導(dǎo)讀：在前期《知鋼解密：無磁鋼不僅僅是不銹鋼餐具，造遼寧艦也用》這篇文章中，我們對(duì)無磁鋼分類、用途做了一個(gè)簡單介紹。

無磁鋼按使用性能劃分，可分為奧氏體無磁不銹鋼和無磁結(jié)構(gòu)鋼。本期對(duì)無磁不銹鋼做詳細(xì)介紹，下期介紹無磁結(jié)構(gòu)鋼。

無磁不銹鋼

奧氏體不銹鋼自1913年在德國問世以來，其成分主要在18－8不銹鋼(即0Cr18Ni9，美國牌號(hào)AISI304，日本牌號(hào)SUS304)基礎(chǔ)上進(jìn)行演變，被廣泛應(yīng)用于要求材料具有抗氧化和耐腐蝕性能的場合。

由于奧氏體在室溫下表現(xiàn)為順磁性，因此，部分奧氏體不銹鋼也可以作為無磁或低磁不銹鋼使用，以防止精密零部件生銹導(dǎo)致的磁導(dǎo)率升高，干擾磁場，并對(duì)周圍零件產(chǎn)生進(jìn)一步侵害。

隨著低溫超導(dǎo)、電子儀表、海洋工程等行業(yè)的快速發(fā)展，鋼鐵材料的服役環(huán)境日益復(fù)雜，一些精密零部件或特種裝備可能要求材料同時(shí)具備良好的無磁性、耐蝕性、抗氧化性以及力學(xué)性能，這則需要設(shè)計(jì)和研發(fā)專門的無磁不銹鋼新品種，以滿足不同的使用要求。

二戰(zhàn)歐美無磁不銹鋼的發(fā)展

20世紀(jì)40年代初，由于第二次世界大戰(zhàn)期間鎳資源的短缺，促進(jìn)了以Mn、N復(fù)合合金化來替代Ni穩(wěn)定奧氏體的研究，使美國發(fā)展出以AISI201和202和Nitronic系列為代表的Cr－Mn－N系不銹鋼作為300系列不銹鋼的替代品。

AISI200系不銹鋼雖然具備奧氏體鋼的無磁特性，但由于Ni含量較低，其耐腐蝕性不及AISI304不銹鋼，一直在有限的范圍內(nèi)使用，一般用于中性干燥環(huán)境中的結(jié)構(gòu)支撐領(lǐng)域，在成熟的不銹鋼主要生產(chǎn)國和消費(fèi)國中，其生產(chǎn)和消費(fèi)約占不銹鋼總量的2%左右。

Nitronic系列無磁不銹鋼主要是以Mn、N復(fù)合添加來替代部分Ni，達(dá)到穩(wěn)定奧氏體的作用，并降低材料成本。Nitronic32(0Cr18Ni2Mn12N)無磁不銹鋼的強(qiáng)度接近AISI304不銹鋼的兩倍，具有良好的抗應(yīng)力腐蝕能力，退火態(tài)磁導(dǎo)率為1.008，經(jīng)過70%冷變形后，磁導(dǎo)率小于1.011。

Nitronic50(0Cr22Ni13Mn5Mo2N)無磁不銹鋼具有良好的耐蝕性和較高的強(qiáng)度，經(jīng)過劇烈冷變形或在低溫下長時(shí)間停留仍能保持良好的無磁特性，75%冷變形后磁導(dǎo)率仍為1.004。

Croloy299(20Cr17Mn14.5Ni1.5N)無磁不銹鋼經(jīng)過冷加工后，具有高強(qiáng)度和高硬度，磁導(dǎo)率小于1.01，退火態(tài)的屈服強(qiáng)度為455MPa，抗拉強(qiáng)度為805MPa，延伸率達(dá)到61%，硬度為HＲC20，。冷加工后屈服強(qiáng)度為1120MPa，抗拉強(qiáng)度為1190MPa，延伸率為24%，硬度為HＲC37，可用作高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)管、耐硝酸腐蝕部件和油氣井測量工作用高強(qiáng)度耐蝕構(gòu)件。

德國(含前西德)海軍于1962年采用低磁鋼制造了U1和U2潛艇，經(jīng)過Mn－Cr系、Cr－Ni系和Cr－Ni－Mn－Mo－N系等三代無磁鋼的研制和應(yīng)用，解決了無磁鋼的晶間應(yīng)力腐蝕開裂、耐蝕性和焊接性等問題，已形成高強(qiáng)不銹低磁鋼及其配套材料系列，現(xiàn)已建造了大量的潛艇和反水雷艦艇，其中Cr－Ni－Mn－Mo－N系高強(qiáng)不銹低磁鋼具有良好的耐海水腐蝕性、良好的抗裂紋敏感性及良好的冷熱加工和焊接工藝適應(yīng)性，力學(xué)性能已達(dá)到相當(dāng)高的綜合水平。

