素（所謂鎳當量元素），兩種元素之間的平衡決定了奧氏體中鐵素體的含量，構成奧氏體的元素包括鎳、Mn、C 和N。構成鐵素體的元素包括Cr、Mo、Si，Nb 和TiCr 是典型的鐵素體形成元素，也是不銹鋼中的重要元素，基于鐵的合金，鉻含量超過12%，Cr 的主要作用是增加耐腐蝕性和抗高氧化溫度。

Ni 是形成和穩定奧氏體的典型元素，圖1 顯示了鎳的影響，圖中對角線上的奧氏體在指定溫度下是穩定的，沿著這條線，鐵素體和馬氏體都具有穩定的晶體結構，Ni 的作用是增加抗酸蝕能力，提高非氧化性介質的抗腐蝕性能，提高和加工混合時材料的強度、彈性和優良的綜合性能。

Mo 是促進鐵素體形成的元素，相當于鉻1。Mo 可以增加鈍化膜的強度，增加抗局部腐蝕的能力，特別耐氯離子腐蝕，可提高在硫酸、磷酸和有機酸等可再生介質中的耐腐蝕性。Mo 還可以提高奧氏體鋼在高溫下的強度。由于Mo 是鐵素體元素，所以在CF3M 等不銹鋼Mo 鋼中必須相應增加Ni 等真正元素的成分，以平衡組織。添加2.0-3.0Mo 后，Ni 含量也增加到9.0%-13，如何提高鋼的高溫特性和在強氧化性介質（如煙熏硝酸）中的耐腐蝕性能，以及在安裝過程中提高鑄件性能，Nb 和Ti 在不銹鋼中起穩定碳的作用，而Cr能與碳結合形成均勻分布在基體中的穩定碳化物，防止碳化物形成。以防止晶間腐蝕，Nb 比Ti 具有更高的抗晶間腐蝕性能，而且Nb 還能提高奧氏體鋼在高溫下的強度，Nb 相網絡的鉻當量可用于計算，C 是大大擴展奧氏體區域的元素，其鎳當量為30。碳對增加奧氏體不銹鋼的穩定性有非常顯著的作用，但碳和鉻很容易結合形成碳化鉻，奧氏體晶粒被耗盡在邊界鉻中，降低了抗晶間腐蝕的能力。因此，降低碳含量是防止晶間腐蝕最有效的措施，奧氏體鋼的含碳量應控制在0.08%（低碳）和0.03%（超低碳）以下。

N 奧氏體的重要形成和穩定元素，鎳當量30 顯著提高了鋼的強度，增加了局部耐腐蝕性（孔和裂紋腐蝕）并減少了六相析出，防止了高溫元素并提供了良好的奧氏體抗性。利用這一特點，美國、法國和中國在過去的20 年里一直在不斷開發含氮或可控氬的不銹鋼，含氮代表有AISI304N 和AISI304LN（含氮0.10%-0.16%），控氮鋼又稱核鋼，如304NG.X2CND18-12（法標RCC-M）和316NG（含氮0.06-0.10%）。這樣的新鋼級顯著提高了強度，提高了鋼的抗晶間腐蝕和腐蝕應力的能力，成功解決了核熱水反應堆運行過程中發生的IGSCC（晶間應力腐蝕）破壞，該型已成功應用于核控鋼制核反應堆（PWR）。Mn 是使奧氏體膨脹穩定的元素，鎳當量為0.5，N 和Mn 通常組合使用作為替代和維持Ni 的基材，Mn 可以增加N 在鋼中的硬度和溶解度，但Mn 會引起六相析出，使鋼變脆，與鋼的耐低溫性和焊接性不匹配。

四、鐵素體含量的測量方法

通過分析鐵素體成分對奧氏體不銹鋼的影響，準確測量鐵素體含量對于奧氏體不銹鋼的合理應用至關重要，目前國際上采用FN 鐵素體數量和FP 鐵素體體積比作為焊縫中鐵素體含量的代表量。國內外常用的檢測方法：化學圖譜法、金相法和磁性法，金相法的優點是可靠性高，因為在按照統計原理進行測量的過程中，必須定期檢測足夠數量的會合區域和跟蹤點，但這種情況下，精度、穩定性和重復性較差，速度慢，效率低，不同檢查員的檢查結果有很大差異。可見，常規金相方法由于測量精度差、測量間隔窄、測量過程困難等原因導致不常使用。Atlas 化學分析法可以通過測量奧氏體和雙相不銹鋼的化學成分來確定鐵素體含量，大量的試驗和研究表明，鐵素體含量的計算值與實際測量值有很大的偏差，這是由于光譜本身和化學成分分析結果的誤差等諸多因素的累積影響。磁法是目前檢測鐵素體含量最完善、最方便的方法，被認為是測量焊縫中鐵素體含量最好的方法之一，但是，鐵素體分布不僅會影響測量的準確性，需要多次測量才能保證數據的可重復性。因此，建議采用磁法檢測奧氏體不銹鋼中的鐵素體含量。

五、結論

綜上所述，鐵素體的作用是雙重的，奧氏體鋼母材和焊接材料中含有一定量的鐵素體，對于防止熱焊、增加焊縫抗晶間腐蝕和腐蝕能力起著非常重要的作用，同時鑄件中一定量的鐵素體有利于防止熱溢出和提高鑄件的機械性能，其不利影響需要在某些特定條件下進行控制，例如高溫、超低溫和選擇性侵蝕性環境。因此，研究鐵素體在奧氏體不銹鋼中的作用，掌握鐵素體的調節、測量和計算原理非常重要，特別是對設計生產用高參數鋼制閥門的研發。