Thermo-Calc软件在不锈钢品种开发的应用

无锡不锈钢板厂家无锡汉能不锈钢2020年8月31日讯 不锈钢（Stainless Steel）是不锈耐酸钢的简称，耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质或具有不锈性的钢种称为不锈钢；而将耐化学腐蚀介质（酸、碱、盐等化学浸蚀）腐蚀的钢种称为耐酸钢。每种不锈钢都在其特定的应用领域具有良好的性能，新品种开发成功的关键首先是要弄清用途和使用环境，然后再确定正确的钢种。

全球主要不锈钢生产国集中在亚洲地区，我国在2006年已然成为全球最大的不锈钢生产国，紧随其后的分别是印度、日本。21世纪以来，我国的不锈钢产量占全球比例快速提高，从2001年的3.8%，提高到2016年的54.48%，产量达到2493.8万吨。奥氏体不锈钢由于具有无磁性，良好的焊接性能和抗蚀性能，成为产量、用量最大，型号最多的一种不锈钢，全世界不锈钢的产量中，奥氏体不锈钢占75%。

随着奥氏体不锈钢的应用领域愈来愈广泛，对奥氏体不锈钢强度、韧性、低磁性和耐蚀性均提出了越来越高的要求。我国目前的不锈钢也主要以奥氏体不锈钢为主，包括200、300系和400系。

传统奥氏体不锈钢如0cr25ni20多为高Ni含量，其合金元素范围是：WC≤0.08%，19.0%＜WNi＜22.0%，24.0%＜WCr＜26.0%，2.0%＜WMo＜3.0%，WMo≤2.0，WSi≤1.0，WS≤0.030，WP≤0.035。我国镍矿的资源量有限，为了满足国内不锈钢行业的强劲需求，每年需要从国外进口大量的镍资源，导致了近年来Ni价的持续高涨，而且全球的镍供应缺口不断扩大。随着我国不锈钢产量的增加，Ni的供需矛盾将日益凸显，唯一的解决办法就是生产节镍型的不锈钢，降低Ni系不锈钢的比例。

20世纪50年代中期，肖纪美院士在美国开展了650℃以上工作温度的节镍不锈耐热钢的研制，通过系统研究相图与相变，他提出可以用锰、氮部分或全部代替奥氏体不锈钢中的镍。同时首次提出了节镍奥氏体不锈钢基本成分设计和力学性能计算的方法和计算图。该钢种要形成完全奥氏体组织所需的最低碳、氮含量可通过下列公式计算：WC+WN=0.078（WCr-12.5%）。

《材料热力学和动力学计算在钢铁材料中的应用》一书中系统的计算了高N节镍型不锈钢的相图以及合金元素对奥氏体不锈钢相区的影响，提出采用Thermo-Calc热动力学软件进行高氮节镍型不锈钢的成分设计的原理和方法，本文简做介绍。

首先，采用Thermo-Calc软件及其附带的TCFE9数据库计算了传统310S不锈钢相图（见下图），310S不锈钢的基体成分为FE-0.03%C-0.20%Si-1.3%Mn-25%Cr-20%Ni-0.03%Mo-0.0050%N。从传统310S不锈钢相图上可以看出，在低Ni端存在四种类型的含铁素体（BCC）相区：BCC、L+BCC、FCC+BCC、L+FCC+BCC。奥氏体不锈钢是使用状态下以奥氏体组织为主的不锈钢，因此，要想在较宽的温度区域下形成单一的FCC相，则钢中Ni含量必须大于18%，如图中箭头所示。根据肖纪美院士的研究结果，确定节镍不锈钢的品种开发设计采用高Mn、高N替代Ni的思路。

传统310S不锈钢相图（界面图）

接下来，研究不添加Ni元素时在合金设计上是否可行。通过Thermo-Calc软件计算FE-0.03%C-0.20%Si-9%Mn-25%Cr-0.03%Mo-0%Ni-xN多元合金系相图的结果分析得出，即使在N含量高达1%时在整个温度范围内仍然无法获得单一的奥氏体相区。由此可见，用氮元素全部替代镍元素的成分设计思路不可行，必须合理的调整N-Ni比例，在低Ni的基础上采用高N成分设计获得节镍型奥氏体不锈钢。

无镍不锈钢相图（界面图）

根据以上思路分别使用Thermo-Calc软件计算了N含量为0.0050%、0.1%、0.3%、0.5%时FE-0.03%C-0.20%Si-9%Mn-25%Cr-0.03%Mo-N-Ni系多元合金相图，结果示于下图。下图中（a）为0.005%N含量（钢中残余N）时多元合金相图，如图所示，1000℃时获得单一奥氏体相区的临界Ni含量为25%，此时和传统310S不锈钢的合金设计成分类似。下图（b）为0.1%的N含量多元合金相图，1000℃时获得单一奥氏体相区的临界Ni含量为20.9%，增加N时获得单一奥氏体相区的临界Ni含量显著下降。进一步增加N含量到0.3%和0.5%时（下图（c）、（d）），1000℃获得单一奥氏体相区的临界Ni含量分别为12.4%和5.6%。

将以上计算结果汇总后得到钢中N含量和1000℃时获得单一奥氏体区临界Ni含量的关系图，如下图所示，通过大幅度增加钢中N含量，获得奥氏体不锈钢的最低Ni含量可以节省50%以上。

不同N含量时多元合金相图（界面图）

1000℃时的临界Ni含量/%

通过大幅度增加钢中N含量，获得奥氏体不锈钢的最低Ni含量可以节省50%以上。

目前，国内已经开发出各类节镍型不锈钢，如1Cr17Mn9Ni4N，化学成分中的部分Ni被Mn、N代替。与传统1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢相比，其塑性更好，冷作硬化到1200Mpa时伸长率可达到21%-28%，而传统不锈钢1Cr17Mn9Ni4N的伸长率只有6%。此外，由于在低温下变形发生相变诱发塑性效应使其具有优异的低温性能。

今年11月1日，青山实业在中国国际不锈钢工业展览会举办之际发布了最新研究的高氮、高耐蚀、高强度节镍奥氏体不锈钢304D产品，该品种在研发初期即充分利用了热动力学计算软件Thermo-Calc辅助其进行成分设计，维持了304不锈钢18%铬的同时通过高氮合金化（2000ppm以上)以及先进制造工艺，使得它在镍含量大幅度降低3%左右条件下，仍然具有和304不锈钢相当的耐腐蚀能力、冷压延和冷成形能力以及可焊性，并解决了304不锈钢长期以来的强度偏低的问题。

钢种极低碳化(碳≤0.02%)和高纯化(作为杂质元素硫、磷、硅、锰等含量极低)。特殊用途钢种开发，如热海水用高钼钢、高耐蚀高强度的高氮钢(氮含量达到0.4%～0.6%甚至0.8%～1.0%)，不锈钢功能材料(记忆材料、储氢材料等)等。不锈钢复合材料、非晶不锈钢等新工艺开发。日本有学者研究发现，在23Cr-2Mo-Fe系钢中添加1.3%以上的N，而不添加Ni也能获得单相不锈钢，所以未来经济型奥氏体不锈钢的研究还是有广大空间可以开拓。