1. 不锈钢概述

我们通常将在大气、淡水等弱腐蚀性介质中不生铁锈的钢称为不锈钢，而将在酸、碱、盐、海水等苛刻腐蚀性介质中耐腐蚀的钢称为耐酸钢。前者不一定耐苛刻腐蚀性介质腐蚀，而后者因都含有足够的铬而均具有不锈性。因此，不锈钢是这两者的统称，又称不锈耐酸钢。

研究表明，随着钢中铬含量的增加，钢的耐蚀性提高，当含铬量达到一定比例时，钢表面会自动形成一种厚度极薄的无色透明、光滑的富铬氧化物膜，防止钢的生锈。这层膜非常稳定，即使破坏也会很快自行修复，被称为自钝化膜[1]。

不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素,而铬是使不锈钢获得耐蚀性的基本元素。除铬外，常用的合金元素还有镍、钼、钛、铌、铜、氮等，以满足各种用途对不锈钢组织和性能的要求。

现行的国家标准规定，以不锈、耐蚀性为主要特性，且铬含量≥10.5%、碳含量≤1.2%的钢，叫不锈钢。

1.1 不锈钢的分类及其特点

不锈钢的分类方法有很多，例如按照钢的金相组织、化学成分和用途特性等划分，具体分类见图1。

图1 不锈钢的分类

按组织类型分类是我国不锈钢分类的最常见方法。他们的耐蚀特点如下[2]：

（1）马氏体不锈钢

马氏体不锈钢是指在常温下保持马氏体组织的一类不锈钢，除了铬含量较高外，其它元素和种类的含量较少。不锈钢中，马氏体不锈钢的耐蚀性较差，适用于腐蚀性较小的普通大气中，在高温湿热或者是海洋大气中腐蚀较为严重。马氏体不锈钢的耐局部腐蚀性能很差，很容易产生点蚀、晶间腐蚀，诱发应力腐蚀，所以在工程选材上要使马氏体不锈钢远离易引发局部腐蚀的环境。

（2）奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢指常温下含有奥氏体组织的一类不锈钢，它是生产和应用最为广泛的一种不锈钢。它主要分为 Fe-Cr-Ni 和 Fe-Cr-Mn 两大类。根据需要不同添加 Nb、Ti、Si、Cu、Mo 等元素，形成了今天种类繁多的种类。奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性，而且力学性能、工艺性能出众，与其他类不锈钢相比，优势在于在低温下仍具有优良的加工性能[3]。它在大气（包括海洋大气）中具有较低的腐蚀速率，而且在普通大气中很少出现缝隙腐蚀和点蚀。

（3）铁素体不锈钢

铁素体不锈钢是指在常温下含有铁素体的一类不锈钢，其中Cr含量一般在12%~30%。铁素体不锈钢耐蚀性优于马氏体不锈钢，对一般的氧化性介质有优良的耐均匀腐蚀性能，在含氯化物的环境中，其抗应力腐蚀性能比Fe-Cr-Ni奥氏体不锈钢优异，但对晶间腐蚀较为敏感。

（4）双相不锈钢

双相不锈钢是指金相组织中含有铁素体和奥氏体的一类不锈钢。由于含有两种不同类型的组织，所以在性能上兼有两种组织的特征。双相不锈钢具有优良的耐腐蚀性能，耐晶间腐蚀性能优于只含有铁素体组织或者奥氏体组织的不锈钢；在低应力条件下，其抗应力腐蚀性能优于18-8型奥氏体不锈钢。某些双相不锈钢具有优异的耐点蚀性能，和含有较高含量的Cr、Mo有关，而和它的双相组织结构无关。但具有优良的抗应力腐蚀和抗敏化性能，则与其双相组织有直接关系。

（5）沉淀硬化型不锈钢

沉淀硬化不锈钢分为奥氏体、半奥氏体型、马氏体型三类。其中马氏体又包括沉淀硬化型和时效型两种。马氏体沉淀硬化型不锈钢具有优良的耐均匀腐蚀性能，在含Cl-的介质溶液或者海水中，沉淀硬化型不锈钢SCC（应力腐蚀开裂）敏感性较小，在含H2S环境中，SCC敏感性上升。

