真空技术书籍,第二版

3.2.1.1 不锈钢

在真空技术中,不锈钢是构造腔室或部件的优先材料。不锈 钢在法兰连接处具有的足够强度—即使在烘烤过程中也不会 对其硬度造成影响。它可以进行焊接,以保证其真空密封, 其表面已充分钝化,从而为许多应用提供了足够的保护。下 表列出了真空技术中常用不锈钢的化学组成和性能。

材料
编号
C [≤ %] Cr [%] Ni [%] Mo [%] Other Si [≤ %] Mn [≤ %] S [≤ %]
1.4301 0.07 17.5 – 19.5 8.0 – 10.5 N ≤ 0.11 1.0 2.0 0.015
1.4305 0.10 17.0 – 19.0 8.0 – 10.0 N ≤ 0.11, Cu ≤ 1 1.0 2.0 0.15 – 0.35
1.4306 0.03 18.0 – 20.0 10.0 – 12.0 N ≤ 0.11 1.0 2.0 0.015
1.4307 0.03 17.5 – 19.5 8.0 – 10.5 N ≤ 0.11 1.0 2.0 0.015
1.4401 0.07 16.5 – 18.5 10.0 – 13.0 2.0 – 2.5 N ≤ 0.11 1.0 2.0 0.015
1.4404 0.03 16.5 – 18.5 10.0 – 13.0 2.0 – 2.5 N ≤ 0.11 1.0 2.0 0.015
1.4429 0.03 16.5 – 18.5 11.0 – 14.0 2.5 – 3 N 0.12 – 0.22 1.0 2.0 0.015
1.4435 0.03 17.0 – 19.0 12.5 – 15.0 2.5 – 3 N ≤ 0.11 1.0 2.0 0.015
1.4571 0.08 16.5 – 18.5 10.5 – 13.5 2 – 2.5 Ti 5 × C ≤ 0.7 1.0 2.0 0.015

图 3.1: 依据 EN 100881 第 1 部分、欧洲材料命名标准规定的不锈钢化学成分(质量分数)

AISI 编号 C [≤ %] Cr [%] Ni [%] Mo [%] Other Si [≤ %] Mn [≤ %] S [≤ %]
304 0.08 18.0 – 20.0 8.0 – 10.5 N ≤ 0.1 0.75 2.0 0.03
304L 0.03 18.0 – 20.0 8.0 – 12.0 N ≤ 0.1 0.75 2.0 0.03
316 0.08 16.0 – 18.0 10.0 – 14.0 2.0 – 3.0 N ≤ 0.1 0.75 2.0 0.03
316L 0.03 16.0 – 18.0 10.0 – 14.0 2.0 – 3.0 N ≤ 0.1 0.75 2.0 0.03
316LN 0.03 16.0 – 18.0 10.0 – 14.0 2.0 – 3.0 N 0.10 – 0.16 0.75 2.0 0.03

图 3.2: 依据 AISI(美国钢铁协会)、材料命名标准规定的不锈钢化学成分(质量分数)

材料
编号
20°C 时 0.2 % 屈服点 Rp 0.2 [N/mm2] 300°C 时 0.2 % 屈服点 Rp 0.2 [N/mm2] 20°C 时的抗 拉强度 Rm [N/mm2] 在 20°C 和 300°C 之间的 热膨胀 [10-6 K-1] 空气工作温度 [°C] 微观结构 可磁化性
1.4301 ≥ 190 ≥ 110 500 – 700 17.0 300 奥氏体(铁素体 含量,如适用) 呈现 1)
1.4306 ≥ 180 ≥ 100 460 – 680 17.0 350 奥氏体(铁素体 含量,如适用) 呈现 1)
1.4307 ≥ 175 ≥ 100 500 – 700 17.0 350 奥氏体(铁素体 含量,如适用) 呈现 1)
1.4401 ≥ 200 ≥ 127 500 – 700 17.0 300 奥氏体(铁素体 含量,如适用) 较少呈现 1)
1.4404 ≥ 200 ≥ 119 500 – 700 17.0 400 奥氏体(铁素体 含量,如适用) 较少呈现 1)
1.4429 ≥ 280 ≥ 155 580 – 800 17.0 400 奥氏体 几乎不呈现 2)
1.4435 ≥ 200 ≥ 119 500 – 700 17.0 400 奥氏体 几乎不呈现 2)
1.4571 ≥ 200 ≥ 145 500 – 700 18.0 400 奥氏体(铁素体 含量,如适用) 呈现 1)

