以不锈性、耐蚀性为主要特性,且铬的质量分数至少为10.5%,其基体以体心立方晶体结构的铁素体组织(α相)为主,有磁性,一般不能通过热处理硬化,但冷加工可使其轻微强化的不锈钢,称为铁素体不锈钢。
铁素体不锈钢管是以铬为主要合金元素,一般不含镍(极个别含少量镍),这类钢含有相当低的碳,一般低于0.12%(质量分数),还常含有铝等铁素体形成元素,该类钢为单相铁素体组织,没有相变。其典型的代表钢种是10Cr17。
铁素体不锈钢管在具有强烈腐蚀性的介质中具有良好的耐蚀性和抗氧化性,这类钢可以抵抗硝酸、热磷酸与亚氯酸等强烈腐蚀性溶液的腐蚀。而且耐氯化物应力腐蚀、耐点蚀、耐缝隙腐蚀等局部腐蚀性能优良。铁素体不锈钢在含微量氯离子和氧的热水和高温水的介质中,以及在苛性钠的溶液中,也表现出优异的耐应力腐蚀开裂性能。随着铬含量的增加,其耐蚀性也增加。
与用量最大的铬镍奥氏体不锈钢相比,铁素体不锈钢不含镍或含少量镍,是节镍型不锈钢,其价格较铬镍奥氏体不锈钢管低;铁素体不锈钢管强度高,冷加工硬化倾向较低,热导率为铬镍奥氏体不锈钢管的130%~150%,线膨胀系数仅为铬镍奥氏体不锈钢管的60%~70%。
但铁素体不锈钢管也存在一些缺陷,突出地表现在它们的室温、低温韧性差,缺口敏感性高,对晶间腐蚀比较敏感等方面,影响了铁素体不锈钢管的使用,其产量也比较低。而且这些缺点随着铁素体不锈钢断面尺寸的增加、冷却速度的变慢和焊接的热影响而更加强烈地显示出来。
铁素体不锈钢管在焊接时无淬火硬化现象,加热大于950℃,焊缝及热影响区晶粒严重粗大,而且无法用焊后热处理来细化晶粒。铁素体不锈钢的塑性和韧性都很低,焊接性较差,又由于焊缝及热影响区晶粒粗大,容易出现475℃脆性、高温脆性及σ相析出所引起的焊接裂纹,因此要采用小线能量焊接工艺规范,防止晶粒粗大。焊接时应先将工件在70~100℃预热,通常采用奥氏体不锈钢焊条焊接,焊接时要特别关注在400~600℃和650~850℃温度区间的加热和冷却速度,避免475℃脆性和σ相析出脆性。焊后作750~800℃退火处理以改善塑性,提高耐蚀性。
铁素体不锈钢的铸造性能较差,铸造收缩率一般为1.4%~1.6%,铸造时晶粒粗大。铬含量很高的铁素体不锈钢,如2GCr28钢铸造时,铸件的热裂倾向性大。
铁素体不锈钢的锻造性能较好。与奥氏体不锈钢相比,铁素体钢的再结晶速度较高,再结晶温度较低,因此在塑性变形过程中晶粒长大的倾向较大;锻造的上限温度应严格限制,一般铁素体不锈钢的始锻温度为1040~1120℃。为了获得细晶粒组织和防止脆性,应恰当地控制变形量和终锻温度,细化晶粒所必须的最小变形量随温度而定,700℃时约为5%,800~900℃时约为10%~15%,最后一次锻打的压缩量不应低于12%~20%,而终锻温度不高于800℃。为了避免因温度过低而产生冷作硬化,终锻温度不应低于705℃。某厂制订的锻造工艺的终锻温度为705~790℃,作者认为还是比较合理的。
由于铁素体不锈钢管导热性差,当表面缺陷用砂轮清理时,局部过热可以引起裂纹,需要用风铲清理或剥皮的方法去除表面缺陷。
铁素体不锈钢管具有良好的切削加工性能,含硫和硒的易切削铁素体不锈钢,切削性能更佳。但铬含量较高的铁素体不锈钢(如w(Cr)=25%~30%)),切削加工比较困难。
特别要提出的是,铁素体不锈钢管热导率较低,在切削加工时容易出现局部过热的现象,会使刀具切削刃加速损坏,为此可采用大型刀具并用切削液冷却。
铁素体不锈钢在管一定温度范围内加热和冷却时不发生相变,因此不能通过热处理来强化。其热处理的目的,一是为了消除冷变形加工和焊接时所产生的内应力,改善加工性能;其次是通过热处理消除铸件在凝固时所产生的偏析,获得单一的、均匀化的铁素体组织,以及消除在焊接过程中所形成的相变产物和475℃脆性。