1.2 不锈钢的发展

自不锈钢问世以来，不锈钢钢种的发展很快，变化也很大。不锈钢的种类已经从13%Cr钢发展到了各种不同结构和成分的五大系列。而且不锈钢的标准也随着不锈钢的发展而不断的变化着。根据各方面的需求不断地补充与淘汰，一般为5年修改一次，美国修改比较频繁。近年来，世界各国仍不断地在超低C、N高纯度、高氮合金化、高强度耐酸耐热、节省资源成本、专用化等方面开发了新型的以及特殊用途的不锈钢新钢种[3-5]。几年来不锈钢发展主要表现在一下几个方面：

（1）不锈钢生产向精炼化、连续化、自动化、大型化方向发展；

（2）民用不锈钢不断增加。不锈钢抛光钢带在冷轧板带中所占比例越来越大，已达70%以上，钢管生产已从无缝钢管为主过渡到焊管为主；

（3）不锈钢品种向超薄钢板、超细丝、复合板和表面处理几个方面发展；

（4）标准牌号不锈钢稳步发展。近几年新开发的新型不锈钢基本上是向适用新型专用方面，如高强度、高耐热耐腐蚀；高科技用超纯净、无磁超弹性；以及主要为降低成本、节省资源方面发展。

1.3 不锈钢的工业应用

不锈钢的主要特点是耐腐蚀、耐高温，因此几乎所有工业领域都有应用。主要的应用领域有以下几个方面[6-10]：

（1）不锈钢在模具中的应用。随着制造业的不断发展，对模具的冶金质量、品种、数量和性能的要求不断提高，出现了高合金、高质、优化、普通材料强化及扩展材料应用范围等趋势，并相继出现了一些新型模具材料。模具的工作环境对模具材料的性能要求愈来愈高，在一些化学腐蚀条件下工作的模具应该具有耐蚀性；在强磁场中工作的模具不能产生感应；一些要求耐高温又要耐腐蚀的热作模具，以及一些耐腐蚀的精密塑料模具所需要的材料都不是一般模具钢所能满足的，它需要模具钢具有特殊性能，而不锈钢正是具备以上性能并能够满足需求的钢材。从而也为不锈钢的发展开辟了新的应用途径，而且促进了模具工业的发展。

（2）不锈钢在石油、化工设备上的应用。化工设备一般体积较大，有的容器直径达数米，高度达数十米。设备成形和焊接后很难再进行热处理。而成形和焊接常常对不锈耐酸刚的耐蚀性有不利影响，如热成形和焊接会使不锈钢敏化，并降低钢的抗晶间腐蚀能力；成形和焊接所产生的残余应力在某些介质环境下会产生应力腐蚀破裂。因此绝大部分化工设备要求所用不锈钢在成形和焊接后，在不经热处理的状态下具有足够的耐蚀性，特别是抗晶间腐蚀等性能。

（3）不锈钢在交通运输业的应用。不锈钢在交通运输业当中有着大量的应用，其中包括了汽车工业，船舶工业以及航空、航天工业。在汽车工业当中，不锈钢在排气系统上得到应用；在船舶工业上，由于海上运输，其工作环境恶劣，腐蚀性强。因此早在20世纪，不锈钢就有着广泛的应用，包括推进器，发动机排气系统以及涡轮机叶片等；航空、航天的环境恶劣，腐蚀性强，因此不锈钢在该领域中也有着广泛的应用。不锈钢在多数飞行器上都有大量的使用。如大型液体运载火箭、高强度低温压力容器、航空发动机壳体以及发动机燃烧室外壁等。

