戰(zhàn)后隨著日本經(jīng)濟(jì)的恢復(fù),民眾的生產(chǎn)水平提高,不銹鋼作為生產(chǎn)材料和大眾的消費(fèi)材料,其需求提高,市場(chǎng)要求提供廉價(jià)的、品質(zhì)穩(wěn)定的不銹鋼。生產(chǎn)廠家希望不銹鋼需求擴(kuò)大,采用能高效且大量生產(chǎn)低成本不銹鋼的制造技術(shù),建設(shè)新設(shè)備,推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步。其結(jié)果是,不銹鋼在市場(chǎng)上確立了地位,并喚起了新的需求。市場(chǎng)要求新型不銹鋼問世,新開發(fā)的不銹鋼又催生了新的需求。
新型不銹鋼問世時(shí),原來(lái)的制造技術(shù)不能達(dá)到要求,需要更高級(jí)的制造技術(shù),這成為技術(shù)進(jìn)步的驅(qū)動(dòng)力。另一方面,制造技術(shù)的進(jìn)步也成為不銹鋼新產(chǎn)品問世的技術(shù)動(dòng)力。所以說(shuō),日本不銹鋼的發(fā)展是市場(chǎng)、制造技術(shù)和新產(chǎn)品三個(gè)要素相互作用的螺旋式發(fā)展。
從1955年以后日本的不銹鋼熱軋材產(chǎn)量變化和市場(chǎng)、設(shè)備采用的動(dòng)向來(lái)看,如果將熱軋材產(chǎn)量看作市場(chǎng)的擴(kuò)大,那么如前所述制造技術(shù)、新產(chǎn)品和市場(chǎng)是相互作用,不銹鋼呈階段性發(fā)展。這里所說(shuō)的市場(chǎng)沒有忽視環(huán)境變化和規(guī)則的使用。本文以不銹鋼的制造技術(shù)進(jìn)展及不銹鋼用途擴(kuò)大為中心,論述了日本不銹鋼的發(fā)展。此外,為了使內(nèi)容更緊湊,還介紹了日新制鋼周南制鋼所的技術(shù)引進(jìn)和技術(shù)開發(fā)。
制造技術(shù)的發(fā)展
1 煉鋼技術(shù)
戰(zhàn)后不久,日本從美國(guó)引進(jìn)了不銹鋼煉鋼法。1951年左右,日本冶金、日本金屬工業(yè)、日本不銹鋼3家不銹鋼專業(yè)廠家開始試行生產(chǎn)不銹鋼。日新制鋼周南制鋼所于1962年開始生產(chǎn)不銹鋼,從當(dāng)時(shí)采用的電爐煉鋼法來(lái)看,存在如下情況:
①鉻的收得率不穩(wěn)定,高價(jià)低碳鉻鐵的消耗高;
?、诘吞疾讳P鋼的熔煉、生產(chǎn)效率和收得率非常低;
③雜質(zhì)多,形成表面缺陷,所以收得率低,最終用戶使用時(shí)發(fā)生加工裂紋。
為了解決生產(chǎn)效率、收得率、制造成本、用戶異議等眾多問題,嘗試將電爐鋼水在真空下進(jìn)行處理,但在當(dāng)時(shí)沒有應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。
(1) LD-VOD、AOD法的采用和發(fā)展
日新制鋼周南制鋼所于1969年建設(shè)了將高脫碳的LD轉(zhuǎn)爐和由EdelstahlwerkeWitten公司開發(fā)的VOD法(向進(jìn)入真空鋼包中的鋼水表面吹氧,邊抑制Cr的氧化邊進(jìn)行脫碳)相連,并配置了昭和電工開發(fā)的利用固相還原工藝的高碳鉻鐵合金設(shè)備的LD-VOD煉鋼工藝。對(duì)于真空吹氧當(dāng)時(shí)存在很多疑問,操作當(dāng)初遇到了各工藝不匹配、轉(zhuǎn)爐耐火材料壽命短等很多問題,但日新制鋼通過(guò)積累豐富技能和技術(shù)改善,完善了不銹鋼煉鋼的系列工藝。
