Nb在現(xiàn)代鐵素體不銹鋼中的應(yīng)用研究進(jìn)展

夏佃秀

(濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

由于全球鎳資源日益短缺，鎳價格不斷上漲，不含或僅含少量鎳的鐵素體不銹鋼(ferritic stainless steel， FSS)的研究與應(yīng)用更加廣泛[1-2]。就性能而言，F(xiàn)SS相對于奧氏體不銹鋼(austenitic stainless steel， ASS)仍然存在著一定的差距。Nb是常用合金元素中最具豐富物理冶金內(nèi)容的合金元素之一，不僅能夠提高材料的強(qiáng)韌性，還能夠改善材料的成型、耐高溫和耐腐蝕性能。近年來，日本、美國、韓國等發(fā)達(dá)國家的不銹鋼企業(yè)都加快了含Nb高性能現(xiàn)代FSS的研究，開發(fā)了許多新產(chǎn)品替代ASS，廣泛用于汽車、廚具、家電產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備、熱水器、房頂板、幕墻及電廠設(shè)備等領(lǐng)域[3]。作為當(dāng)前世界上最大的不銹鋼消費(fèi)國和生產(chǎn)國，我國的Ni資源缺乏問題更為嚴(yán)重[4-5]，因此，開發(fā)并應(yīng)用含Nb高性能FSS對于推動我國不銹鋼工業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。本文綜述了Nb在FSS中的應(yīng)用研究進(jìn)展，以期為我國含Nb高性能FSS的研究開發(fā)及應(yīng)用提供參考。

1 Nb在FSS中的研究進(jìn)展

1.1 Nb的基本特性及其在FSS中賦存狀態(tài)

Nb的基本特性決定了其在FSS中物理冶金的多樣性。Nb是過渡族金屬元素，在較深的4d電子層仍有缺位，與C、N有較強(qiáng)的結(jié)合力。Nb原子序數(shù)41，原子質(zhì)量93，體心立方晶體結(jié)構(gòu)[6-7]。其化學(xué)性能非常穩(wěn)定，在常溫下的空氣中不與氧發(fā)生反應(yīng)，具有耐高溫、耐酸性、抗疲勞等性能，有鋼鐵維生素之稱[8-9]。

Nb在不銹鋼中的存在形式已發(fā)現(xiàn)有3種類型：固溶，碳、氮化物和金屬間化合物[7,10-11]。

1.1.1 固溶Nb

室溫下Nb的點(diǎn)陣常數(shù)為0.330 07 nm，原子半徑為 0.147 nm，比Fe、Ni和Cr大[6-7]。Martines等[12-13]發(fā)現(xiàn)Nb能夠降低FSS的基體堆垛層錯能，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的Nb就能夠?qū)⒍讯鈱渝e能由46 mJ/m2降低到23 mJ/m2。

Nb在整個固態(tài)存在溫度范圍內(nèi)無固態(tài)多型性相變[6]。由Fe-Nb平衡相圖[14-15]可知，Nb在γ鐵中的最大溶解度約為2 %，在α鐵中約為1.8%。雍岐龍等[16]研究表明，Nb的固溶量與溫度有關(guān)系。固溶Nb不論是室溫還是高溫下對鋼的基體都有強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化作用，居Mo、W、Hf、Ti、P、Si、Ta元素之首。而從溶質(zhì)角度看， Nb對熱變形過程中的晶格重組、位錯遷移都有拖拽作用，能夠細(xì)化組織。

1.1.2 Nb的碳、氮化物

Nb是相當(dāng)強(qiáng)烈的碳、氮化物形成元素。在FSS中較常出現(xiàn)的Nb的碳化物和氮化物為NbC、NbN、Nb(C，N)，均為面心立方結(jié)構(gòu)的間隙相[17]，晶格常數(shù)分別為0.446 nm和0.438 nm[18-20]。這些碳、氮化物和基體形成較大的畸變共格，是非常穩(wěn)定的第二相，在很高的溫度下長時間保溫仍可保持細(xì)小的尺寸[6,21-23]。

