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不仅仅是不锈钢餐具,航母、潜艇也用无磁钢!

  • 发表时间:2020-06-04 15:11:36
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在我们常规的认知中,一般钢铁材料是铁磁性材料,304不锈钢没有磁性,这是为何呢?


一般常见钢是铁素体、珠光体钢,而304则是奥氏体钢。铁素体、珠光体和马氏体组织在常温下为铁磁性,在磁场中表现出很强的磁化作用,而奥氏体钢是一种在磁场作用下基本不产生磁感应的低磁钢铁材料,在磁场中磁化作用很弱,即产生所谓的无磁现象,并地称之为无磁钢(或低磁钢)。

话说,无磁钢可不是简单做家具厨具的不锈钢!它大到做航母、潜艇,小到一颗精密、针状的医疗器械、无磁毛细不锈钢管......

接下来我们就好好聊聊我们的无磁钢


无磁钢分类


按钢种成分划分,无磁钢可以分为高Ni钢、高Mn钢、高Cr-Ni钢、高Cr-Mn-N钢等。

按使用性能划分,无磁钢又可分为奥氏体无磁不锈钢和无磁结构钢。前者为保证奥氏体稳定性,必须加入足够量的Ni和Mn,同时为保证不锈性能,钢中Cr的质量分数至少应大于13%。


而无磁结构钢多采用Fe-Mn系无磁钢,主要利用较高的Mn、C含量在室温即获得奥氏体组织,主要包括Fe-Mn、Fe-Mn-Cr和Fe-Mn-Al系无磁结构钢。



无磁钢用途

 

无磁钢用途十分广泛,涉及电力、轨道交通、建筑以及国防军工等诸多领域。


电力行业用发电机护环的设计应力较高,采用高强无磁钢可以减少转子端部的漏磁;大型核聚变装置,超导发电、输电和储能设备的结构材料需要大量无磁钢;磁悬浮列车的导向机构要求钢材满足无磁性能。


电机护环:


建筑行业中避磁掩体采用无磁钢可以免受磁场影响,电力传导网络设备和大型飞机防护掩体等均使用无磁钢。我国电动自行车的保有量已超1.2亿,其电机中也大量使用无磁钢。



此外,石油钻铤、无磁模具和轴承等亦需要无磁钢铁材料。在国防军工领域,无磁钢被用于制造扫雷艇的船体和无磁发动机、隐蔽潜艇的结构材料等。采用无磁钢对军用船舰隐身能起到非常好的效果,例如俄罗斯台风级核潜艇非耐压壳就采用了高强度无磁钢,该级潜艇直到现在仍在服役。


日本无磁不锈钢的发展

 

随着电子信息产业在日本的高速发展,传统无磁不锈钢(如AISI304)的强度和磁导率已经难以满足使用要求,日本各钢铁公司也投入大量精力开发和研制新型无磁不锈钢以适应不同需求,并申请了大量相关专利。
 

日本川崎钢铁公司针对无磁不锈钢的研究结果表明,19Cr-13Ni-1.0Mn-0.07C是无磁不锈钢的最佳组成,进而开发出R305S无磁不锈钢。与SUS316相比,该钢具有相近的耐点蚀性,奥氏体加工稳定性极高,即使进行60%的剧烈冷加工,也能保持充分的无磁性,并且耐磨性、焊接性良好,焊接部位不生成δ铁素体,适用于制造电工、电子零件或磁记录装置等零部件。


新日本钢铁公司开发的YUS130高强度无磁不锈钢,其化学成分为:20Cr-5Ni-10Mn-0.3N,厚度0.6mm冷轧薄板的抗拉强度为853MPa,屈服强度为498MPa,延伸率为42.5%。冷变形高达90%的0.4mm厚冷轧薄板,无马氏体生成,磁导率保持在1.01以下。
 

日本金属工业公司研制了深冲用无磁不锈钢NTKD-8,其主要化学成分为18Cr-12.5Ni-3.5Cu,该钢具有稳定的奥氏体组织,加工过程中不易发生马氏体相变,故加工硬化指数只有0.35,退火态硬度为HV128,经过70%冷加工,硬度为HV340,极限深冲系数达到2.1。