在同一時(shí)期,美國(guó)的UnionCarbide公司開發(fā)出了AOD法,日本金屬工業(yè)公司于1971年引進(jìn)了AOD法,隨后相繼被其他公司采用?,F(xiàn)在LD-VOD法和AOD法是不銹鋼煉鋼的兩大工藝,這兩大工藝都有各自的特征,說(shuō)不上哪個(gè)好哪個(gè)不好。
AOD法有助于提高像SUS304這種量產(chǎn)型鋼種的生產(chǎn)率,所以從全球來(lái)看,采用的較多,但如后面所述,如果沒有LD-VOD法的技術(shù)進(jìn)步則不可能有高純度鐵素體系不銹鋼的發(fā)展。1976年,川崎制鐵從具有多個(gè)風(fēng)口的鋼包底部對(duì)在轉(zhuǎn)爐內(nèi)進(jìn)行粗脫碳的鋼水吹大量氬氣,對(duì)鋼水進(jìn)行強(qiáng)攪拌,證實(shí)在極低區(qū)域可降低C和N,領(lǐng)先生產(chǎn)了高純度高Cr鐵素體系不銹鋼。另一方面,采用AOD法在低C、N區(qū)域的脫碳、脫氮效率低,大同特殊鋼于1991年在AOD法上使帶真空功能的設(shè)備實(shí)用化,新日鐵也采用了該技術(shù)。 不銹鋼板坯連鑄機(jī)于1960年被八幡制鐵的光制鐵所首次采用,隨后一直到70年代,各公司相繼采用了板坯連鑄機(jī)。
在不銹鋼的連鑄中,應(yīng)該受到關(guān)注的技術(shù)是新日鐵室蘭制鐵所于1973年首次采用的電磁攪拌裝置。以SUS430為代表的鐵素體系不銹鋼如果加工成板,則產(chǎn)生被稱作絞紋的條紋狀表面起伏,使產(chǎn)品外觀質(zhì)量變差。一般認(rèn)為板坯凝固組織的柱狀晶是絞紋現(xiàn)象的起因,在熱軋、冷軋工序殘留的結(jié)晶方位附近的帶狀集合組織也是其發(fā)生原因。作為絞紋的改善方法,研究了各種熱軋、冷軋工序的改善方法,但至今沒有根本性的解決措施。但是,研究人員發(fā)現(xiàn)在某一液相·固相比率點(diǎn),通過(guò)施加電磁攪拌可抑制板坯凝固過(guò)程中柱狀晶的成長(zhǎng),等軸晶率增大,絞紋現(xiàn)象明顯改善??梢哉f(shuō)這種電磁攪拌技術(shù)對(duì)隨后鐵素體系不銹鋼的需求擴(kuò)大起了很大的作用。
2 冷軋技術(shù)
?。?) 森吉米爾軋機(jī)和多輥軋機(jī)的采用
到1950年前,日本國(guó)內(nèi)的不銹鋼生產(chǎn)一般都是在4機(jī)架軋機(jī)上對(duì)中間坯進(jìn)行反復(fù)軋制。但是,由于SUS304等不銹鋼加工硬化顯著,所以如果每一次軋制的壓下率不大,那么生產(chǎn)率很低。對(duì)于硬質(zhì)難軋制的材料,TadeuszSendzimir公司開發(fā)了小徑工作輥和高剛性一體型機(jī)架構(gòu)成的森吉米爾軋機(jī)。這種軋機(jī)使不銹鋼的軋制生產(chǎn)率飛躍性提高,1945年被WashingtonSteel公司采用后,以美國(guó)為中心快速發(fā)展。
日新制鋼公司預(yù)測(cè)不銹鋼需求將擴(kuò)大,所以和日立制作所合作,推進(jìn)國(guó)產(chǎn)森吉米爾軋機(jī)的使用,1958年在周南制鋼所建設(shè)了日本國(guó)內(nèi)第一套森吉米爾軋機(jī)。該軋機(jī)同時(shí)也是日本首套寬幅軋制用森吉米爾軋機(jī)。如果從當(dāng)時(shí)日本國(guó)內(nèi)的不銹鋼冷軋?jiān)庐a(chǎn)量約為2000t(昭和33年的不銹鋼熱軋卷為67394t)來(lái)考慮,一家公司的設(shè)備產(chǎn)能就高于全國(guó)產(chǎn)量,但1959年日本冶金從Demag公司引進(jìn)設(shè)備,以后各公司都積極引進(jìn)森吉米爾軋機(jī),其結(jié)果是,10年間日本國(guó)內(nèi)有11套設(shè)備處于運(yùn)行中,滿足了市場(chǎng)對(duì)不銹鋼冷軋產(chǎn)品的旺盛需求。