1.1.3 Nb的金屬間化合物

Nb在不銹鋼中可生成許多金屬間化合物，常見的有FeNb(σ相)、Fe2Nb(Laves相)。這些化合物中有許多可導(dǎo)致脆性，尤其有害的是σ相。Laves 相形成溫度為650～750 ℃，是一種無強(qiáng)化效果的密排六方結(jié)構(gòu)相，形成速度較慢，數(shù)量也較少，主要在晶內(nèi)析出，呈球狀。Mo、Si、Nb和Ti都促進(jìn)Laves相的形成，因此其具有很寬的溶解度和成分范圍。但是，Laves相通常僅在Nb含量較高時才生成。不常見的有G 相(硅化物)和M 相，還有γ(Ni3Nb)相、Fe3Nb3C 等[24-25]。

不論Nb在FSS中以何種形式存在，其作用是多方面的，都是可利用的。

1.2 Nb在FSS中的作用

在FSS中適量加入Nb可改善其室溫力學(xué)性能、耐大氣腐蝕性能、成型性(深沖性)和高溫性能。Nb還可以利用穩(wěn)定化消除屈服點(diǎn)，防止應(yīng)變時效，降低和消除敏化[26]。研究表明[27-29]，加入Nb是賦予FSS良好深沖性能的最有效的方式之一。對性能的影響主要是通過形成穩(wěn)定的碳化物和氮化物，細(xì)化晶粒、提高晶粒粗化溫度，抑制再結(jié)晶及產(chǎn)生顯著的沉淀強(qiáng)化效果等作用[30]。

1.2.1 提高強(qiáng)度

Nb被認(rèn)為是常用合金元素中最有效的細(xì)化晶粒元素之一[11,31]，可通過細(xì)晶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化等強(qiáng)化方式，提高FSS的強(qiáng)度。

1.2.1.1 細(xì)晶強(qiáng)化

Nb對細(xì)晶強(qiáng)化的作用機(jī)制主要有：

(1)阻礙鐵素體晶粒粗化

加入Nb所形成的細(xì)小析出相釘扎在晶界，阻礙晶界移動；晶界移動與第二相質(zhì)點(diǎn)交割時，這種相互作用會吸收界面能量，遲滯界面移動，從而阻止了高溫時的晶粒長大。

(2)抑制再結(jié)晶[11,32-33]。首先，固溶Nb對再結(jié)晶有溶質(zhì)拖曳作用；其次，所形成的Nb(C，N)相在形變組織中析出，釘扎界面，抑制再結(jié)晶，同時由于Nb的析出減少了再結(jié)晶形核位置，從而延遲了再結(jié)晶發(fā)生[11,33-37]。

1.2.1.2 沉淀強(qiáng)化

在鐵素體中析出的NbC、NbN的細(xì)小彌散析出相對位錯的釘扎作用是造成析出強(qiáng)化的本質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，在9Cr-1Mo-V-Nb不銹鋼中Nb的沉淀強(qiáng)化提高了抗蠕變強(qiáng)度。Nb與C形成的析出相NbC、Nb4C3高溫穩(wěn)定性雖不及碳化鈦，但對不銹鋼的蠕變極限、持久強(qiáng)度、沖擊韌性、脆性、臨界轉(zhuǎn)變溫度、焊接性能等均有良好影響[11]?？迪卜栋l(fā)現(xiàn)[38]，w(Nb)/w(C+N)對超低碳17Cr型FSS的室溫屈服強(qiáng)度有較大影響，如圖1所示。

圖1 w (Nb)/w (C+N)對超低碳17Cr型FSS的室溫屈服強(qiáng)度的影響[7,38]Fig.1 Effect of w( Nb)/w (C+N) ratio on yield strength of ultra-low carbon 17Cr type FSS

