不鏽鋼是20世紀重要發明之一，經過近百年的研製和開發已形成一個有300多個牌號的系列化的鋼種。在特殊鋼體系中不鏽鋼性能獨特，應用範圍廣，起其它特殊鋼無法代替的作用,而不鏽鋼幾乎可以涵蓋其它任何一類特殊鋼。
1 奧氏鋼的演變
在發達國家，每年消耗的不鏽鋼中約有70%是奧氏體不鏽鋼，儘管我國消費水平不高，奧氏體不鏽鋼的消耗量也達到總消耗量的65%左右。所以看不鏽鋼牌號發展動向首先要看奧氏體不鏽鋼的動向。
早期的研究者已發現碳是造成奧氏體不鏽鋼晶界腐蝕損坏的主要原因，限於當時的冶金設備水平，很難將碳控制到0.03%以下，最終想出了在鋼中加入 Ti和Nb，使其優先與碳反應，生成TiC和NbC，將碳固定住的方法，防止碳在晶界析出生成Cr23C6，造成晶間腐蝕。由於Nb的成本很高，直到七十年代中期，含Ti穩定化鋼1Cr18Ni9Ti仍在不鏽鋼中占主導地位。
1Cr18Ni9Ti鋼水粘稠，連鑄坯表面質量很難過關。採用模鑄，鋼錠表面質量不好，必須進行剝皮修磨，成材率很低。成品鋼材含有TiN夾雜，純淨度低，表面拋光性能差，拉細絲斷頭多。到了20世紀60年代末期，不鏽鋼冶煉技術取得了突破性進展，廣氾採用AOD和VOD法鍊鋼，降低不鏽鋼中的碳不再歉鑫侍飭恕E貳⒚饋⑷盞裙ひ搗⒋錒蟻群罌⒘艘幌盜械吞己統吞几鄭琓i穩定化鋼逐步被低碳和超低碳鋼所取代。七十年代，美、日等國已將 1Cr18Ni9Ti從標準中淘汰，儘管保留了0Cr19Ni11Ti（321）但其產量僅占總量的0.7～1.5%，順利地完成了從含鈦穩定化鋼向低碳和超低碳鋼的過渡。
我國不鏽鋼的生產與應用相對滯后，儘管1984年頒布國家標準GB1220-84《不鏽鋼棒》時，將1Cr18Ni9Ti列為不推薦使用牌號，但1Cr18Ni9Ti的主導地位並沒有變化。直到1995年，隨着國民經濟的發展，特別是合資企業的介入，國內市場與國際市場逐步接軌，短短5～6 年時間，我國奧氏體不鏽鋼已完成從含鈦穩定化鋼向低碳和超低碳鋼的過渡。目前除少數傳統產業仍使用1Cr18Ni9Ti外，304（0Cr19Ni9）和 316（0Cr17Ni12Mo）已成為不鏽鋼的主導牌號。

2 以氮代碳，發展含氮不鏽鋼

在奧氏體不鏽鋼中氮和碳有許多共同特性，如增加奧氏體穩定性，能有效提高鋼的冷加工強度等。提高碳含量會降低不鏽鋼的抗晶間腐蝕性能，氮與鉻的親和力要比碳與鉻的親和力小，奧氏體鋼很少見到Cr2N的析出。因此，加適量的氮能在提高鋼的強度和抗氧化性能的同時，不降低不鏽鋼的抗晶間腐蝕性能。以氮代碳，開發含氮不鏽鋼已成為熱門話題。
氮在鋼中的溶解度有限（<0.15%），加入鉻和錳能提高其溶解度，加入鎳和碳能減少其溶解度。在大氣冶鍊條件下，氮通常以Cr-N或 Mn-N合金形式加入鋼中，但回收率很難準確控制，一般認為氮含量超過0.2%對冶煉操作極為不利。氬-氧精鍊，加壓電渣熔煉，平衡壓力澆鑄等技術的發展和應用，使準確控制鋼中氮含量，用氮來控制鋼中的組織成為現實。近期研究成果表明，適當調整不鏽鋼成分，特別是鉻與錳的配比，能將鋼中的氮含量穩定在 0.4%左右，近年來，美國和日本標準（ASTM A580和JIS G4309）先後增加了304N（0Cr19Ni9N）、316N（0Cr17Ni12Mo2N）、XM-19（0Cr22Ni12Mn5Mo2N）、 XM-31（1Cr18Mn15N）、XM-10（0Cr20Ni7Mn9N）、XM-11（00Cr20Ni7Mn9N）XM-28 （1Cr18Ni2Mn12N）、XM-29（0Cr18Ni3Mn13N）和S28200（1Cr18Mn18MoCuN）共9個含氮牌號。



