1前言

不銹鋼一般應(yīng)用于抗腐蝕和抗高溫氧化性。也可用于裝飾、醫(yī)療和其它用途。我們討論的僅限于通用不銹鋼牌號(hào)的Cr、Ni和Co的主要功能；從冶金學(xué)上可以看出，由于替代少量的Ni對(duì)牌號(hào)(18-8) 的最終應(yīng)用沒(méi)有任何不利影響。事實(shí)上，該建議的實(shí)施可以提高鋼的質(zhì)量和凝固特性。

“故意” 添加額外的Co到不銹鋼熔體中不是我們的目的，因?yàn)槟壳癈o比價(jià)格更昂貴；Co是“剩余的” 并且通常作為“殘余元素” 包含在鎳鐵中；或包含在由Ni或者M(jìn)o組成的高溫合金中。

許多鋼鐵廠在冶煉生產(chǎn)時(shí)都有不同的配料方式，每降低0.05%的Ni相當(dāng)于節(jié)約1b/t的Ni；可以顯著降低成本和提高利潤(rùn)。

2 背景

Uhlig和許多人認(rèn)為，元素Cr提供了主要的耐蝕性能。假定表面形成氧化鉻亞微觀層。Cr越高，耐腐蝕性越好。我們所關(guān)注FeCr合金(不銹鋼-鉻含量約18%)在室溫下是BBC(體心立方-鐵素體) 。Ni的添加由BBC逐漸變成了FCC(面心立方-奧氏體) 。大約18%的Cr和8%的Ni，該結(jié)構(gòu)主要的(92%~98%)奧氏體含量取決于是否有其它元素的添加。

舍弗勒和后來(lái)的德隆，同時(shí)致力于焊接問(wèn)題的研究，量化鐵素體化元素Si和Mo的相對(duì)值和Cr一起能促進(jìn)和穩(wěn)定BBC結(jié)構(gòu)。反之，量化Mn、C、N的相對(duì)值和Ni一起，作為奧氏體化元素穩(wěn)定FCC結(jié)構(gòu)。這二個(gè)科學(xué)家組成的平衡圖(Cr當(dāng)量與Ni當(dāng)量)俗稱舍弗勒-德隆圖(圖1，2略)。

隨著時(shí)間的推移，許多科學(xué)家根據(jù)微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)鉻當(dāng)量(Cr eq) 和鎳當(dāng)量(Ni eq) 不斷進(jìn)行了修改，在Cr當(dāng)量公式組成中加入了許多新元素，像V，Al，Nb，Ti，W。在Ni當(dāng)量公式中也加入了許多新元素，如Co和Cu(除了C，Mo和N) 。下面列舉些例子(表1，略) ，以后會(huì)有更多公式出現(xiàn)。

更多的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量的計(jì)算示例被其它公司/科學(xué)家使用 (略) 。

這些公式的不斷修改，使關(guān)于δ鐵素體含量的計(jì)算更加科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)。因?yàn)?，?duì)于每一個(gè)元素，不同的科學(xué)家都乘回歸系數(shù)辦法(多元統(tǒng)計(jì)回歸學(xué)) ，可以肯定的是，除了個(gè)別情況，這些系數(shù)都不是絕對(duì)的。例如，如上所示乘法因子Co是0.41，0.50和1.0。類似的如果對(duì)于Si，Mo等是有效的。

3 δ鐵素體、鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量的作用

δ鐵素體在奧氏體不銹鋼凝固過(guò)程中起著重要作用。缺乏鐵素體的完全容易開裂。低熔點(diǎn)共晶相也是硬化裂紋潛在因素。無(wú)論硬化是來(lái)自焊接熔池的形成過(guò)程還是冶煉從液體到澆注的過(guò)程，從金相上來(lái)說(shuō)，其纖維組織形成是相似的。據(jù)推測(cè)研究，大約3%~8%的δ鐵素體有利于消除硬化裂紋，類似于304。