1.2.1.3 固溶強(qiáng)化

大量研究表明，在對FSS高溫強(qiáng)度改善方面，Nb是眾多元素中最有效的。Fujita等[39]對高純(0.02(C+N)-19Cr)FSS的研究結(jié)果(圖2)表明，Nb對鋼 950 ℃的高溫屈服強(qiáng)度的影響效果最大，Ti最小。他們認(rèn)為，固溶Nb含量對強(qiáng)度影響較大，隨著固溶于FSS基體中Nb含量的增加，其高溫強(qiáng)度提高。Takahashi等[41]在高溫下用原子探針層析技術(shù)(APT)首次觀察到含Nb的 FSS 中 Nb原子在位錯處的偏析，實驗表明溶質(zhì)Nb原子與位錯有很強(qiáng)的相互吸引作用，Nb偏聚在位錯處釘扎，使得FSS在高溫下具有較高的靜態(tài)強(qiáng)度，這為固溶Nb能夠提高FSS高溫性能提供了直接證據(jù)。

圖2 合金元素對19Cr FSS高溫屈服強(qiáng)度的影響[38-40]Fig. 2 Effect of alloying elements on high temperature yield strength of 19Cr FSS

實際上以上3種機(jī)制在一種材料中可能同時在起作用，并且隨著其加工條件的不同而相互影響甚至轉(zhuǎn)化。黃訓(xùn)增等[42]分析了Nb、Ti對430鋼高溫(950 ℃)強(qiáng)度的影響，結(jié)果說明添加了Nb、Ti雙穩(wěn)定化元素的430鋼高溫強(qiáng)度高于傳統(tǒng)430鋼，是因為其主要析出相類型由Cr23C6變?yōu)榱薚iN 和( Ti，Nb) C，另外在晶粒內(nèi)部還有少量的Fe2Nb相析出，這些主要相的溶解溫度均高于1 200 ℃，因此在950 ℃高溫下均穩(wěn)定存在，保持了組織析出強(qiáng)化效果，提高了高溫性能。Juuti 等[43]指出，Ti-Nb雙穩(wěn)態(tài)FSS的室溫強(qiáng)度和高溫(600 ℃)強(qiáng)度的強(qiáng)化機(jī)制有差異，室溫的強(qiáng)度主要依靠金屬間化合物的沉淀強(qiáng)化，而高溫屈服強(qiáng)度則相反，沉淀強(qiáng)化的作用相對較小，固溶體在高溫下的強(qiáng)化作用更大。Fujita等[44]研究了含Nb鐵素體不銹鋼的高溫性能，結(jié)果表明，Nb、Ti、Mo 鋼比 Nb 鋼具有更穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)，因此其在高溫時效過程中具有更好的高溫強(qiáng)度以及更長的熱疲勞壽命。

深入研究指出， Nb-Ti雙穩(wěn)定化較單獨(dú)加Nb具有更好的強(qiáng)化效果。這是因為雙穩(wěn)定化鋼中，在固溶體中的Nb較單獨(dú)添加Nb要高得多，其原因是NbC 在 TiN上附著而抑制了Fe3Nb3C的粗大化，減少了沉淀析出相的Nb，從而使固溶體中的Nb保持在一個相對高的含量水平，進(jìn)而增加了Nb的固溶強(qiáng)化的效果。Nb的這一特性，使之在一些高溫服役的FSS中得到廣泛應(yīng)用[38]。

然而也有實驗表明，Nb在高溫工作條件下容易形成Fe3Nb3C相，這種相非常粗大，會降低基體的韌性。這個問題可以通過兩種辦法解決[45-46]：一是加Nb的同時復(fù)合添加Ti，用于固定碳氮，減少Fe3Nb3C相的析出，從而增加固溶Nb含量，提高FSS高溫強(qiáng)度；二是在FSS的冶煉過程中盡量降低碳的含量，但生產(chǎn)成本較高。