圖1 奧氏鋼的演變

3 開發和推廣200系列不鏽鋼

二戰期間鎳供應嚴重不足，德國人首先研製出以錳一氮代替部分鎳的不鏽鋼。20世紀50年代美國人因為同樣理由，經深入研究，將錳一氮代鎳鋼定型，開發了高錳系列奧氏體不鏽鋼，即200系列不鏽鋼。
我國鎳資源匱乏，鉻資源也不豐富，以錳-氮代鎳，開發和推廣200系列不鏽鋼不僅可以降低不鏽鋼成本，還有深遠的戰略意義。印度在200系列不鏽鋼推廣應用方面走在世界的前列，目前全世界200系列鋼70%以上是印度生產的，值得我們借鑑。
200（Cr-Mn-Ni）系列不鏽鋼常見牌號的化學成分如表1 。200系列鋼以錳-氮代鎳，材料成本顯著降低。但降低鎳后，為保持奧氏體組織必須有足夠高的錳、碳和氮來增加鎳當量，因此造成200系列鋼具有以下特性：①固溶處理后的抗拉強度偏高，一般為800～1100Mpa，而且無法將抗拉強度降下來。②冷加工硬化率急劇上升，冷加工強化係數K>15，加工難度大，過程成本增加。③200系列鋼具有優良的耐磨性能。④200系列鋼彎曲成形、冷鐓和沖壓性能較差。⑤傳統的200系列鋼，對晶間腐蝕很敏感，而且加穩定化元素也無法改變其敏感性。⑥部分鋼（如205、2Cr15Mn15Ni2N等）由於其穩定奧氏體元素含量相對比304高，抗磁性能優于304。鑒於上述特性，201、202和205等鋼絲主要用於製作彈簧、篩網和精密軸等。

表1 200（Cr-Mn-Ni）系列不鏽鋼化學成分



為提高200系列鋼在各種介質中的耐蝕性能，改善鋼的冷加工和冷頂鍛性能，達到用200系列鋼代替304的目標，近年來主要從以下幾方面着手開發新牌號。①以氮代替碳，穩定奧氏體、在提高強度同時提高耐蝕性能，如204、211、216。②適量添加Mo、Nb等元素，改善鋼的抗點蝕、晶間腐蝕和抗應力腐蝕性能，如216、223。③加銅降低鋼的冷加工硬化率，改善冷頂鍛和冷成形性能，如204Cu、211、223。美國冶金學家、ASTM會員約翰 o邁杰，用204Cu代替304的研究成果尤其令人鼓舞。
邁杰在改型201（C=0.03%、Mo=0.2%）鋼基礎上分別添加1%、2%和3%的銅，發現隨Cu含量增加鋼的屈服強度和抗拉強度穩步下降，如表2 。

表2 銅對改型201力學性能的影響


204Cu由於含3%Cu，軟化處理后的抗拉強度已與304接近，但其冷加工硬化率顯著降低。從圖2可以看出，冷拉減面率≤45%時，204Cu 的冷加工硬化趨勢基本與304和304FQ（304M）相近，減面率>45%時，204Cu的冷加工硬化率明顯低於304。取304、204Cu和改型201鋼絲（ф3.5mm）在同樣條件下進行冷頂鍛試驗試
圖2 204Cu與304冷加工硬化趨勢對比 驗結果如表3 。（作者注：1Ksi=0.0069Mpa）

表表3 冷頂鍛試驗結果


注：Φ3.5mm鋼絲經多道次模具沖頂成形，螺栓頭部直徑為鋼絲的3.5倍。每個牌號取數百個螺栓， 肉眼檢查頭部裂紋狀況。/p>

從表3 可以看出，改型201加3%Cu后，耐鹽霧腐蝕和冷成形能力有了根本性的改善。204Cu冷頂鍛成形性能優于304，耐鹽霧腐蝕能力與304相當。
進一步試驗已証明，在5種常見酸性介質中，204Cu的耐腐蝕性能優于304，如表4 。

