316L奥氏体不锈钢介绍及合金元素的作用

化学成分对钢的金相组织、机械性能、物理性能和耐蚀性能的影响很大。不管是有意添加的，还是炼钢时无意带入的合金元素，都会对这些性能产生影响。
铬、钼、镍等合金元素在晶格中位于替换位置。即：它们替换奥氏体晶格顶角和立方体六面中心的铁。碳和氮由于体积小，位于晶格原子之间的空隙（间隙位置）。它们在晶格中产生不同的应变，因此，成为有效的硬化元素。合金元素对钢的性能产生不同的影响，有时是有益的，有时是有害的。选择某个钢的成分和钢种需要设计两种材料工程和确定一种钢的性能来实现另一种性能的最大化。在下面的章节中将介绍奥氏体不锈钢的重要合金元素所具有的功能及不锈钢等级、表面处理工艺介绍。


一、重要合金元素

• 铬(Cr)：铬是一种可以使不锈钢“不生锈”的合金元素。至少需要添加10.5%的铬，才可以形成不锈钢所特有的表面钝化膜。该钝化膜可以使不锈钢有效地抵御腐蚀性介质、多种酸溶液以及强氧化性高温气体的侵蚀。当铬含量超过10.5%的阈值时，面对各种环境的耐蚀性能有所增强。因此，很多牌号的铬含量远远高于这个值。比如说，304不锈钢的铬含量为18%，高性能奥氏体不锈钢的铬含量高达20%~28%。
• 镍(Ni)：镍的主要作用是形成并稳定奥氏体相。如果没有8%Ni，304就不会成为奥氏体不锈钢，也不具备奥氏体应有的机械性能。那样的话，它就是强度和韧性不在同等级的铁素体不锈钢。当更多的镍或其他铁素体形成元素添加到钢中时，需要增加镍保持奥氏体结构。高性能奥氏体不锈钢含有高铬和高镍，镍含量要达到20%左右才能保证奥氏体结构。镍可以改善对某些还原性酸的耐蚀性，镍含量大于约20%时，提高了耐应力腐蚀性能。镍还可以降低冷变形过程中的加工硬化率。对于深冲、旋压和冷镦的合金的镍含量普遍较高。
• 钼(Mo)：钼可以提高钢在氧化环境中的抗点蚀和缝隙腐蚀性能。在铝与铬，特别是氮的共同作用下，钢在这些环境中的性能得到改善。这种协同作用使高性能奥氏体不锈钢具有优异的耐点蚀和缝隙腐蚀性能。钼还可用于提高钢在盐酸和硫酸等还原性酸环境中的耐蚀性。奥氏体不锈钢的最低钼含量为2%左右，比如316不锈钢。合金量高的高性能奥氏体不锈钢的钼含量高达7.5%。钼有助于铁素体相的形成，会对相平衡产生影响。它参与几种有害二次相的形成，而且会形成不稳定的高温氧化物，对耐高温氧化性能产生不利影响。在使用含钼不锈钢时必须考虑到这些因素。
• 碳(C)：碳对奥氏体相起到稳定和强化作用，所以，对于锅炉管等高温环境使用的不锈钢，碳是有用的合金元素。除此之外，碳没有其他的有用功能。在大多数情况下，会对耐蚀性能产生不利影响。大多数奥氏体不锈钢的碳含量通常都限定在实际可达到的最低水平。用于焊接的低铬低碳钢（304L、201L和316L）的碳含量限制在0.030%。一些高合金高性能牌号的碳含量甚至限制在0.020%。
• 氮(N)：氮对奥氏体相起到稳定和强化的作用，并且可以减缓二次相的形成。标准牌号和高性能奥氏体不锈钢都含有氮。在低碳标准牌号（304）中，氮的量可以补充由于碳含量低而导致的强度损失。无论是标准牌号还是高性能奥氏体不锈钢，氮可以提供强度，减缓碳化物析出和二次相形成。氮还有助于提高耐氯化物点蚀和耐缝隙腐蚀性能，所以，有些耐蚀性好的高性能奥氏体不锈钢的氮含量高达0.5%。
• 硅(Si)：总的来说，硅是奥氏体不锈钢的有益元素，因为它可以提高钢在浓酸环境和高温氧化环境中的耐蚀性能。有报道称，UNS S30605等高性能特种不锈钢具有良好的耐点蚀性能。硅和锰一样，也可用于钢水脱氧，因此，钢中总会残留少量含有硅、锰和其他脱氧元素的氧化物杂质。如果夹杂物数量太多，会对产品的表面质量和抛光性产生不利影响。
• 锰(Mn)：钢厂用锰进行钢水脱氧，所以，所有的不锈钢中都残存少量的锰。锰也可以稳定奥氏体相，提高氮在不锈钢中的溶解度。因此，用锰替代200系不锈钢中的一些镍，增加氮含量，提高强度和耐蚀性能，有些高性能奥氏体不锈钢中添加锰也是为了达到同样的效果。
• 铜(Cu)：铜可提高不锈钢在还原性酸中的耐蚀性能，例如某些硫酸和磷酸的混合溶液。铜作为一种合金元素添加在一些专门用于这些环境的高性能奥氏体不锈钢中。
• 硅(Si)：总的来说，硅是奥氏体不锈钢的有益元素，因为它可以提高钢在浓酸环境和高温氧化环境中的耐蚀性能。有报道称，UNS S30605等高性能特种不锈钢具有良好的耐点蚀性能。硅和锰一样，也可用于钢水脱氧，因此，钢中总会残留少量含有硅、锰和其他脱氧元素的氧化物杂质。如果夹杂物数量太多，会对产品的表面质量和抛光性产生不利影响。
• 铌(Nb)和钛(Ti)：这两种元素是非常有效的碳化物形成元素，具有降低碳含量，减轻敏化的作用。碳化铌和碳化钛可以提高高温强度。含有Nb和Ti的347和321常用于锅炉和精炼设备，满足高温强度和焊接性的要求。它们还用于一些脱氧工艺，因此，有时会残留在高性能奥氏体不锈钢中。
• 硫(S)和磷(P)硫：对不锈钢性能的影响利弊参半。最重要的有益作用是提高机械加工性；主要危害是降低热加工性，增加硫化锰杂质的数量，导致不锈钢耐点蚀性能降低。高性能奥氏体不锈钢本身就很难进行热加工，因此，硫含量尽可能控制在最低水平，约0.001%。通常情况下，硫不会作为合金元素添加到高性能奥氏体不锈钢中。但是，标准牌号不锈钢的硫含量普遍较高(0.005%~0.017%)，目的是提高自熔焊的焊缝熔深，改善机械加工性。