作為不銹鋼冷軋機(jī),森吉米爾軋機(jī)獲得了該地位,但由于其結(jié)構(gòu)上的問題,使得軋制形狀受到一定限制。1980年后,開始出現(xiàn)要求寬鋼卷下高精度的平坦度的新用途,改善軋制形狀成為重要問題。于是,日新制鋼決定采用新型軋機(jī),首次在寬幅不銹鋼冷軋中采用了可使用和森吉米爾軋機(jī)一樣的小徑工作輥的12機(jī)架多輥軋機(jī)。一直到現(xiàn)在,國(guó)內(nèi)外有10套這種軋機(jī)處于運(yùn)行中。12機(jī)架多輥軋機(jī)大大改善了森吉米爾軋機(jī)很難改善的四分之一軋制,滿足了新的需求。
?。?) 冷軋工藝的連續(xù)化
通過(guò)采用森吉米爾軋機(jī)和多輥軋機(jī),滿足了不銹鋼冷軋板的需求擴(kuò)大,但是這些可逆式軋機(jī)在軋制每一道次時(shí),在鋼卷的頭尾部必須減速,鋼卷的搬運(yùn)需要一定時(shí)間,所以在生產(chǎn)效率和勞動(dòng)生產(chǎn)率方面存在缺陷。為了克服這些問題,日新制鋼向軋線的連續(xù)化挑戰(zhàn)。以下敘述2個(gè)例子。
1)森吉米爾軋機(jī)的連續(xù)化
森吉米爾軋機(jī)的工作輥直徑小,軋制時(shí)鋼帶的前端很難咬入,還有無(wú)張力的尾部軋制也很困難等問題。要克服這些問題,需在軋機(jī)入口側(cè)配置焊接設(shè)備和活套,同時(shí)在軋機(jī)前后設(shè)置夾送輥,建設(shè)了能經(jīng)常確保軋制時(shí)張力的連續(xù)式森吉米爾軋機(jī)?,F(xiàn)在,在普通鋼軋制領(lǐng)域,軋機(jī)的連續(xù)化是很普通的,但比當(dāng)時(shí)日本鋼管福山廠計(jì)劃推進(jìn)采用的日本首套連續(xù)式串列軋機(jī)領(lǐng)先了2年。
建設(shè)后,進(jìn)行了2次更新改造,通過(guò)運(yùn)行的自動(dòng)化,采用全機(jī)架自動(dòng)板厚控制等,達(dá)到了省力化和高生產(chǎn)率,現(xiàn)在的月產(chǎn)量超過(guò)3萬(wàn)t。
2)熱軋卷的退火酸洗線和軋機(jī)直接連接
?。?) 連鑄技術(shù) 對(duì)于與不銹鋼熱軋卷的退火酸洗線直接連接軋機(jī),存在的2個(gè)最大問題是高Cr不銹鋼表面產(chǎn)生的線狀缺陷和軋制時(shí)的輥痕。
由于高Cr不銹鋼很難氧化,熱軋時(shí)的氧化鐵皮生成量少,在軋輥和鋼板之間產(chǎn)生發(fā)熱膠著,容易產(chǎn)生線狀缺陷。為此,必須在冷軋前進(jìn)行去缺陷研磨作業(yè),為使退火酸洗和軋制直接連接,必須解決這一問題。于是,在熱軋工序通過(guò)采用高速鋼軋輥和適當(dāng)?shù)囊后w潤(rùn)滑,抑制熱軋時(shí)線狀缺陷的產(chǎn)生,同時(shí)在去除熱軋卷表面氧化物的除鱗工序強(qiáng)化酸洗和表面研磨,確立了將完好熱軋卷送入軋機(jī)的技術(shù)。另一方面,軋制時(shí)的輥痕是由產(chǎn)生于軋輥的缺陷復(fù)制而來(lái)的。為了防止輥痕,采用刷滾除去異物是有效的,所以軋機(jī)選擇6Hi-UC軋機(jī),并且為了使工作輥直徑盡可能小,采用中間輥驅(qū)動(dòng)。
通過(guò)以上這些技術(shù)革新,在軋機(jī)出口側(cè),不停止每一鋼卷,就能在一定工藝速度下進(jìn)行操作。