表4 204Cu與304耐蝕性能比較




注：試驗溫度從0℃，每次升5℃，逐步上升到全部試樣出現浸蝕裂紋的溫度-25℃為止。*不產生浸蝕裂紋的最高溫度。

綜上所述，204Cu與304相比，抗拉強度和屈服強度高，冷加工硬化率低，冷成形性能好；在各種腐蝕環境中的耐蝕性能優于，至少是相當于 304；再加上200系列鋼固有的耐磨損、材料成本低等優勢，204Cu完全有可能取代304成為通用不鏽鋼。美國近年來在電子、通訊、安全防護、食品加工、能源和煙草加工行業，大力推廣204Cu，成效顯著。

4 超級鐵素體不鏽鋼

鐵素體不鏽鋼具有良好的耐蝕性能和抗氧化性能，其抗應力腐蝕性能優于奧氏體不鏽鋼，價格比奧氏體不鏽鋼便宜，但存在可焊性差、脆性傾向比較大的缺點，生產和使用受到限制。二十世紀60年代初期的研究已經証明，鐵素體鋼的高溫脆性、衝擊韌性、可焊性都與鋼中的間隙元素含量有關，通過降低鋼中的碳和氮的含量，添加鈦、鈮、鋯、鉭等穩定化元素，添加銅、鋁、釩等焊縫金屬韌化元素3種途徑，可以改善鐵素體鋼的可焊性和脆性。鐵素體按C+N含量可以分為不同級別：

C+N＞0.03% 為常規鐵素體不鏽鋼，表示為0Cr；
C+N≤0.03% 為超低碳鐵素體不鏽鋼，表示為00Cr；
C+N≤0.02% 為高純鐵素體不鏽鋼，表示為000Cr；
C+N≤0.01% 為超純鐵素體不鏽鋼，表示為0000Cr

國外一些企業已經用AOD熔煉或真空熔煉加電子束精鍊的方法生產出含氮低於90ppm，碳和氮總量在110～120ppm範圍內的高純鐵素體鋼。我國已研製出000Cr18Mo2Ti和000Cr30Mo2高純鐵素體鋼.國內外近期研製成功的超級鐵素體鋼化學成分如表5。

表表5 超級鐵素體鋼的化學成分（wt%）




美國標準ASTMA493-88已經納入XM-27（000Cr26Mo）、S44700（000Cr29Mo3）和S44800（000Cr29Ni2Mo3）3個超純鐵素體牌號，其化學成分如表6。

表6 ASTMA493中超純鐵素體鋼化學成分wt%




5 超級奧氏體鋼

超級奧氏體鋼指Cr、Mo、N含量顯著高于常規不鏽鋼的奧氏體鋼，其中比較著名的是含6%Mo的鋼（254SMo），這類鋼具有非常好的耐局部腐蝕性能，在海水、充氣、存在縫隙、低速沖刷條件下，有良好的抗點蝕性能（PI≥40）和較好的抗應力腐蝕性能，是Ni基合金和鈦合金的代用材料。超級奧氏體鋼的化學成分如表7。

表7 超級奧氏體鋼的化學成分


注：①點蝕指數PI =Cr%+3.3Mo%+30N%。 ②臨界縫隙腐蝕溫度CCT = -（45±5）+11Mo%。
超級奧氏體不鏽鋼熱加工難度較大，一般認為雜質和低熔點金屬在晶界富集、沉澱是造成奧氏體鋼熱脆性的主要原因，控制Mn≈0.5%、 Cu≤0.7%、Si≤0.30%、S≤0.005%、Bi≤5×10-6、Pb≤15×10-6有利於熱加工。超級奧氏體鋼的冷加工性能良好，其抗拉強度偏高，與一般奧氏體鋼相比，要達到相同的軟化效果，固溶溫度應提到1150～1200℃。