可以說目前德國在新型高強(qiáng)低磁鋼的研制與應(yīng)用方面處于國際領(lǐng)先水平。為適應(yīng)艦船高強(qiáng)無磁耐蝕的要求，上世紀(jì)80年代初西德開發(fā)了X2CrNiMnMoN1913和X2CrNiMnMoN1916兩種Cr－Ni－N系無磁不銹鋼，固溶處理后屈服強(qiáng)度大于402MPa。

而開發(fā)的高強(qiáng)度耐海水腐蝕無磁不銹鋼X3CrNiMoNbN24163(Mnwt.%=5%，Nwt.%=0.3%～0.45%)經(jīng)過1050℃固溶處理后，室溫屈服強(qiáng)度為600MPa，抗拉強(qiáng)度950MPa，沖擊功為180J;－80℃屈服強(qiáng)度為750MPa，抗拉強(qiáng)度1200MPa，沖擊功為135J;－196℃屈服強(qiáng)度為1300MPa，抗拉強(qiáng)度1800MPa，沖擊功為65J。

日本無磁不銹鋼的發(fā)展

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)在日本的高速發(fā)展，傳統(tǒng)無磁不銹鋼(如AISI304)的強(qiáng)度和磁導(dǎo)率已經(jīng)難以滿足使用要求，日本各鋼鐵公司也投入大量精力開發(fā)和研制新型無磁不銹鋼以適應(yīng)不同需求，并申請了大量相關(guān)專利。

日本川崎鋼鐵公司針對(duì)無磁不銹鋼的研究結(jié)果表明，19Cr－13Ni－1.0Mn－0.07C是無磁不銹鋼的最佳組成，進(jìn)而開發(fā)出R305S無磁不銹鋼。與SUS316相比，該鋼具有相近的耐點(diǎn)蝕性，奧氏體加工穩(wěn)定性極高，即使進(jìn)行60%的劇烈冷加工，也能保持充分的無磁性，并且耐磨性、焊接性良好，焊接部位不生成δ鐵素體，適用于制造電工、電子零件或磁記錄裝置等零部件。

新日本鋼鐵公司開發(fā)的YUS130高強(qiáng)度無磁不銹鋼，其化學(xué)成分為:20Cr－5Ni－10Mn－0.3N，厚度0.6mm冷軋薄板的抗拉強(qiáng)度為853MPa，屈服強(qiáng)度為498MPa，延伸率為42.5%。冷變形高達(dá)90%的0.4mm厚冷軋薄板，無馬氏體生成，磁導(dǎo)率保持在1.01以下。

日本金屬工業(yè)公司研制了深沖用無磁不銹鋼NTKD－8，其主要化學(xué)成分為18Cr－12.5Ni－3.5Cu，該鋼具有穩(wěn)定的奧氏體組織，加工過程中不易發(fā)生馬氏體相變，故加工硬化指數(shù)只有0.35，退火態(tài)硬度為HV128，經(jīng)過70%冷加工，硬度為HV340，極限深沖系數(shù)達(dá)到2.1。

日本開發(fā)的10Cr－5Ni－8Mn－1.6V無磁不銹鋼，經(jīng)過固溶和時(shí)效處理后，析出VC型和M7C3型一次碳化物以及V4C3和M23C6型二次碳化物。當(dāng)析出物粒徑為5nm～10nm時(shí)，硬度最高。隨著時(shí)效時(shí)間的延長，析出棒狀或立方狀M23C6碳化物，尺寸達(dá)到200nm～300nm，造成鋼的二次軟化。

開發(fā)的高強(qiáng)度無磁不銹鋼QSM5，基本化學(xué)成分為6Mn－6Ni－18Cr－Cu－N，固溶處理后沒有鐵素體生成，經(jīng)過40%冷變形，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1300MPa，磁導(dǎo)率μ＜1.01，可作為高強(qiáng)度無磁緊固件用鋼。

我國無磁不銹鋼的發(fā)展

上世紀(jì)70年代末，中國也開始對(duì)無磁不銹鋼進(jìn)行研究和開發(fā)，但品種相對(duì)較少。北京鋼鐵學(xué)院金屬物理教研組蘇世漳等在參照美國西屋電器公司kronlarc－55無磁不銹鋼成分和性能的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了用于極低溫度(20K)的氫泡室制造的Cr－Ni－Mo系無磁不銹鋼，在－196℃和－269℃進(jìn)行拉伸變形后，仍為韌性斷裂，磁導(dǎo)率μ＜1.005。

成都無縫鋼管廠為滿足海軍建設(shè)需要，開發(fā)了906奧氏體高強(qiáng)度不銹鋼管，屈服強(qiáng)度大于400MPa，晶間腐蝕、磁導(dǎo)率和壓扁實(shí)驗(yàn)均可滿足使用要求，從而能夠取代原牌號(hào)2Cr18Ni11Ti無磁不銹鋼。

