不銹鋼是金屬材料中的佼佼者,它具有許多優(yōu)良的性能,如耐蝕性、耐熱性、耐低溫性、好的加工性能等,不銹鋼外觀精美,壽命周期成本價(jià)低,可以100%的回收利用,因此在各個(gè)工業(yè)及民用領(lǐng)域得到了廣泛和大量的使用,是一種非常好的結(jié)構(gòu)和功能材料。
不銹鋼自上個(gè)世紀(jì)初問世至今已有90多年的歷史,不銹鋼的發(fā)明是世界冶金史上的一項(xiàng)偉大成就,不僅為現(xiàn)代工業(yè)的建立、發(fā)展和科技進(jìn)步奠定了物質(zhì)基礎(chǔ),而且在民用領(lǐng)域的擴(kuò)大應(yīng)用也顯著提高了人們的生活質(zhì)量。
追溯歷史,1000多年前,古印度寺院中的鐵柱和中國古代廟宇前的鐵人等,他們長年暴露在大氣下風(fēng)吹雨淋、陽光曝曬,卻有很強(qiáng)的耐蝕性,這一現(xiàn)象引發(fā)了許多學(xué)者和專家們的關(guān)注。1820~1822年英國學(xué)者法拉第(M.Faraday)最早把低合金鋼的生銹問題作為一項(xiàng)課題來研究,可以說他是不銹鋼研究的創(chuàng)始人。
到20世紀(jì)初,歐洲法、英、德等國的學(xué)者先后對鋼鐵的不銹性和鈍化理論進(jìn)行了研究:1906年法國人吉烈特(L.B.Guillet),1909年法國人波特萬(A.M.Portevin),1909年英國人吉森(W.Giesen)分別發(fā)表了Fe-Cr和Fe-Cr-Ni合金的冶金學(xué)報(bào)告,發(fā)現(xiàn)了這些合金的耐腐蝕性能。1908~1911年德國人蒙納爾茨(P.Monnartz)和鮑切爾斯(W.Borchers)發(fā)現(xiàn)了鈍化現(xiàn)象,并提出了高鉻合金的鈍化理論,這一時(shí)期的研究為開發(fā)工業(yè)用不銹鋼奠定了理論基礎(chǔ)。
不銹鋼的三大類(馬氏體、鐵素體和奧氏體)是在1912年左右由英國、美國、德國等國家近乎同時(shí)研制成功的。1912~1913年英國人布萊利(H.Brearly)開發(fā)了含Cr12%~13%的馬氏體不銹鋼(相當(dāng)于現(xiàn)在的AISI420);1911~1914年美國人丹齊澤(C.Dantssigen)和懷特西(W.R.Whitsey)開發(fā)了含Cr14%~16%的鐵素體不銹鋼(相當(dāng)于現(xiàn)在AISI430前期);1912~1914年德國的馬勒(E.Maurer)和斯特勞斯(B.strauss)開發(fā)了含C<1%、Cr15%~40%、Ni<20%的奧氏體不銹鋼(相當(dāng)于現(xiàn)在AISI304的初型);1929年德國克虜伯公司的斯特勞斯取得了低碳18-8奧氏體不銹鋼的專利權(quán)。與此同時(shí)他們?yōu)榱颂岣卟讳P鋼的耐蝕性,又分別加人了鉬、銅等元素,為了解決18-8鋼的敏化態(tài)晶間腐蝕,通過實(shí)驗(yàn)加入了鈦、鈮等穩(wěn)定元素,此外克虜伯在20世紀(jì)40~50年代又開發(fā)了節(jié)鎳的Cr-Mn-N(200系列)不銹鋼,耐晶間腐蝕的超低碳(C≤0.03%)奧氏體不銹鋼,60年代又開發(fā)了C+N≤150 ppm的超純鐵素體不銹鋼等,使不銹鋼品種和性能進(jìn)一步擴(kuò)大和提高。除以上三大類外,不銹鋼的另外兩種類型,即雙相不銹鋼(即在鋼的固溶組織中為鐵素體+奧氏體雙相,其中次量相≥15%,而現(xiàn)在要求雙相不銹鋼大多是二相比達(dá)50:50)和沉淀硬化型不銹鋼(即經(jīng)過冷熱處理來控制奧氏體的穩(wěn)定性和基體上的相析出沉淀,從而提高不銹鋼的強(qiáng)度)是在20世紀(jì)的30~40年代開發(fā)成功的。1927年Bain和Griffiths首先發(fā)現(xiàn)了雙相組織,1935年德國Unieux實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了奧氏體不銹鋼中含有鐵素體時(shí)鋼的耐蝕性能會(huì)得到明顯改善,從而獲得了奧氏體+鐵素體雙相不銹鋼的專利。美國于20世紀(jì)40年代開發(fā)出第一代雙相不銹鋼AIS1329(Cr25Ni5Mo2),70年代和80年代又開發(fā)成功第二代(用氮合金化)和第三代雙相不銹鋼(耐點(diǎn)蝕當(dāng)量值≥40的超級DSS).沉淀硬化不銹鋼是1946年首先由美國的史密斯埃塔爾(R.Smithetal)開發(fā)成功的,當(dāng)時(shí)他研制成功馬氏體沉淀硬化不銹鋼17-4PH,隨后既具有高強(qiáng)度又可進(jìn)行冷加工成形的半奧氏體沉淀硬化不銹鋼17-7PH和PH15-7Mo等也相繼開發(fā)成功,至此不銹鋼家族中的五大主要鋼類:馬氏體、鐵素體、奧氏體、雙相鋼和沉淀硬化不銹鋼就基齊全了。