2. 不锈钢在航空工业中的应用

航空工业的发展一再证明飞机及航空发动机性能的改进大部分要依靠材料性能的提高来实现。尽管在飞机制造中钢的比重不断下降，但由于钢的高强度、高韧性、高耐应力腐蚀开裂以及良好的抗冲击性能，飞机的一些关键承力结构件如起落架、大梁、大应力接头、高应力紧固件等仍在继续使用高强度钢。同时，由于绿色制造的要求，越来越多的高强度不锈钢应运而生，它们在满足力学性能的条件下还具有较高的耐蚀性，能够替代“合金钢+表面处理”的选材方案，减小社会的环保压力。

航空工业中使用不锈钢制造飞机及发动机相关的零部件，所使用的钢种类包括马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢。

2.1 按材料种类分类

2.1.1 马氏体不锈钢

在航空工业所使用的代表性钢号为1Cr13、2Cr13、1Cr17Ni2，9Cr18Mo等。

1Cr13、1Cr17Ni2用以制作具有良好强度和韧性的零件，如发动机周围排气通路等零件，火箭燃料贮罐。

2Cr13和9Cr18Mo用于制造高硬度零件，如杆、销钉等。9Cr18Mo也用来制作高温周期运动零件和油压零件、紧固件等。

2.1.2 奥氏体不锈钢

在航空航天工业中，奥氏体不锈钢主要应用于大型液体燃料运载火箭、高强度低温压力容器和低压流体容器。见表1。

表1　奥氏体不锈钢在航空航天中的应用

2.1.3 沉淀硬化不锈钢

飞机工业大量使用沉淀硬化不锈钢，所涉及的牌号有PH13-8Mo、15-5PH、17-4PH、Custom450、Custom455、AM350、A-286等。这些材料主要用于航空器的机械系统．包括插销、齿轮、挂钩、杆件、管接头，弹性元件等。如XB-70大型飞机的翼桁使用15-5PH，宇宙飞机的紧固件使用A-286等。

2.2 按应用部位分类

2.2.1 在飞机起降装置上的应用

用于制造飞机起落架的结构材料为30CrMnSiNi2A、4340、300M、Aermet100等。对于在海洋性气候下使用的飞机的起落架、紧固件等则多使用沉淀硬化不锈钢制造，如17-4PH用于F-15飞机的起落架，其改进型15-5PH用于B-767飞机的起落架，PH13-8Mo由于抗应力腐蚀性能比同级别沉淀硬化不锈钢好而有望代替17-4PH、15-5PH以及17-7PH、PH15-7Mo等钢种。

美国自上世纪80年代起对马氏体时效与沉淀硬化不锈钢的强韧化做了进一步的深入研究，如HSL180和Custom465钢等。它们的强度都超过1600MPa，其中HSL180是在淬火、低温处理后，利用回火处理的二次硬化得到了与15-5PH相近的耐腐蚀性和1800MPa以上的强度；美国Carpenter Technology开发的Custom465 (00Crl2Nil1MolTi0.6) 在H1000过时效状态可以提供比其他高强度不锈钢（如NCustom455或PHI3-8Mo）更高的强度、韧性和抗应力腐蚀性的组合，该公司正在研究具有接近2000MPa的高强度特性的不锈钢。

2.2.2 在飞机轴承上的应用

德国FAG公司开发了添加氮的马氏体不锈钢Cronidur30（0.31%C-0.38%N-15%Cr-l%Mo）。它作为比SUS440更耐腐蚀的材料，是通过高压氮气气氛下进行电渣重熔的PESR工艺生产的高氮完全硬化型高温不锈钢。但因其是完全硬化型的，不适于高DN值（D：轴承内径／mm，N：轴转数／arin），然而用同样的Cronidur30通过高频淬火，就可以DN400万的值同时满足残余压应力以及断裂韧性值。但是回火温度低于150℃，就不能承受引擎关闭后热冲击造成的轴承温度上升。

2.2.3 在飞机承力结构件上的应用

飞机承力结构件中的高强不锈钢主要有15-5PH，17-4PH，PH13-8Mo等，并在军用飞机上应用以替代传统的30CrMnSiA等合金钢。其零件形式有舱盖锁闩、高强度螺栓、弹簧等各类零配件。民用飞机将此类高强度不锈钢用于机翼梁上，如波音737-600型机翼梁用15-5PH钢；A340-300型机翼梁用PH13-8Mo钢。