李長才等研究了不同化學(xué)成分和形變熱處理工藝對(duì)Cr16Ni14無磁不銹鋼磁性能和力學(xué)性能的影響，指出要獲得良好性能，不僅應(yīng)當(dāng)選擇恰當(dāng)?shù)逆嚠?dāng)量和鉻當(dāng)量配比，還必須嚴(yán)格控制帶鋼生產(chǎn)過程中影響磁性的工藝因素，固溶處理有助于使磁導(dǎo)率恢復(fù)到較低水平。

吳崇源和簡忠賢研制了液氦溫度下使用的超低溫?zé)o磁不銹鋼Cr13Ni9Mn9N，發(fā)現(xiàn)該鋼在液氦溫度下不發(fā)生馬氏體相變，并且具有高強(qiáng)度、高韌性和低的磁導(dǎo)率，是優(yōu)于國內(nèi)外廣泛采用的21－6－9和310S的新型無磁不銹鋼，可用作低溫超導(dǎo)結(jié)構(gòu)材料。

呂清法等開發(fā)了“高C低N型”和“高N低C型”新型3J8無磁高強(qiáng)度不銹鋼，其冷變形態(tài)的抗拉強(qiáng)度可達(dá)2170MPa～2350MPa，經(jīng)回火后，抗拉強(qiáng)度達(dá)到2500MPa～2700MPa，表現(xiàn)出良好的冷拉塑性和優(yōu)良的無磁不銹性，適用于制造手表發(fā)條以及各種精密儀表中的彈簧等。

朱長春等開展了耐海水無磁不銹鋼的研究，實(shí)驗(yàn)鋼(ONMS)的化學(xué)成份為Mn:3%～10%，Cr:18%～26%，Ni:12%～20%，Mo:3%～7%，N≥0.2%，結(jié)果表明，該鋼具有良好的力學(xué)性能、無磁性能、耐點(diǎn)腐蝕和耐海水腐蝕性能。

李靜媛等研究了節(jié)鎳無磁不銹鋼Cr18Ni6Mn3N的熱軋及固溶后的力學(xué)性能和耐蝕性能，分析了其固溶和時(shí)效析出后的組織演變規(guī)律、冷變形過程中形變誘發(fā)馬氏體相變及其磁性能。結(jié)果表明，冷軋壓下率18.3%時(shí)尚未發(fā)現(xiàn)形變誘發(fā)馬氏體組織，隨著變形量增大，馬氏體含量增多，磁導(dǎo)率上升，但與相同條件下的AISI304不銹鋼相比，冷軋板固溶后相對(duì)磁導(dǎo)率可降至1.002，因此可用于低成本無磁不銹鋼領(lǐng)域。

鄒章雄等研究了熱處理工藝以及N元素含量對(duì)無磁鉆鋌用Cr－Mn－N奧氏體不銹鋼再結(jié)晶過程析出行為和力學(xué)性能的影響，當(dāng)N含量從0.62wt.%提高至0.78wt.%后，對(duì)鋼的強(qiáng)化作用明顯。

上述無磁不銹鋼的強(qiáng)化手段主要通過冷變形來獲得。對(duì)于不能通過冷變形而獲得高強(qiáng)度、高硬度的無磁不銹零件，可以通過彌散強(qiáng)化的時(shí)效熱處理工藝來得到。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在許多重要的領(lǐng)域，例如核工業(yè)、化工工業(yè)、石油工業(yè)、航天航空領(lǐng)域的許多零件，一些特殊領(lǐng)域，例如高溫高壓水、硝酸、硫酸等使用的無磁、不銹耐磨材料及耐蝕軸承合金等，各國都進(jìn)行了大量的研究。

美國開發(fā)了S08020、N08825、N08026和S3142等一系列Fe－Ni基耐蝕合金。在日本，由于普通無磁鉆鋌是用溫鍛的高N、Cr－Mn奧氏體不銹鋼制成，易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，為此研制了Nipponel－280無磁不銹耐蝕合金，化學(xué)成分為w(C)=0.009%、w(Mn)=0.82%、w(Ni)=33.7%，w(Cr)=18.3%，w(Ti)=1.98%，w(Al)=0.53%，w(N)=0.005%，該合金磁導(dǎo)率小于1.01，屈服強(qiáng)度為689MPa，抗拉強(qiáng)度為1035MPa，在高溫高濃度氯化物介質(zhì)中不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，并且腐蝕疲勞強(qiáng)度不受介質(zhì)的影響。

我國目前已研制出新型無磁、耐蝕不銹鎳基合金，其硬度較高，磁導(dǎo)率在1.323×10－6H/m以下。該合金屬于高鎳、鉻合金，是具有耐高溫、無磁和耐腐蝕的合金材料，用于制造耐酸、耐堿、無磁性、超低溫及抗中子輻照等軸承內(nèi)外套圈和無磁模具等。

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