不銹鋼主要生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了不銹鋼的快速發(fā)展,特別是爐外精煉、連續(xù)鑄造和多輥冷軋機(jī)的使用,改善了不銹鋼質(zhì)量,提高了成材率,降低了生產(chǎn)成本。首先是不銹鋼的冶煉技術(shù),1910年開始用坩堝爐小批量熔煉不銹鋼,隨后法國人Heroult發(fā)明的電弧爐開始了較大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。進(jìn)人1940年以后,美國人希爾蒂(D.C.Hilty)研究了Cr-C溫度平衡,提出了高溫脫碳保鉻理論,從而為研制成功電弧爐返回吹氧法冶煉不銹鋼奠定了基礎(chǔ)。盡管這時(shí)可以用不銹鋼廢鋼生產(chǎn),但成本仍然很高,不銹鋼仍然是一個(gè)高價(jià)鋼種。進(jìn)入20世紀(jì)60年代后,德國的維頓公司(Witten)和美國的聯(lián)合碳化物公司(Union Carbide)分別研制成功具有革新技術(shù)的VOD和AOD精煉法,這使得采用便宜的原料(高碳鉻鐵)冶煉不銹鋼成為可能,并大大提高了鋼的純凈度,顯著降低了不銹鋼的生產(chǎn)成本。目前,AOD和VOD法已成為精煉不銹鋼的主流技術(shù),其中AOD法占不銹鋼總產(chǎn)量的68.7%、VOD法占26.3%.其次是連鑄技術(shù),早在1857年,貝塞麥(H.Bessemer)就獲得了連鑄技術(shù)的專利,但第一臺(tái)不銹鋼連鑄機(jī)是出現(xiàn)在1949年美國的阿·勒德隆公司(AL),1954年加拿大阿特拉斯公司(Atlas)建造了世界上第一臺(tái)不銹鋼板坯連鑄機(jī),1960年日本新日鐵光廠建造了世界上第一臺(tái)寬度超過1m的不銹鋼寬板坯連鑄機(jī),此后不銹鋼的連鑄機(jī)技術(shù)蓬勃發(fā)展,不銹鋼連鑄比已超過95%,成為不銹鋼降低成本、提高成材率的關(guān)鍵技術(shù)。第三是多輥冷軋機(jī),德國人羅恩(W.Rohn)最初研究了支撐輥10~18根的多輥軋機(jī)(后來成為松德維克型20輥軋機(jī),但寬度不夠),1932年由森吉米爾(T.Sendzimir)進(jìn)一步開發(fā),研制成功了現(xiàn)在的小直徑工作輥的20輥軋機(jī),由于可以寬幅軋制,所以普及很快,目前已占世界不銹鋼冷軋機(jī)的90%。當(dāng)然除了上述三大技術(shù)外,其他如爐卷軋機(jī)的開發(fā),連續(xù)退火酸洗線的開發(fā),光亮退火技術(shù)的開發(fā)以及各種檢測和自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用都促使不銹鋼的生產(chǎn)規(guī)模越來越大,技術(shù)水平越來越高。
以上三大技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步,使不銹鋼質(zhì)量提高、成本降低,由過去每噸幾千美元降到20世紀(jì)末的1000多美元。截止到2002年,世界不銹鋼冶煉產(chǎn)量約2300萬噸(包括獨(dú)聯(lián)體、東歐國家和中國),2002年世界不銹鋼表觀消費(fèi)量約2000萬噸。1950年,世界不銹鋼產(chǎn)量還不到100萬噸,1990年是1200萬噸??梢姴讳P鋼發(fā)展速度之快。
不銹鋼需求的發(fā)展與人們生活水平密切相關(guān),國際不銹鋼發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明,不銹鋼的消費(fèi)增長是GDP的1.5~2倍。歷史上是軍工發(fā)展帶動(dòng)了不銹鋼,現(xiàn)在是民用的迅速增長和使用領(lǐng)域的擴(kuò)大推動(dòng)了不銹鋼需求的快速發(fā)展。如今在我們的生活中從吃飯的餐具開始,到城市景觀、樓房建筑等處處可以看到不銹鋼。由于不銹鋼日常用品中多數(shù)使用板材,所以總體需求是以板材為主。
不銹鋼的生產(chǎn)集中程度越來越高,從當(dāng)前世界出口不銹鋼的情況可以看出不銹鋼生產(chǎn)主要集中在比利時(shí)、德國、日本、中國臺(tái)灣省等幾個(gè)國家和地區(qū),而板材出口最多的國家又主要集中在幾個(gè)大廠,世界排名前10位的廠的產(chǎn)量占世界需求量的80%。