1) 在淬火条件下可能会略带磁性。可磁化性随随应变硬化增加而增加。

2) 可能随应变硬化增加而略带磁性。

图 3.3: 不锈钢特性

欧洲常用钢号可与 AISI(美国钢铁协会)类似材料名称通 用,如 1.4301 对应 304、1.4307 和 1.4306 对应 304 L、1.4404 和 1.4435 对应 316 L 以及 1.4429 对应 316LN。不过,材料只是大约类似。真空应用的差异大多是 非常微小的。然而,对于特殊要求,必须针对个别情况单独 评估通用性。示例:如果某个部件需要材料 1.4301,一般必 须有相关材料证书。如果证书只显示材料 304,则未满足要 求。此时,证书中的名称很重要。如果满足相应的材料规 格,制造商也可证明半成品具有几个名称。例如,如果材料 被证明为 1.4301、1.4307、304 和 304L,用途则会更加多 样化。

为避免出现问题,例如在系统验收过程中,在验收半成品或 部件时,必须预先明确规定材料及其证书的要求。后续证明 通常是不可能的,特别是针对特殊要求:例如,由于特殊机 械性能,根据 AD 2000 W2(压力容器工作组,2000 时间表 W2,“压力容器的材料”)或 ASME(美国机械工程师学会) ,在化学组成或证明中的限制。

不锈钢 1.4301:最常用的铬镍钢。优良的冷成型、焊接和抛 光性。较强的的抗腐蚀性,适用于很多应用。适合于真空应 用。例如,用于法兰、管件和腔室。

不锈钢 1.4305: 1.4301 的变体,含硫,以改善机械加工性( 易切削钢)。耐腐蚀性低于 1.4301。不可焊接。非常适用于 真空应用。用于车床部件和铣削零件的一部分,如定心环。

不锈钢 1.4307, 1.4306:1.4301 的低碳变体。由于碳含量 低,所以可焊接,而不易被晶间腐蚀。强度略低于 1.4301。 非常适合于真空应用。应用要求非常低的碳含量,例如,用 于 CF 法兰。1.4307 逐渐取代 1.4306,因为高含量的铬和镍 带来的利益与其如此高的购买成本不匹配。

不锈钢 1.4401:优良的冷成型性能。良好的焊接性和抛光性 能。由于钼添加剂,它比 1.4301 更耐非氧化酸和含氯离子的 介质。非常适用于真空应用。例如,用于阀门外壳、用在要 求更多防腐保护的区域或用于家庭饮用水系统。

不锈钢 1.4404:1.4401 的低碳变体。由于碳含量低,所以可 焊接,而不易被晶间腐蚀。非常适合于真空应用。在要求具 有非常低的碳含量或较高的耐腐蚀性时使用,例如,用于半 导体行业中的管件和法兰部件。

不锈钢 1.4435:与 1.4404 相比,较高的镍含量稳定了奥氏 体结构,降低 delta 铁素体的形成,因此即使在焊缝区域中, 也几乎没有磁性。由于增添加了钼添加剂,它比 1.4404 更耐 非氧化酸和含氯离子的介质。非常适合于真空应用。经常用 于制药行业,同样受巴塞尔标准 2 (BN2)的限制,该标准设定 了更严格的分析限制并限定了允许的铁素体含量。

不锈钢 1.4429:特点类似于 1.4435,但是,由于氮含量高, 它的强度更大。这也稳定了奥氏体结构,从而最大限度地减 少 delta 铁素体的形成,从而减少磁化。非常适合于真空应 用。用于 CF 法兰,尤其是在高温下发生针对清洁和消磁的 真空退火时。1.4429 在管和金属薄板方面的可用性很低。因 此,用于腔室和部件、由 1.4429 制成的法兰通常与 1.4404 或 1.4307 制成的半成品结合。

不锈钢 1.4429 ESR:性能与 1.4429 相同,但由于 ESR(电 渣重熔法)处理,其微观结构得到了改善并且具有较高的纯 度。非常适用于真空应用。它被用作一种优质的 CF 法兰, 表现出很大的强度和最小的可磁化性,并结合了较高的化学 纯度和结构的均一性。

不锈钢 1.4571:经典的“V4A”钢,具有高可用性。使用钛稳 定,因此可焊接,而不易被晶间腐蚀。性能类与 1.4401 类 似,但是由于结构中的钛碳化物,它仅可中度抛光而不适合 于电抛光。非常适用于真空应用。例如,用于对耐腐蚀性有 更高要求的管道和设备的构建。