日本开发的10Cr-5Ni-8Mn-1.6V无磁不锈钢,经过固溶和时效处理后,析出VC型和M7C3型一次碳化物以及V4C3和M23C6型二次碳化物。当析出物粒径为5nm~10nm时,硬度最高。随着时效时间的延长,析出棒状或立方状M23C6碳化物,尺寸达到200nm~300nm,造成钢的二次软化。

开发的高强度无磁不锈钢QSM5,基本化学成分为6Mn-6Ni-18Cr-Cu-N,固溶处理后没有铁素体生成,经过40%冷变形,抗拉强度达到1300MPa,磁导率μ<1.01,可作为高强度无磁紧固件用钢。


我国无磁不锈钢的发展

 

上世纪70年代末,中国也开始对无磁不锈钢进行研究和开发,但品种相对较少。北京钢铁学院金属物理教研组苏世漳等在参照美国西屋电器公司kronlarc-55无磁不锈钢成分和性能的基础上,研制开发了用于极低温度(20K)的氢泡室制造的Cr-Ni-Mo系无磁不锈钢,在-196℃和-269℃进行拉伸变形后,仍为韧性断裂,磁导率μ<1.005。
 

成都无缝钢管厂为满足海军建设需要,开发了906奥氏体高强度不锈钢管,屈服强度大于400MPa,晶间腐蚀、磁导率和压扁实验均可满足使用要求,从而能够取代原牌号2Cr18Ni11Ti无磁不锈钢。

 

李长才等研究了不同化学成分和形变热处理工艺对Cr16Ni14无磁不锈钢磁性能和力学性能的影响,指出要获得良好性能,不仅应当选择恰当的镍当量和铬当量配比,还必须严格控制带钢生产过程中影响磁性的工艺因素,固溶处理有助于使磁导率恢复到较低水平。


吴崇源和简忠贤研制了液氦温度下使用的超低温无磁不锈钢Cr13Ni9Mn9N,发现该钢在液氦温度下不发生马氏体相变,并且具有高强度、高韧性和低的磁导率,是优于国内外广泛采用的21-6-9和310S的新型无磁不锈钢,可用作低温超导结构材料。
 

吕清法等开发了“高C低N型”和“高N低C型”新型3J8无磁高强度不锈钢,其冷变形态的抗拉强度可达2170MPa~2350MPa,经回火后,抗拉强度达到2500MPa~2700MPa,表现出良好的冷拉塑性和优良的无磁不锈性,适用于制造手表发条以及各种精密仪表中的弹簧等。
朱长春等开展了耐海水无磁不锈钢的研究,实验钢(ONMS)的化学成份为Mn:3%~10%,Cr:18%~26%,Ni:12%~20%,Mo:3%~7%,N≥0.2%,结果表明,该钢具有良好的力学性能、无磁性能、耐点腐蚀和耐海水腐蚀性能。
 

李静媛等研究了节镍无磁不锈钢Cr18Ni6Mn3N的热轧及固溶后的力学性能和耐蚀性能,分析了其固溶和时效析出后的组织演变规律、冷变形过程中形变诱发马氏体相变及其磁性能。结果表明,冷轧压下率18.3%时尚未发现形变诱发马氏体组织,随着变形量增大,马氏体含量增多,磁导率上升,但与相同条件下的AISI304不锈钢相比,冷轧板固溶后相对磁导率可降至1.002,因此可用于低成本无磁不锈钢领域。
 

邹章雄等研究了热处理工艺以及N元素含量对无磁钻铤用Cr-Mn-N奥氏体不锈钢再结晶过程析出行为和力学性能的影响,当N含量从0.62wt.%提高至0.78wt.%后,对钢的强化作用明显。
 

上述无磁不锈钢的强化手段主要通过冷变形来获得。对于不能通过冷变形而获得高强度、高硬度的无磁不锈零件,可以通过弥散强化的时效热处理工艺来得到。随着科学技术的不断进步,在许多重要的领域,例如核工业、化工工业、石油工业、航天航空领域的许多零件,一些特殊领域,例如高温高压水、硝酸、硫酸等使用的无磁、不锈耐磨材料及耐蚀轴承合金等,各国都进行了大量的研究。


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