關(guān)于軋線連續(xù)化,從世界潮流來(lái)看,在海外出現(xiàn)了省略熱軋卷退火工序,機(jī)械除鱗后,在具有小直徑工作輥和為防止工作輥水平撓曲而帶側(cè)壓輥的Z-High軋機(jī)上軋制,一直到冷軋卷的退火酸洗工序構(gòu)成的軋線。在單一軋線下,能制造從熱軋卷到冷軋產(chǎn)品是非常好的設(shè)想,但由于沒有公開發(fā)表實(shí)際運(yùn)行情況,所以不能評(píng)價(jià)其生產(chǎn)率和優(yōu)異性。但是,包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu),各個(gè)工序能最大限度發(fā)揮其能力,這種評(píng)價(jià)是很清楚的。
市場(chǎng)動(dòng)向與新產(chǎn)品
1 奧氏體系不銹鋼的發(fā)展
?。?) 加工感應(yīng)馬氏體的生成和適用
SUS304,即18Cr-8Ni鋼在平衡狀態(tài)圖上是α相與γ相組成的雙相組織,但在實(shí)際退火后是γ單相組織。這是因?yàn)?alpha;相的化學(xué)自由能低,即使在To溫度(常溫)以下也不發(fā)生擴(kuò)散相變,在可能發(fā)生馬氏體相變的亞穩(wěn)定狀態(tài)下維持到室溫。為了相變?yōu)轳R氏體,必須克服界面能和變形,所以Ms點(diǎn)是比To溫度還低200~300℃的低溫。SUS304和SUS301在室溫下正好處于這種狀態(tài),如果施加機(jī)械驅(qū)動(dòng)力,將生成馬氏體相變鋼。
從各種奧氏體系不銹鋼的應(yīng)力與變形曲線可看出,正如一種變形一定模型下所表示的,應(yīng)力取決于加工感應(yīng)馬氏體相強(qiáng)度與其體積率及母相奧氏體相強(qiáng)度與其體積率。加工感應(yīng)馬氏體的強(qiáng)度依賴于侵入元素C、N,母相奧氏體相的強(qiáng)度取決變形和加工感應(yīng)馬氏體相的體積率,也就是SUS304、SUS301通過(guò)生成加工感應(yīng)馬氏體,顯示出大的加工硬化能和高的均勻延伸。
?。?) 奧氏體系不銹鋼的鋼種擴(kuò)大
奧氏體系不銹鋼除了具有優(yōu)異耐蝕性外,還具有如上所述的機(jī)械性能,所以靈活運(yùn)用其特性,需求增長(zhǎng)。SUS301經(jīng)過(guò)滾壓回火處理獲得高強(qiáng)度,可適用作彈簧材。還有,由于均勻延伸大,所以也可用作鼓凸成形品。SUS304也適用作彈簧材,同時(shí)由于拉伸凸緣性和壓縮凸緣性優(yōu)異,多用作復(fù)合成形的部件和部材。另一方面,γ相穩(wěn)定型不銹鋼SUS305適用于多段拉深成形和非磁性用途。但是,這些鋼種不能完全滿足市場(chǎng)要求,對(duì)于新的需求必須進(jìn)行各種改善,以下介紹2個(gè)事例。
以前,鐵道車輛用材是將普通鋼板涂裝后使用。進(jìn)入70年代,以省略后涂裝為目的(即伴隨維護(hù)簡(jiǎn)便化和高速化的車輛輕量化),兼具耐蝕性和強(qiáng)度的不銹鋼板得到使用,美國(guó)紐約地鐵采用了AISI301。SUS301強(qiáng)度高,但由于C含量多,焊接部敏化發(fā)生晶界腐蝕,如果要用于在沿海地區(qū)運(yùn)營(yíng),且暴露在高溫潮濕環(huán)境中的日本國(guó)內(nèi)電車網(wǎng),那么必須解決這一問題。于是開發(fā)出了降低C含量,與C具有同樣固溶強(qiáng)化能,不損壞焊接部耐蝕性,提高N含量的鋼種。對(duì)車輛的各個(gè)部位,和日本車輛廠家共同設(shè)定調(diào)質(zhì)軋制率和板厚規(guī)格,實(shí)現(xiàn)了不銹鋼車輛。