二、不锈钢等级的分类
HP（High Purity）
含义：高纯度级，指经过特殊工艺处理，去除材料中的杂质和缺陷，提高材料的纯度和性能，适用于对材料纯度要求较高的应用，如半导体和高纯气体输送等领域。

UHP（Ultra High Purity）
含义：超高纯度级，比HP级更严格，经过更精细的处理，材料纯度更高，适用于极端高纯度要求的环境，如超净高纯气体输送系统。

V+V（VIM+VAR）
含义：V+V通常指真空感应熔炼加真空电弧再熔炼（VIM+VAR）。这是一种更高等级的材质处理工艺，通过真空环境下的多次熔炼，进一步提高材料的纯度和性能。适用于腐蚀性较强之气体的管道，如BCl3、WF6、Cl2、HBr等。


三、不锈钢表面处理工艺
AP（Acid Pickling）酸洗处理（清洁之始）
含义：酸洗工艺旨在去除316L不锈钢表面在焊接、热处理等工艺过程中产生的氧化皮、油污、锈迹以及其他杂质。通过将不锈钢材料浸入含有适当浓度和种类的酸液中，利用化学反应去除表面污染物，随后进行中和、清洗和干燥等步骤，以获得清洁、均匀的金属表面。
特点：表面清洁度高，均匀性好，能提高后续加工质量。但管道内外表面较粗糙，易附着悬浮物杂质残渣。
应用：