奥氏体不锈钢弹性模量的温度依赖性

图 3.1: 奥氏体不锈钢弹性模量的温度依赖性

0.2% 屈服点奥氏体不锈钢的温度依赖性

图 3.2: 0.2% 屈服点奥氏体不锈钢的温度依赖性

ESR(电渣重熔法):通过 ESR 工艺,在可控制、可重复的 条件下生产具有较高化学和结构纯度的低偏析致密不锈钢。 主熔体块在 ESR 炉中进行电重熔。一电极在主块上,另一反 向电极在水冷坩埚的底部。熔渣位于两极之间,由电阻加热 到不锈钢熔化温度以上。金属液滴在与液态熔渣接触时,可 对上面的非金属杂质进行清除,使其不断从主块底部释放出 来。当通过熔渣时,粗大杂质几乎完全消失。剩下的是小杂 质,几乎均匀地分布在次级块上。通过 ESR 工艺净化的不锈 钢具有极高密度和同质性的特点。

奥氏体钢具有良好的可焊性,并且是非磁性的全奥氏体。在 退火状态下,它们的特点是,即使在极低的温度下仍保持非 常高的韧性值。它们往往具有高加工硬化能力,特别是具有 较高的碳含量。部分微观结构可以转化为变形马氏体。全奥 氏体钢在焊接过程中易于产生热裂纹。在许多奥氏体材料 中,其化学成分往往被调整为将焊接金属内的 delta 铁素体含 量提高至 10%,这样则减少了热裂纹的形成。因此,许多称 为奥氏体的钢可在其结构种包含铁素体或马氏体含量,这取 决于它们的机械或热处理方式。

可磁化性: 全奥氏体微观结构是没有磁性的。通过先前描述 的将微观结构组成部分转变为变形马氏体或 delta 铁素体,即 使被指定为奥氏体的钢也会变得略带磁性。对于马氏体 铁素体,两者都是可磁化的。通过溶液使冷加工硬化退火,从 而使马氏体减少,甚至逆转。在微观结构种,delta 铁素体的 组成部分基本上取决于铁素体形成元素铬、钼、硅和铌与奥 氏体形成元素镍、碳、氮和锰之比。铁素体含量部分可通过 热处理降低,从而降低可磁化性。由于具有相同材料名称的 不锈钢可在所述限制内具有不同的化学组成,其可磁化性不 是定量的。根据 DeLong,通过绘制奥氏体形成元素镍当量 与铁素体形成元素铬当量的示意图,可看出奥氏体和铁素体 含量。

在图 3.3 中,对于某些不锈钢,显示了铬和镍当量区域(彩 色矩形),并以图标给出其平均当量。

De Long-图表

图 3.3: De Long 图表

稳定钢 含有钛和铌,二者吸附在焊接过程中排出的碳,从而 防止碳化铬的形成。碳化铬的形成将导致晶界处的铬减损, 并可使该材料易受晶间腐蚀。对于焊接结构,应使用片材厚 度大约为 6 mm 或以上、低碳 (C ≤ 0.03 %) 或稳定的不锈 钢。碳化铬严重限制了抛光性。

热处理: 对于奥氏体不锈钢,固溶退火温度大约为 1,050°C。由于在 600°C 和 800°C 之间的温度范围内存在形 成碳化铬的风险,以及相比于晶间腐蚀造成的损害,因此必 须快速通过 900°C 和 500°C 之间的温度范围。成品真空部 件可在真空环境下,在 950°C 到 1,100°C 的温度范围内退 火。当困在空间间隙中的氢脱气(低氢退火)以及可磁化性 减少(消磁退火)时,可使得表面的杂质特别是残余的碳氢 化合物(净化退火)得以清除。此外,任何现有的碳化铬溶 解(固溶退火),以及因加工产生的材料应力消失(无应力 退火)。然而,热处理还会减少在机械上有利的硬化。使用 金属密封法兰,退火时可导致切削领域中不期望的材料硬度 减少。如果使用金属密封件且密封件功能失效,则刀刃可能 会发生断裂。因此,我们建议法兰材料 1.4429 ESR 适用于 退火处理。其硬度非常强,能够确保刀刃足够坚韧。

腐蚀: 腐蚀取决于各种因素,因此,耐腐蚀性信息仅具有警 示值,并适用于一般信息。它本应有利于不锈钢的选择,但 并不能确保,因为它不容易适用于实际操作条件。例如,温 度和浓度的增加以及机械应力的增加和对表面的损坏,都会 加速腐蚀。而且,氧气的缺乏可防止氧化铬钝化层再生,因 此缺乏防腐蚀保护。此外,杂质的出现也可加速腐蚀。实际 上,最常出现的是氯离子和其它卤离子引起的点蚀、缝隙腐 蚀和应力裂纹腐蚀。因此,钝化层局部破裂,且局部腐蚀继 续。尤其是薄壁部件,如金属波纹管,最容易受到此类腐 蚀。如有必要,应该通过测试确定使用寿命。此外,冷却水 对部件的危害不应低估。被水包围的表面必须充分钝化,且 冷却水必须能够显示出制造商指定的特点。

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