目前各国不锈钢牌号已超过百种(GB/T 20878-2007《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》包含了143个牌号),不锈钢分类方法很多,按照GB/T 13304.2-2008《钢分类 第2部分:按主要质量等级和主要性能或使用特性的分类》以及国际上通用的分类方法(按钢的金相组织划分),不锈钢分为5类,即奥氏体型不锈钢、奥氏体-铁素体型不锈钢(双相不锈钢)、铁素体型不锈钢、马氏体型不锈钢和沉淀硬化型不锈钢。我国国家标准规定的不锈钢和耐热钢的牌号、化学成分、组织形态见表1-1~表1-6。
不锈钢的分类方法通常以金相组织进行分类。按金相组织分类为:奥氏体(A)型不锈钢、铁素体(F)型不锈钢、马氏体(M)型不锈钢、奥氏体-铁素体(A-F)型双相不锈钢和沉淀硬化(PH)型不锈钢。这几类不锈钢之间的成分如图1-1所示。
一、奥氏体型不锈钢
奥氏体型不锈钢在室温下内部显微组织为纯奥氏体组织或奥氏体十少量铁素体组织。形成少量铁素体的目的主要是防止热裂纹的产生,也有利于防止焊缝的晶间腐蚀。
奥氏体型不锈钢以Cr18Ni9 铁基合金为基础,在此基础上根据不同的用途,发展成图1-2所示的铬镍奥氏体型不锈钢系列。奥氏体型不锈钢不能利用热处理使晶粒细化,也不能经过淬火来提高其硬度。奥氏体型不锈钢在氧化性环境中具有优良的耐腐蚀性能和良好的耐热性能,是应用最广泛的不锈钢,其中以18-8型不锈钢最有代表性,它有较好的力学性能和良好的焊接性,但对溶液中含有氯离子(Cl-)的介质特别敏感,易发生应力腐蚀。在这类钢中添加钛或铌时,能提高其抗晶间腐蚀能力;添加钼、铜和钛,则能提高其在还原酸(如稀硫酸)中的耐腐蚀性能,同时也能提高其抗晶间腐蚀的能力。18-8型不锈钢按其含碳量的不同分为三个等级:一般含碳量(质量分数:≤0.15%)、低碳级(质量分数:≤0.08%)和超低碳级(质量分数:≤0.03%)。
二、铁素体型不锈钢
室温下它的内部显微组织为铁素体。合金元素以铬为主(铬的质量分数为11.5%~32.0%),不含镍,某些钢中添加有Mo、Ti、Al、Si等成分。一般以退火状态供货。随着铬含量的提高,其耐酸性能也提高,加入钼(Mo)后,则可提高耐酸腐蚀性和抗应力腐蚀的能力。这类不锈钢列入国家标准的牌号有022Cr12(00Cr12)、10Cr17(1Cr17)、008Cr30Mo2(00Cr30Mo2)等。该类钢用于制造硝酸化工设备的吸收塔、热交换器、储槽和运输硝酸用的槽罐以及制造不承受冲击载荷的其他零部件和设备。
按照碳和氮(C+N)的总含量,高铬铁素体不锈钢分为普通纯度和超高纯度两个系列。
普通纯度高铬铁素体不锈钢,其碳的质量分数为0.1%左右并含少量氮,如10Cr17(1Cr17)、10Cr17Mo(1Cr17Mo)等。它与常用的奥氏体型不锈钢相比,缺点是材质较脆,焊接工艺性较差。这是因为:铁素体晶粒长大后,只有通过压力加工才能细化;在高温下(例如600~820℃)停留时间长时,wcr≥17%的钢会生成脆性的。相(CrmFen);在400~526℃温度区间停留较长时间会出现室温下的脆性,即475℃脆性。因这类钢脆性较大,所以限制了它的应用。
超低碳和超低氮含量(C+N总的质量分数≤0.025%~0.035%)的超高纯度高铬铁素体不锈钢,如 019Cr19Mo2NbTi (00Cr18Mo2)和008Cr27Mo(00Cr27Mo)等,它们无论在韧性、耐蚀性还是焊接性等方面均优于普通纯度铁素体不锈钢。
三、马氏体型不锈钢
室温下它的显微组织为马氏体。这类钢中铬的质量分数为11.5%~18.0%,碳的质量分数最高可达0.6%。碳含量增高,提高了钢的强度和硬度。在这类钢中加入少量镍可促使生成马氏体,同时又能提高其耐蚀性。
这类钢具有一定的耐腐蚀性和较好的热稳定性以及热强性,可以作为温度在700℃以下长期工作的耐热钢使用。它被广泛用于制造韧性要求较高的零件,如汽轮机的叶片、内燃机排气阀和医疗器械。这类钢的焊接性较差。常用的马氏体型不锈钢有12Cr13(1Cr13)、20Cr13(2Cr13)、30Cr13 (3Cr13)、14Cr17Ni2 (1Cr17Ni2)等。
四、奥氏体-铁素体型不锈钢
室温下其显微组织为奥氏体加铁素体。通常铁素体的体积分数约占50%。这类钢是在18-8型奥氏体不锈钢的基础上,添加更多的Cr、Mo、Si等扩大铁素体元素或降低含碳量而得到的钢种。与含相同碳量的奥氏体不锈钢相比,具有较小的晶间腐蚀倾向和较高的力学性能,且韧性比铁素体型不锈钢好。
该类钢具有抗点腐蚀、抗应力腐蚀性能。双相不锈钢通常以固溶状态供货。常用的牌号有12Cr21Ni5Ti(1Cr21Ni5Ti)、022Cr19Ni5Mo3Si2N (00Cr18Ni5Mo3Si2)、022Cr23Ni4MoCuN、14Cr18Ni11Si4 AlTi (1Cr18Nil1Si4 AlTi)、022Cr25Ni6Mo2N、022Cr22Ni5Mo3N、022Cr23Ni5Mo3N。
双相或复相不锈钢的屈服强度约为一般奥氏体不锈钢的2倍,耐晶间腐蚀性较好。它已在大化肥厂尿素CO2车间冷却器以及制盐蒸发设备等方面推广使用。这类钢机械加工、冷冲压和焊接性能均良好。
五、沉淀硬化型不锈钢
这种钢需经过系列的热处理使钢中的碳化物沉淀析出,从而提高材料的强度。这类钢包括马氏体沉淀硬化型、半奥氏体沉淀硬化型和奥氏体沉淀硬化型三类。其中马氏体沉淀硬化型在固溶处理后,空冷至室温即可得到马氏体十少量铁素体或马氏体十少量残余奥氏体的组织,然后经时效强化。而半奥氏体沉淀硬化型经固溶处理并冷却至室温后,得到的是不稳定的奥氏体组织。为了得到马氏体组织,还需经过M,点升高到室温以上的热处理,然后再使之时效强化。奥氏体沉淀硬化型不锈钢则在室温下呈稳定的奥氏体组织,只需经时效强化即可达到目的。05Cr17Ni4Cu4Nb(0Cr17Ni4Cu4Nb)、07Cr17Ni7AI(0Cr17Ni7AI)、07Cr15Ni7Mo2Al(0Cr15Ni7Mo2Al)属于沉淀硬化半奥氏体型不锈钢。该钢的组织特点是在固溶或退火状态时具有奥氏体和体积分数为5%~20%的铁素体组织。这种钢有很好的成形性能和良好的焊接性。