1.2.2 提高耐腐蝕性能

實驗證明，Nb能提高FSS鈍化膜中Cr濃度，提高鈍化膜穩(wěn)定度，從而提高點(diǎn)蝕電位，改善耐點(diǎn)蝕性能。如圖3所示，鈍化膜的穩(wěn)定性和不加Nb時相比，提高了8倍[11,38]。

如圖4所示，隨著Nb含量的增加，低碳鋼的點(diǎn)蝕電位增加，在Nb的加入量為0.4%～0.7%時，點(diǎn)蝕電位最高，耐點(diǎn)蝕性能最好[38]。實驗表明(圖5)，Nb提高點(diǎn)蝕電位，不是Nb進(jìn)入鈍化膜，而是其存在提高了鈍化膜中Cr的濃度。

圖3 Nb對鈍化膜活化壽命的影響(在5% H2SO4中活化)[38]Fig. 3 Effect of Nb on activation life of passive film (activation in 5% H2SO4)

圖4 Nb對低碳17Cr-0.5Cu鋼在0.01 mol/L NaCl,60 ℃中的點(diǎn)蝕電位的影響 [38,40]Fig. 4 Effect of Nb on pitting potential of low carbon 17Cr-0.5Cu steel at 0.01 mol/L NaCl and 60 ℃

圖5 Nb-Cu對17Cr鋼的鈍化膜穩(wěn)定度的影響(空氣中鈍化)[38,40]Fig. 5 Effect of Nb-Cu on the stability of 17Cr steel passivation film (passivation in air)

FSS中加Nb可以防止晶間腐蝕[38,47]。Nb與C的親和力比Cr大，把Nb加入不銹鋼中以后，C優(yōu)先與Nb結(jié)合成NbC，這樣就使鋼中的C不再與Cr結(jié)合成Cr3C2，也就不引起晶界貧Cr區(qū)，從而起到防止晶間腐蝕的作用。

為了提高不銹鋼的耐晶間腐蝕性能，過去采取的方法是降低C和N含量，但隨著對晶間腐蝕性能要求的不斷提高，單靠一味降低C、N含量，既不經(jīng)濟(jì)也不實用。研究表明，當(dāng)w(C+N)≥0.01%[7]，必須加入相應(yīng)數(shù)量的Nb才能固定C、N元素，降低晶間腐蝕的傾向。

1.2.3 對韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響

如圖6所示，在815 ℃退火狀態(tài)下，Nb能夠提高FSS的脆性轉(zhuǎn)變溫度。在1150 ℃退火狀態(tài)下，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.32%的Nb時，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度變化不大，但隨著Nb含量的繼續(xù)增加，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度不斷降低。

圖6 不同熱處理溫度條件下，Nb含量對18Cr-2Mo鐵素體不銹鋼50 J/cm2轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系Fig.6 Relationship between Nb content and 50 J/cm2 transition temperature of 18Cr-2Mo ferritic stainless steel under different heat treatment temperatures

圖7是在10 mm×10 mm V形缺口全尺寸試樣上測試Nb對0.015C-0.15N-18Cr2Mo鐵素體不銹鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響，結(jié)果表明，適量的Nb在適當(dāng)?shù)臒崽幚項l件下具有最低的脆性轉(zhuǎn)變溫度。適當(dāng)?shù)腘b含量對FSS鋼的焊后韌性產(chǎn)生十分明顯的有益影響，存在一個最恰當(dāng)?shù)暮糠秶?，并非越高越好?/p>

圖7 Nb對0.015C-0.015N-18Cr-2Mo鐵素體不銹鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響 [38]Fig.7 Effect ofNb on ductile brittle transition temperature of 0.015C-0.015N-18Cr-2Mo ferritic stainless steel