這種材料現(xiàn)在作為SUS301L已被JIS標(biāo)準(zhǔn)化,不僅可作為鐵道車輛用材料,還用于其他用途。SUS304適用于復(fù)合成形,但適用于壓縮凸緣成形品時(shí),有可能發(fā)生時(shí)效裂紋。這種裂紋是從加工后數(shù)小時(shí)到數(shù)個(gè)月后發(fā)生的延遲破壞現(xiàn)象,在生成一定量加工感應(yīng)馬氏體部位發(fā)生。從時(shí)效裂紋界限與應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)的關(guān)系看,對(duì)于加工硬化,應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)大,也就是說(shuō),被軟質(zhì)馬氏體感應(yīng)的鋼種,
對(duì)于時(shí)效裂紋有耐性。通過(guò)這些知識(shí),改進(jìn)后的鋼種適用于壓縮凸緣成形,也適用于超深沖品和復(fù)雜拉深成形品。這種鋼種作為SUS304J1、SUS304J2已被JIS標(biāo)準(zhǔn)化。
2 鐵素體系不銹鋼的發(fā)展
(1) 鐵素體系不銹鋼的優(yōu)缺點(diǎn)
SUS430和SUS304相比,易發(fā)生孔蝕和晶界腐蝕,所以不能用于嚴(yán)格加工。其優(yōu)點(diǎn)是,不發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋,熱膨脹系數(shù)小。因此,如果改善鐵素體系不銹鋼的耐晶界腐蝕性、耐蝕性和加工性,就能用于SUS304不適宜使用的用途。基于這種概念,進(jìn)行了很多研究開發(fā),關(guān)鍵技術(shù)是降低鋼中的C、N、S和改善如前所述的絞紋。改善這些特性后,擴(kuò)大了水環(huán)境部材、水前建筑物、汽車排氣部材等的新市場(chǎng)。
?。?) 鐵素體系不銹鋼的鋼種擴(kuò)大
由于C、N對(duì)耐晶界腐蝕性產(chǎn)生不好影響,所以添加Ti、Nb,形成碳氮化物固定是有效的。C、N的固定所需的Ti量根據(jù)化學(xué)理論計(jì)算是(C+N)的4倍,如果是Nb,則約是7倍,但是,由于焊接熱影響部是非平衡態(tài),為了獲得良好的耐晶界腐蝕性,最低也需要15倍以上的(Ti+Nb)量。使高純度鐵素體系不銹鋼提高耐蝕性的主要元素是Cr、Mo。與Cr相比,Mo對(duì)耐蝕性提高效果更大,19Cr-2Mo的孔蝕電位比SUS304的孔蝕電位高。Ti、Nb單獨(dú)或復(fù)合使用,對(duì)提高鐵素體系不銹鋼的加工性也是有效果的,深沖性大大改善。所以,隨著制造技術(shù)的發(fā)展,鐵素體系不銹鋼不斷進(jìn)步,并在各種用途開展使用。這里介紹電熱水器殼體的開發(fā)事例。
電熱水器殼體原本使用搪瓷材料,但從輕量化、耐沖擊性來(lái)看,不銹鋼受到關(guān)注。但是,在不銹化的初期,較多發(fā)生有關(guān)腐蝕等問題。從電熱水器殼體與縫隙腐蝕的模式圖來(lái)看,電熱水器殼體在下蓋板/殼體板的焊接部形成縫隙。在縫隙內(nèi)部氧濃度低,由于縫隙內(nèi)外形成氧濃度差電池,在縫隙內(nèi)發(fā)生腐蝕。在縫隙內(nèi)通過(guò)溶出金屬離子的加水分解,縫隙內(nèi)的PH下降,并且為了保持電中性,氯離子進(jìn)入,縫隙內(nèi)成為嚴(yán)酷腐蝕環(huán)境,促進(jìn)了腐蝕。在這種用途下,認(rèn)為像SUS304那樣具有優(yōu)異耐蝕性的奧氏體系不銹鋼更適合,但SUS304易發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋。只具有SUS304程度孔蝕電位的鐵素體系不銹鋼不能抑制縫隙腐蝕。在豐富的腐蝕數(shù)據(jù)、監(jiān)控試驗(yàn)下,新日鐵在該用途使用了19Cr-2Mo-Ti、Nb鋼,促進(jìn)了電熱水器的普及。