在要求高强度和高韧性，特别对横向性能有特殊要求的部位，如机身框架，使用了PH13-8Mo。在要求高韧性和高耐应力腐蚀性的结构上，使用了Custom465等。Custom465是Carpenter Technology公司研制的，用于制造飞机的襟翼导轨、缝翼导轨、传动装置、引擎支架等，该不锈钢目前已纳入MMPDS-01，AMS 5936和ASTM A564等技术规范中。同时，HSL180高强度不锈钢（0.21C-12.5Cr-1.0Ni-15.5Co-2.0Mo）也用于飞机结构件的制造，该钢兼有与4340等低合金钢相当的1800MPa的强度，与SUS630等沉淀硬化不锈钢同等的耐腐蚀性和韧性。

2.2.4 在飞机零件上的应用

对于一些加工变形量大的零件，如飞机襟翼整流罩，传统上一般采用1Crl8Ni9Ti不锈钢，但该合金强度太低，在使用中，铆钉孔处经常发生拉坏现象。鉴于上述情况，在新型号的设计中，对座舱锁钩、齿垫、发动机吊杆螺栓、液压系统导管弯管接头（锻件）、无扩口管接头、襟翼整流罩等部位的零件采用了我国自行研制的半奥氏体沉淀硬化型不锈钢替代传统不锈钢材料。另外，对于一些高强度螺栓，一般都是高强度合金钢加工而成，表面镀镉进行防护。但在新型号设计中，这类零件均已采用0Cr12Mn5Ni4Mo3Al（69111） 不锈钢进行制造。

3. 不锈钢市场状况

2019年1-9月，我国不锈钢粗钢产量为2248.97万吨，同比增加236.08万吨，增加10.5%。

 

资料来源：中国特钢协会不锈钢分会

2019年1-9月，我国不锈钢表观消费量为1853.12万吨，同比增加193.25万吨，增长11.64%。预计全年不锈钢表观消费为2232.80万吨。

 

资料来源：中国特钢协会不锈钢分会

2019年1-9月，我国不锈钢表观消费量为1853.12万吨，同比增加193.25万吨，增长11.64%。预计全年不锈钢表观消费为2232.80万吨。

虽然我国不锈钢产业发展迅速，终端产品依然还主要集中在棒材、线材以及制管等中低档领域，一些优质材料和高端产品（航空工业领域的专用不锈钢）还需要进口。

【参考文献】

[1] 刘道新.材料的腐蚀与防护[M].西安:西北工业大学出版社, 2006

[2] 李金桂. 腐蚀控制系统工程学概论.[M]. 化学工业出版社, 2009.

[3] 杨柳青,刘道新,谢朝阳,王正良,徐星辰,叶作彦.氯化铁溶液中316L和HR-2不锈钢的腐蚀行为研究[J].腐蚀科学与防护技术,2017,29(02):117-124.

[4] 黄元恒. 近年来国外不锈钢发展状况[J]. 上海钢研, 1999 (1): 37-48.

[5] 程鹏辉, 贺东风, 田乃媛. 我国不锈钢发展现状及展望[J]. 特殊钢, 2007, 28(3): 50-52.

[6] 杜存臣. 奥氏体不锈钢在工业中的应用[J]. 化工设备与管道, 2003, 2: 54-57.

[7] 孙文山. 双相不锈钢的进展及其在工业中的应用[J]. 兵器材料科学与工程, 2001, 24(4): 49-53.

[8] 孙长庆. 双相不锈钢的发展, 性能与应用 (一)[J]. 化工设备设计, 1998, 35(5): 46-51.

[9] 孙长庆. 双相不锈钢的发展, 性能与应用 (二)[J]. 化工设备设计, 1998, 36(6): 48-51.

[10] 孙长庆. 双相不锈钢的发展, 性能与应用 (三)[J]. 化工设备设计, 1999, 36(1): 41-53.

 

By  Everett

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