1.2.4 提高抗高溫氧化性

所謂的不銹鋼，是指鋼中的Cr元素在鋼表面形成了保護(hù)性的鉻氧化皮，延遲了進(jìn)一步氧化。但在高溫條件下，鋼表面所形成的氧化皮和基體金屬由于熱膨脹系數(shù)不同而延展性不同，尤其是周期性熱循環(huán)的環(huán)境條件下，鋼表面的氧化皮將會發(fā)生剝落或開裂從而導(dǎo)致金屬被進(jìn)一步氧化。FSS熱膨脹系數(shù)小，遠(yuǎn)不如ASS那樣容易在高溫循環(huán)氧化條件下形成氧化皮。由于沒有氧化皮的剝落或開裂，也就沒有更進(jìn)一步的氧化，這對于加熱系統(tǒng)、燃燒器或排氣系統(tǒng)包括歧管等的應(yīng)用是一個特別的優(yōu)勢。研究表明，Nb的添加對抗氧化性能也有一定的促進(jìn)作用，DeArdo等[48]在409 鋼中使用Nb-Ti雙穩(wěn)定提高了抗氧化性、抗蠕變性。李鑫等[49]實驗驗證了添加 0.45 % Nb的18CrNb鋼在 900 ℃以下具備優(yōu)良的抗氧化性能。

2 含Nb 高性能FSS的研發(fā)及應(yīng)用

2.1 國外研發(fā)歷程

含Nb超純FSS屬于資源節(jié)約型材料。FSS的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段：第一階段是高碳FSS；第二階段是低碳穩(wěn)定化FSS；第三階段是超低碳穩(wěn)定化FSS[50]。1930年，德國克虜伯公司第一次把Nb應(yīng)用于不銹鋼，改善了V2A鋼抗晶間腐蝕性能[51]。然后美國、日本等國家陸續(xù)開始了Nb在不銹鋼中的應(yīng)用研究。Nb對傳統(tǒng)FSS的成型性、耐蝕性等方面的研究始于20世紀(jì)80年代[4]。由于冶煉脫碳技術(shù)尚不成熟，鋼中含有C、N元素較高，加入的Ti、Nb等元素含量也較高。鋼中存在大量TiN夾雜，給冶煉、連鑄、成材率和產(chǎn)品表面質(zhì)量、焊接性能造成了嚴(yán)重的不良影響。

隨著精煉設(shè)備的完善及三步法熔煉工藝[38,50]的確立，低C、N含量的第三代高純FSS被開發(fā)出來，極大地推動了新型含Nb的FSS開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用。在汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)日益提高以及輕量化的背景下，F(xiàn)SS 因其熱膨脹系數(shù)低，具備較好的抗氧化和抗疲勞性能等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為汽車排氣系統(tǒng)的首選材料。在日本及歐美地區(qū)，含Nb的FSS品種研發(fā)及使用增長極快。日本研發(fā)了大量含Nb FSS并被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)，如1980年新日鐵住金不銹鋼株式會社開發(fā)的含Nb高純凈FSS鋼NAR-160(NSSC 160)，應(yīng)用于制造排氣歧管和前管等汽車零部件[40]。歐美地區(qū)研發(fā)了用于汽車排氣系統(tǒng)的T409型FSS。近十年來，日本汽車用不銹鋼的消費(fèi)量已從平均10 kg增至30 kg，美國已超過40 kg。最具代表性含Nb的409型、439型FSS已在發(fā)達(dá)國家廣泛用于汽車排氣系統(tǒng)[50-52]。

日本企業(yè)還研發(fā)了很多的屋頂用含Nb的FSS(表1)。因為在沿海地區(qū)使用的屋頂材料對耐Cl-離子點(diǎn)蝕性要求很高，所以日本企業(yè)所研發(fā)的屋頂板大都以(20～30)Cr-Mo 為基體，加Cu、Nb，Nb、Ti 或Cu、Nb、Ti 復(fù)合金化FSS[51]。這些屋頂板材料耐蝕性遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的SUS316 好。通過添加Cu 元素，使得FSS鋼板深沖加工時表面質(zhì)量好，號稱“無”縐紋鋼，特別是薄板，無縐紋是很重要的特性。如NSS445M2超純FSS已廣泛用作屋頂板材料，建造了許多不銹鋼半球狀拱形屋頂球場。