基體中沒(méi)有鐵素體可能會(huì)導(dǎo)致不良的硬化裂紋，但過(guò)多的鐵素體將降低熱塑性。一些研究表明當(dāng)鉻當(dāng)量值/鎳當(dāng)量值＞1.5~1.8時(shí)裂紋傾向性較低。下面為圖3(略)和圖4(略) 描述的結(jié)果。

因此，控制不銹鋼中Ni和Co成為一種微妙的平衡。而下面討論的目的是為更好地控制質(zhì)量，我們建議允許少量的Ni被“殘余” 的Co來(lái)代替保持同樣的鎳當(dāng)量?？茖W(xué)家和冶金家們經(jīng)過(guò)討論認(rèn)為，倍率系數(shù)0.41~1.00(我們認(rèn)為0.60) 是比較合理的數(shù)值。

有時(shí)，在不銹鋼廢鋼中殘余元素Co非常低，因此關(guān)于成分平衡沒(méi)有太大意義。殘余元素Co超過(guò)0.20%在核電領(lǐng)域仍然是不可取的。當(dāng)處于核反應(yīng)堆中強(qiáng)輻射環(huán)境下，Co將變得有很高的放射性。因此，在核服務(wù)中任何的不銹鋼將維持對(duì)Co含量的限制，Co殘余的應(yīng)用僅僅是在非核電領(lǐng)域。同時(shí)，由于Co沒(méi)有參與Ni當(dāng)量的計(jì)算，鐵素體含量不可估計(jì)并且不穩(wěn)定，造成凝固硬化現(xiàn)像不斷發(fā)生。利用廢鋼中較高的殘余Co和較低的鎳共同作用達(dá)到同樣的鎳當(dāng)量，生產(chǎn)出無(wú)裂紋的產(chǎn)品是非?？尚械母咝б婀に?。

4 Co和Ni特征的比較

在周期表中的Co(原子序數(shù)27) 和Ni(原子序數(shù)28) 占據(jù)并排位置。它們的原子量為58.93與58.69。在二元合金中Ni和Co形成100%的固熔體。熔點(diǎn)為1493℃(Co) 與1455℃(Ni) 。二種元素在高溫下形成并穩(wěn)定，即使在室溫下，Co是六角形結(jié)構(gòu)，Ni是立方體結(jié)構(gòu)。最外層軌道的電子結(jié)構(gòu)是相同的(4s2)。因此，假設(shè)少量的Co(≤0.75%)替代Ni(≤0.45%)不會(huì)破壞不銹鋼的冶金性能，事實(shí)上，Co支持和承擔(dān)了Ni的功能。

在固熔體狀態(tài)，如少量的Ni被相應(yīng)Co替代，似乎沒(méi)有任何的冶金問(wèn)題。Ni和Co的等效方法采用系數(shù)法，每1%的Ni，Co的范圍從0.41~1.0。我們建議一個(gè)相對(duì)保守的方法計(jì)算鎳當(dāng)量，Ni=0.60 x %Co。

5 腐蝕

Ni和Co一樣應(yīng)該是完全固熔(18/8不銹鋼) 。少量的Co(最多0.75%)取代Ni，不引起奧氏體結(jié)構(gòu)晶格的任何重大變化(變形) 。因此，由于附加應(yīng)力造成的腐蝕作用不應(yīng)該有任何顯著變化。

6 機(jī)械性能

由Ni組成的和由少量的Co(0.50%~2%)取代Ni組成的改進(jìn)后的304，從根本上說(shuō)變形特性是一樣好的。

因此，我們建議的極限是∶如果我們?cè)?04L中用0.75%Co替代Ni，Ms將會(huì)上升30F并且Md將會(huì)上升31F；表明用Co替代的合金比基本的304L12的加工硬化率稍高一些。

7 總結(jié)

我們建議，Ni上升0.45%允許被“殘余” Co(上升0.75%)替代，保持0.60 x %Co=%Ni關(guān)系式，最低8.00%的Ni含量要求應(yīng)該被“修改” 為%Ni+(0.60 x %Co)=8.00%。

利用類似的冶金原理，此建議的應(yīng)用范圍可以擴(kuò)展到像316和316 L以及相似的合金牌號(hào)中如CF-8M和CF-3M。