• 常用于石油化工装置中的管道、阀门和容器等部件，以确保设备的耐腐蚀性和安全性。
• 石油化工行业：在石油化工装置中，AP不锈钢用于制造各种管道、阀门和容器等部件，以确保设备的耐腐蚀性和安全性。
• 食品行业：在食品生产和加工过程中，AP不锈钢用于制造与食品接触的设备和器具，如储罐、输送管道和搅拌器等，以保证食品的卫生和安全。
• 医疗行业：在医疗设备和器械中，AP不锈钢因其良好的耐腐蚀性和清洁度，被用于制造手术器械、医疗器械外壳和支架等部件。
• 其他行业：此外，AP不锈钢还广泛应用于汽车制造、航空航天、机械制造和建筑装饰等领域，以满足不同行业对材料表面质量和性能的要求。

MP（Mechanical Polishing）机械抛光（基础之美）
含义：利用抛光轮或抛光带借助抛光剂中的磨料对316L不锈钢表面进行研磨抛光，使表面达到平整光滑的抛光效果。其亮度取决于加工工艺的种类。
特点：具有一定的光泽和平整度，满足基本的美观需求。但机械抛光后会降低耐腐蚀性，若用于腐蚀性环境还需进行钝化处理，且表面常有抛光材料残留。
应用：

• 在建筑领域的装饰性构件、扶手，以及机械制造领域的各种机械零部件中应用广泛。
• 在建筑领域，MP级不锈钢常被用于装饰性构件、扶手等，既满足了美观需求，又降低了成本。
• 在机械制造领域，MP级不锈钢则因其良好的加工性能和机械性能，成为制造各种机械零部件的理想选择。
• 在食品加工、化工等行业中，MP级不锈钢也因其耐腐蚀性和易于清洁的特点，受到了广泛的欢迎。

EP（Electro Polishing）电解抛光（镜面之光）
含义：运用阳极处理的方式，根据电化学原理，适当调整电压、电流、酸液组成及抛光时间，使316L不锈钢表面达到明亮、顺滑、洁净的效果。同时增强表面的耐腐蚀性。
特点：表面粗糙度低于Ra0.25μm，具有更好的耐腐蚀性和清洁性。但成本和技术要求较高。
应用：

• 适用于需要更高卫生标准和防腐要求的应用环境，如制药、生物技术和半导体行业。
• 制药行业：在药品生产过程中，设备的清洁度和耐腐蚀性直接关系到产品的质量和安全性。EP处理的不锈钢设备能够有效减少污染风险，确保生产环境的洁净度。
• 生物技术：生物实验和发酵过程中，对设备表面的微生物控制极为严格。EP表面的平滑性和耐腐蚀性有助于抑制微生物生长，保持实验环境的无菌状态。
• 半导体行业：在半导体制造中，任何微小的杂质都可能影响产品的性能和良率。EP处理的不锈钢部件能有效减少尘埃和粒子的附着，提高生产效率和产品质量。

相关标准
■ SEMI F20-0923通用、高纯和超高纯半导体制造组件的316L不锈钢棒材,锻材，挤压型材，板材和管材的规范
■ ASTM A182/A 182M-26---有关为满足高温应用需求，对锻造或轧制后的合金钢管，锻件，阀门和零件的加工规定。
■ ASTM A 240/A 240M-26---有关压力型管道制造中，对耐热铬和铬-镍合金不锈钢板材，棒料，带材的加工规定。
■ ASTM A262-15(2021)---有关奥氏体不锈钢中晶间碰撞的灵敏度测试的规定。
■ ASTM A269/A269M-25---有关为满足通用，对奥氏体不锈钢管材无裂缝焊接的标准。
■ ASTM A276/A276M-25---有关耐热不锈钢棒料和管材的加工规定。
■ ASTM A479/A 479M-25---有关用于锅炉和其它压力管道制造的耐热不锈钢棒料和管材的加工规定。
■ ASTM A480/A 480M-25 ---有关为满足通用，对平轧后的耐热不锈钢板材，带材的加工规定。
■ ASTM A484/A 484M-24b ---有关为满足通用，对耐热不锈钢锻件产品的加工规定。
■ ASTM A632-19---有关为满足通用，对奥氏体不锈钢管材（小尺寸）无裂缝焊接的加工规定。
■ ASTM A751-25---有关钢产品化学分析的测试方法，实际操作和相关术语。
■ ASTM E45-25---有关确定钢材化合物组成的建议及操作。
■ ASTM E112-25---有关确定平均晶粒度的测试方法。