表1 日本企業(yè)研發(fā)的屋頂用含Nb FSS成分及性能

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著各行業(yè)的發(fā)展，對FSS形成了不同的應(yīng)用需求，各國通過Nb微合金化和加工工藝技術(shù)研究，研發(fā)了分別具有優(yōu)良的成形性能、耐蝕性能、高溫性能、冷鐓性能、表面質(zhì)量的等不同特性的新型含Nb超純FSS新品種，這些新品種憑借其優(yōu)異的性能、穩(wěn)定的價格以適應(yīng)商業(yè)用不銹鋼各種各樣的特性要求，在高端家電、汽車、建筑裝飾、食品和化學(xué)工業(yè)等行業(yè)得到大量應(yīng)用。

在高端設(shè)備制造方面，含Nb高性能FSS也日漸被研發(fā)及應(yīng)用。隨著火力發(fā)電設(shè)備發(fā)電效率的提高，蒸汽條件趨于高溫高壓化，超臨界壓力發(fā)電設(shè)備的過熱器管和再熱器管之前大多使用SUS3O4、321、347H 等ASS。但由于這些ASS熱膨脹系數(shù)大，在應(yīng)用過程中易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，而且導(dǎo)熱性差，耐應(yīng)力腐蝕裂紋敏感性強(qiáng)，因此鐵素體耐熱鋼成為目標(biāo)材料。由于Nb能夠改善耐熱鋼的綜合性能，日本等國家開始開發(fā)超臨界溫度的FSS，如新型耐熱FSS額定蠕變斷裂強(qiáng)度為140 MPa的NF610(0Cr-0.5Mo-lWVNb)和HCMl2A (12Cr-0.4Mo-2WCuVNb)等[4,51]。

2.2 國內(nèi)研發(fā)應(yīng)用

雖然我國FSS的研發(fā)和生產(chǎn)起步較晚[51]，但近年來隨著冶煉技術(shù)的進(jìn)步，含Nb的FSS研發(fā)和應(yīng)用有了較大的進(jìn)步和發(fā)展，越來越多高性能FSS新鋼種被開發(fā)出來，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、建筑、電梯、家電和家居制品、太陽能熱水器和水處理設(shè)施。

寶鋼、太鋼及北京科技大學(xué)針對汽車用FSS的使用環(huán)境，做了大量的實驗室研究工作。在傳統(tǒng)的409、430、439FSS中添加Nb、Ti，進(jìn)行成分的合理搭配，開發(fā)出耐點(diǎn)蝕、耐高溫?zé)崞谛阅軆?yōu)異的新型FSS，應(yīng)用于汽車排氣系統(tǒng)；另外還針對汽車排氣系統(tǒng)熱端研發(fā)了14CrNb(429型)和18CrNb(441型)等新鋼種[53]；針對汽車車窗裝飾亮條的使用性能要求，通過在傳統(tǒng)430型FSS中加入Nb，開發(fā)了裝飾亮條用含Nb FSS，改善了常規(guī)430不銹鋼表面粗糙度大、光澤度低等問題，成為汽車車窗裝飾亮條的理想材料[54]。目前國內(nèi)大多數(shù)車型的尾氣排放系統(tǒng)已經(jīng)使用FSS。

在建筑用鋼方面，寶鋼開發(fā)的屋頂用含Nb的高耐腐蝕FSS B445R，具有比316L更優(yōu)異的耐大氣腐蝕性能和耐點(diǎn)腐蝕性能，非常適合應(yīng)用于氯離子富集的沿海地區(qū)建筑屋面和外墻。其熱膨脹系數(shù)明顯低于316L和鋁合金，可減小大跨度屋頂?shù)臒嶙冃?，目前已?jīng)應(yīng)用于廣州亞運(yùn)會體育館屋面和幕墻的制造[55]。2012年寶鋼用于這些領(lǐng)域的含Nb FSS產(chǎn)量高達(dá)5.1萬噸；在電梯、裝飾、制品等領(lǐng)域，太鋼開發(fā)出TTS443M、TTS439，寶鋼開發(fā)了B443NT，都得到了廣泛應(yīng)用[56-57]。