鐵素體系不銹鋼被大量使用的另一個(gè)領(lǐng)域是汽車排氣部件。1976年日本實(shí)行汽車排氣法規(guī),汽車廠家嘗試用兼具耐熱性和耐蝕性的不銹鋼做排氣部件。在反復(fù)受到高溫-常溫?zé)徇^(guò)程作用的排氣部件中,奧氏體系不銹鋼由于熱膨脹系數(shù)大,容易發(fā)生氧化皮剝離,熱疲勞特性變差,所以采用鐵素體系不銹鋼?,F(xiàn)在使用的材料根據(jù)汽車廠家、車種而不同,但基本的概念是排氣過(guò)程的前部分適用耐熱性(高溫強(qiáng)度、耐氧化性)優(yōu)異的鋼種,后部分適用耐蝕性優(yōu)異的鋼種。特別是接近發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣總管部位,除了要求高溫強(qiáng)度還要有優(yōu)異的熱疲勞特性,所以大多使用具備這些特性的含Nb、Mo鋼。
結(jié)語(yǔ)
關(guān)于不銹鋼今后的課題從以下4個(gè)方面敘述,并作為文章結(jié)束語(yǔ)。
1 通過(guò)提供總體解決方案擴(kuò)大不銹鋼市場(chǎng)
至今為止,不銹鋼廠家對(duì)于現(xiàn)在的、潛在的要求,從各種角度提供數(shù)據(jù),同時(shí)投入新產(chǎn)品,和用戶一起努力擴(kuò)大市場(chǎng)。今后還將推進(jìn)更高功能的材料開發(fā),同時(shí)必須提供包括靈活運(yùn)用材料功能的加工方法、焊接方法在內(nèi)的總體解決方案,從新的切入口開拓市場(chǎng)。
2 維持國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力 以廉價(jià)勞動(dòng)力為背景的海外不銹鋼廠家不斷擴(kuò)大設(shè)備能力,但勞務(wù)費(fèi)在不銹鋼制造費(fèi)中所占的比例通常至多為7%。與其爭(zhēng)論這種差異的大小,還不如依靠高技術(shù)高效制造高附加值產(chǎn)品,努力消化勞務(wù)費(fèi)差異。所以經(jīng)常維持最先進(jìn)的技術(shù)水平是非常重要的。
3 工藝連續(xù)化中的注意點(diǎn)
作為消除勞務(wù)費(fèi)差異的方法之一是工藝的連續(xù)化。但是,如前所述,工藝的連續(xù)化不僅要考慮單一的裝置技術(shù),而且開發(fā)周邊技術(shù)也是非常重要的。即使連續(xù)化,還必須充分研究能使各個(gè)工藝最大限度發(fā)揮其能力的設(shè)備配置和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。
4 對(duì)環(huán)境保護(hù)的貢獻(xiàn)
現(xiàn)在,全球范圍內(nèi)的資源開采、制造、加工、使用的各個(gè)方面都在追求減輕對(duì)環(huán)境的負(fù)荷,從考慮產(chǎn)品資源循環(huán)的生命周期角度追求環(huán)境負(fù)荷最小。不可否認(rèn),在不銹鋼主原料Cr、Ni的制造中產(chǎn)生的CO2負(fù)荷量較多,但具有高耐蝕性、高耐熱性的不銹鋼延長(zhǎng)了產(chǎn)品-結(jié)構(gòu)物的壽命,起到了減少?gòu)U棄物和無(wú)需維護(hù)的雙重效果,有助于節(jié)能、省力化。在今后的以清潔能源為對(duì)策的新技術(shù)中,不銹鋼是必將繼續(xù)發(fā)揮重要作用的材料。