6 超馬氏體不鏽鋼

傳統的馬氏體不鏽鋼2～4Cr13和1Cr17Ni2缺乏足夠的延展性，在冷頂鍛變形過程中對應力十分敏感，冷加工成型比較困難。加之鋼的可焊性比較差，使用範圍受到了限制。為克服馬氏體鋼的上述不足，近年人們已找到一種有效途徑：通過降低鋼的含碳量，增加鎳含量，開發了一個新系列合金鋼--超馬氏體鋼。這類鋼抗拉強度高，延展性好，焊接性能也得到改善，因此超馬氏體鋼又稱為軟馬氏體鋼或可焊接馬氏體鋼。
超馬氏體鋼的典型顯微組織為低碳回火馬氏體組織，這種組織具有很高的強度和良好的韌性。隨鎳含量和熱處理工藝的變化，某些牌號的超馬氏體鋼顯微組織中可能有10～40%的細小彌散狀殘餘奧氏體，含鉻16%的超馬氏體鋼中可能出現少量的δ鐵素體。進一步改善超馬氏體鋼性能的途徑是獲得晶粒更細的回火馬氏體組織。
近年來，各國不鏽鋼生產企業在開發低碳、低氮超馬氏體鋼方面做了很大努力，生產出一批適用於不同用途的超馬氏體不鏽鋼，幾種典型的超馬氏體鋼化學成分如表8。

表8 典型超馬氏體鋼化學成分(wt%)


超馬氏體鋼的成分特點是在13%或17%Cr基礎上降低C含量。（＜0.03%或＜0.025%）和S含量（＜0.01%或＜0.005%），增加Ni（4～6.5%）和Mo（最高2.5%）改善鋼的焊接性能、韌性、耐蝕性能。為獲得好的低溫性能，減少甚至完全消除顯微組織中的鐵素體是極為重要的，隨着對低溫衝擊性能要求加嚴（從－20℃降到－40℃）應選用Ni含量更高的牌號，同時在熱加工過程應控制加熱溫度（＜1250℃）和加熱時間，防止產生高溫δ鐵素體相。一般說來超馬氏體鋼鍛造性能優于同類馬氏體鋼，即使鍛造溫度偏低，也可以生產出無裂紋鋼坯。br> 與馬氏體鋼相比，超馬氏體鋼盤條的強度、硬度和塑性均高出很多，並且無論是用完全退火還是球化退火的方法，都無法將盤條的強度（硬度）降到馬氏體鋼的水平。超馬氏體推薦採用650℃左右，長時間保溫，然後空冷的退火工藝來實現軟化，盤條退火后雖然強度（硬度）高，但拉拔塑性很好（斷面收縮率＞40%），可以按常規工藝拉拔。一般經過兩個循環的退火拉拔，鋼絲的抗拉強度可以降到950MPa以下。阿維斯塔·謝菲爾德公司生產的248SV （00Cr16Ni5Mo）鋼淬回火成品的物理性能見表9。

表表9 248SV（00Cr16Ni5Mo）的物理性能


超馬氏體鋼含碳量低，加入一定量的Mo相當于提高了鉻的當量，再加上Ni的配合，耐蝕性能，特別是在含二氧化碳和硫化氫介質中的耐蝕性能有很大的提高，現已在石油和天燃氣開採、儲運設備上得到廣氾適用，在水力發電，採礦、化工及高溫紙漿生產設備上也極具應用前景。br> 超馬氏體鋼絲主要用於製作壓縮機和閥門的連杆及焊絲。人們越來越多的用超馬氏體鋼取代雙相不鏽鋼，原因在於作為結構體用鋼，超馬氏體鋼具備良好的耐蝕性能和低溫衝擊性，但其強度比雙相鋼高的多，製作零件可以減小壁厚，減輕重量，節約成本。作為焊絲用鋼，目前多用雙相不鏽鋼焊絲，焊后因焊縫成分與基體成分差別較大，極易出現不均勻腐蝕現象。使用超馬氏體鋼焊絲，焊縫同樣不需經熱處理直接使用，可以選配與基體更接近的成分，減輕不均勻腐蝕。更重要的是使用超馬氏體鋼代替雙相鋼材料成本可降低30%左右。