寶鋼在傳統(tǒng)的FSS牌號430基礎(chǔ)上添加Nb、Ti元素開發(fā)了家用電器用超純FSS B430LNT牌號，如表2所示，制成的滾筒在經(jīng)48 h鹽霧實驗后，表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐腐蝕性[58]。

表2 SUS 430與B 430LNT成分設(shè)計對比

近幾年，針對太陽能熱水器的工藝性要求和應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)所開發(fā)的專用FSS新品種越來越多。太陽能熱水箱所用材料一般較薄(厚度0.3～0.6 mm)，需要具有良好的成形性和焊接性，另外水箱長期與熱水或熱蒸汽接觸，尤其在環(huán)境污染嚴(yán)重或沿海地區(qū)，對耐腐蝕性能要求很高。以前大多選用304鋼制造，但在水質(zhì)不好、高溫運(yùn)行條件下，材料易出現(xiàn)腐蝕失效，尤其是焊縫部位的腐蝕更為嚴(yán)重。太鋼設(shè)計開發(fā)了太陽能熱水器水箱專用TTS445J1含Nb超純FSS，在點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕劑縫隙腐蝕方面顯示出明顯的優(yōu)勢。已廣泛應(yīng)用于桑樂、海爾等企業(yè)，腐蝕失效率明顯低于304的 ASS[59-60]。

3 我國含Nb高性能FSS研發(fā)中存在問題與未來發(fā)展方向

近十幾年來，我國在含Nb高性能FSS的研發(fā)生產(chǎn)方面取得了很大的進(jìn)步，開發(fā)了許多新型含Nb高性能FSS品種，在許多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。但與中國消費(fèi)大市場相比，開發(fā)的FSS品種種類少、應(yīng)用范圍小，產(chǎn)品還存在質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。與國外相比，我國在新型超臨界溫度的耐熱不銹鋼等高端裝備制造材料研究方面尚處于空白，國內(nèi)含Nb高性能FSS的研發(fā)和生產(chǎn)還有很大差距。

(1)基礎(chǔ)研究有待于繼續(xù)深入

Nb在固溶狀態(tài)下有助于鋼的高溫強(qiáng)化的相關(guān)研究雖然提供了很多力學(xué)性能數(shù)據(jù)，卻只有極少人在實驗中觀察到Nb的固溶或偏聚，支持這些分析的實驗數(shù)據(jù)較少。同時也有研究表明含Nb鋼在高溫下長時間停留，Nb會析出成為碳化物和Laves相，隨著Nb析出，固溶Nb含量下降，導(dǎo)致高溫強(qiáng)度快速下降[35,43,45]。在含Nb的FSS實際應(yīng)用方面，我們發(fā)現(xiàn)造成汽車消音器失效的主要原因是材料析出了大顆粒TiN和(Nb,Ti)(C,N)，造成了點(diǎn)蝕穿孔失效。這說明雖然Nb能夠提高高溫和耐腐蝕性能，但如果生產(chǎn)過程控制不當(dāng)，就會出現(xiàn)Nb大顆粒析出，失去其應(yīng)有的作用，甚至起到反作用。那么在FSS的整個物理冶煉過程中尤其是在與Ti、Mo、Cu等其他合金元素復(fù)合添加的情況下，怎樣合理控制Nb的固溶和析出，得到穩(wěn)定的高溫強(qiáng)度是生產(chǎn)制造的關(guān)鍵。因此，深入地研究Nb在FSS整個加工過程中的物理冶金行為和固溶析出的動力學(xué)機(jī)制，積累更多的實驗數(shù)據(jù)，對于穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、開發(fā)新的耐高溫含Nb的FSS有著非常重要的意義。

