鎳是形成和穩定奧氏體的主要元素,但屬于較為稀缺和昂貴的金屬。為此發展了以錳、氮代鎳的不銹鋼。早在20年代末已開始了Fe-Cr-Mn系不銹鋼的研究。30年代鉻錳奧氏體不銹鋼已經出現,40年代開始小量生產。50年代一些國家(包括我國在內)開展了大量研究工作,美國的Cr-Mn-Ni-N系奧氏體不銹鋼于1955年列入標準(AISI 201,202)并推廣應用。我國于1956年開始仿制。有關鉻錳奧氏體和雙相不銹鋼種部分情況已于雙相鋼中作了簡介,1959年開始列入標準(YB10-59)。
鉻錳奧氏體不銹鋼,也稱為節鎳奧氏體不銹鋼。可分為無鎳和部分代鎳兩類。其奧氏體的形成和穩定化,主要依靠錳和氮來代替鎳。
1. Cr-Mn和Cr-Mn-N系奧氏體不銹鋼
在大于15%Cr的鉻錳鋼中,不能只用增加錳量的辦法來獲得單相(純)的奧氏體組織。并且錳使σ相區的邊界向含鉻量較低的方向移動,會引起脆性,其形成過程比鉻鎳鋼快得多。為了獲得室溫下純奧氏體組織,只有在鉻含量小于14~15%時,經過1100~1150℃固溶水淬后才能實現。
在Cr-Mn鋼的基礎上,加入0.25%以下的氮,即無鎳Cr-Mn-N鋼,也不能在鉻含量高于15%時獲得純奧氏體組織。除非將氮含量提高至0.35~0.45%以上,這往往在鑄錠中產生嚴重氣泡。(一般普通18-8不銹鋼的正常氮含量為0.03~0.06%,如在氬氧精煉時用部分氮代替氬氣,則可達0.06~0.09%N)。
肖紀美等研究確定,在5~14%Mn的Cr-Mn-N鋼中,為在1150℃固溶處理溫度下獲得單相奧氏體組織所需要的C+N的最小含量與鋼中鉻含量的關系式為
C+N=0.078(Cr-12.5)
式中 C、N和Cr均表示相應元素在鋼中的含量,%;
2. Cr-Mn-Ni和Cr-Mn-Ni-N系奧氏體不銹鋼
當鉻含量高于15%時,在Cr-Mn-N的基礎上,加入少量鎳,便可獲得純奧氏體組織(見圖1-2-7)。
可以看出,通常作為奧氏體形成元素的錳,當鉻含量大于15%時,形成奧氏體的主要元素是氮和鎳,而錳的作用是增加氮在鋼中的溶解度和穩定奧氏體(35]。
此類鋼為純(單相)奧氏體組織時,無磁性。它具有較高的屈服強度和良好的深沖性能。添加銅可改善其冷變形性能。鉻錳奧氏體不銹鋼的耐蝕性主要取決于鉻含量。即使含17~18%Cr的鋼,在化學介質中一般仍不如18-8鉻鎳鋼。但某些含鉬鋼在醋酸等有機酸或尿素介質中具有較好的耐蝕性能。鉻錳奧氏體不銹鋼的主要缺點是存在敏化態晶間腐蝕。因熱處理不當或經焊接后,在某些介質中會產生晶間腐蝕。因此,其推廣應用受到一定的限制。采用超低碳,可以改善耐晶間腐蝕性能。鉻錳雙相不銹鋼比其奧氏體型鋼的耐晶間腐蝕性能優良,但加工等生產工藝困難。比較成熟,應用廣泛的典型鉻錳奧氏體不銹鋼是GB1Cr18Mn8Ni5N(相當美國AISI202)鋼。