7 抗菌不鏽鋼

隨着經濟的發展，不鏽鋼在食品工業、餐飲服務業和家庭生活中的應用越來越廣氾，人們希望不鏽鋼器皿和餐具除具有不鏽、光潔如新的特點外，最好還具有防霉變、抗菌、殺菌功能，日本日新制鋼為適應市場需求，已研製開發了一系列抗菌不鏽鋼。
眾所週知，有些金屬，如銀、銅、鉍等具有抗菌、殺菌效果，所謂抗菌不鏽鋼，就是在不鏽鋼中加入適量的具有抗菌效果的元素（如銅、銀），生產出的鋼材經抗菌性熱處理后，具有穩定的加工性能和良好的抗菌性能。
銅是抗菌的關鍵元素，加多少既要考慮抗菌性，又要保証鋼具有良好穩定的加工性能。銅的最佳加入量因鋼種而異，日新制鋼開發的抗菌不鏽鋼化學成分如表10，鐵素體鋼中加銅1.5%，馬氏體鋼中加銅3%，奧氏體鋼中加銅3.8%。

表10 各類抗菌不鏽鋼的化學成分


研究表明：銅與細菌直接接觸是抗菌殺菌的先決條件，為此抗菌不鏽鋼首先要進行熱處理，使高濃度的銅從基體中析出，以ε-Cu相均勻彌散分布。再經表面拋光處理，使ε-Cu暴露在金屬表面，從而起抗菌作用。試驗結果証明，鐵素體和馬氏體不鏽鋼對黃色葡萄球菌和大腸桿菌的減菌率為100%，奧氏體不鏽鋼的減菌率99%。抗菌不鏽鋼使用一段時間后表面ε-Cu相枯竭時，抗菌性能就會降低，此時經拋光之類再加工，會重新形成含ε-Cu相的新表面，恢復原有的抗菌性能。
抗菌不鏽鋼與同類不鏽鋼相比，耐蝕性能有增無減，物理性能基本相當，力學性能稍有變化：鐵素體鋼的屈服強度與杯突稍有提高，其它性能大致相當；馬氏體不鏽鋼屈服強度、抗拉強度和硬度均有明顯提高，伸長率有所下降；奧氏體鋼屈服強度和硬度稍有提高，其它性能相當。不鏽鋼中加入銅對熱加工不利，對冷加工利大於弊。隨着含銅量的增加熱加工時要考慮降低加熱溫度，工藝操作不當極易造成鋼坯角裂和表面裂紋。抗菌不鏽鋼與同類不鏽鋼相比，拉拔塑性和承受深度冷加工的能力明顯改善，但馬氏體鋼強度（硬度）明顯提高帶來的模具損坏明顯增多。奧氏體鋼則隨銅量的增加，奧氏體穩定性能提高，冷加工強化減緩，鋼可承受更大加工率的冷加工，鋼的冷墩和深沖性能大幅度提高，鋼也由弱磁轉變為無磁。
抗菌不鏽鋼具有不鏽鋼優點和良好的抗菌性能，投放市場以來很受歡迎，在廚房設備、食品工業的工作台及器皿、醫療器械、日常生活中的餐具及挂毛巾支架，冷藏櫃的托架等領域全面推廣使用，公共場所的一些設施如公交汽車的扶手、樓梯扶手、電話亭、護欄等為杜絕交叉感染也應試用抗菌不鏽鋼。鋼絲行業應注重醫療器械用馬氏體抗菌不鏽鋼絲，織網用奧氏體抗菌不鏽鋼絲和清潔球用鐵素體抗菌不鏽鋼細絲的開發。

參考資料
1(美)DONALD PECKNE 主編,顧守仁等譯, 《不鏽鋼手冊》,機械工業出版社,1987年 3月。
2陸士英等編, 《不鏽鋼》,原子能出版社,1995年9月。
3《國外鋼絲標準譯文集》,冶金工業部金屬制品研究所,1986年10月。
4潘永村,不鏽鋼, 《鋼鐵材料設計與應用》。
5羅永贊,近代超級不鏽鋼的發展,《特殊鋼》2000年第四期P5～7。
5張孝福,超馬氏體不鏽鋼, 《不鏽》1999年第5期。
7張孝福,抗菌不鏽鋼-介紹日本的新鋼種, 《不鏽》1998年第10期。
8 By John Magee, Development of Type 204Cu Stainless Steel, a Low-Cost alternate to Type 304,《Wire Journal International》May 2002 P84～90.