另一方面，隨著汽車尾氣排放新標(biāo)準(zhǔn)的實施，汽車排氣系統(tǒng)使用環(huán)境更加苛刻，面臨接近1 000℃的使用溫度，在高溫和腐蝕性環(huán)境中工作，并受到?jīng)_擊振動，要求更高的耐高溫耐熱疲勞性能。對于含 Nb 的 FSS在冷熱交替條件下粒子的析出及其對高溫氧化、高溫疲勞性能的影響也需要深入研究。

(2)國內(nèi)含Nb的FSS產(chǎn)品種類少，且應(yīng)用領(lǐng)域有待于拓寬

圖8 顯示了我國近十年來不銹鋼的產(chǎn)量及其品種結(jié)構(gòu)情況。我國400系不銹鋼年平均占比為22.5%。而在發(fā)達(dá)國家，F(xiàn)SS產(chǎn)量很高，大約占不銹鋼總產(chǎn)量的為30%～40%，其中，美國和日本的FSS所占比例已超40%。日本開發(fā)了很多價格更低且耐蝕性和加工性等同于ASS的含Nb FSS，并在許多領(lǐng)域得到廣泛利用。可以看出，相比于國外市場，中國不銹鋼品種結(jié)構(gòu)極不合理，F(xiàn)SS占比太少。

圖8 我國十年來不銹鋼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化Figure 8 Structure changes of stainless steel products for decade in China

究其原因，一方面是因為我國高性能FSS應(yīng)用的廣度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上國外發(fā)達(dá)國家。雖然我國已經(jīng)開發(fā)了許多含Nb的FSS，但產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域集中在汽車排氣系統(tǒng)、太陽能熱水器、家用電器等行業(yè)，開發(fā)品種數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上市場的需求，還有很多民用產(chǎn)品的潛在需求沒有被挖掘，我國在高端裝備的含Nb鋼的開發(fā)方面也是急需突破。另一方面，我們對含Nb、Mo、Cu、Ti等合金元素的FSS應(yīng)用研究不夠深入，開發(fā)的專用鋼品種少，阻礙了含Nb高性能FSS的推廣應(yīng)用。第三個方面的原因是由于國內(nèi)受傳統(tǒng)消費(fèi)觀念的影響，許多人認(rèn)為含磁性的FSS耐腐蝕性遠(yuǎn)不如不含磁性的ASS，導(dǎo)致生產(chǎn)、消費(fèi)都不如ASS那樣快速發(fā)展。盡管高質(zhì)量的含Nb的FSS已出現(xiàn)多年，大眾對其應(yīng)用也不積極。因此，雖然FSS 在國內(nèi)消費(fèi)潛力很大，但因ASS長期以來形成的優(yōu)勢且企業(yè)缺乏生產(chǎn)高性能FSS 的成熟經(jīng)驗，阻礙了FSS在國內(nèi)的發(fā)展。我們應(yīng)該基于國內(nèi)研發(fā)與需求現(xiàn)狀，加大含Nb鐵素體不銹鋼的應(yīng)用技術(shù)研究和開發(fā)力度，開發(fā)更多含Nb高性能FSS新品種，并積極開拓下游市場，改善中國不銹鋼的品種結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

綜上所述， Nb已經(jīng)成為現(xiàn)代FSS的支柱元素之一，而且資源豐富，價格長期穩(wěn)定，是擴(kuò)大用量和開拓應(yīng)用領(lǐng)域的有利條件。開發(fā)適用于更多領(lǐng)域的含Nb現(xiàn)代高性能FSS，替代ASS，不但節(jié)約資源，改善中國不銹鋼的品種結(jié)構(gòu)，推動我國不銹鋼工業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)汽車、家電、高端裝備制造業(yè)等領(lǐng)域的減量化制造，推動其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級和技術(shù)進(jìn)步。