很多工業(yè)應(yīng)用部件要求無磁屬性，通過上面介紹我們知道，一般有色金屬，如金、銀、銅、鋁等都是弱磁金屬，但與鋼鐵比較不但價(jià)格高而且強(qiáng)度不行；鈦合金也是弱磁性，俄羅斯用鈦合金建造核潛艇，而且鈦合金比強(qiáng)度強(qiáng)度比較高，但其價(jià)格及加工費(fèi)用卻相當(dāng)高。所以對(duì)于需求量巨大的無磁材料，而且對(duì)其強(qiáng)度又有一定要求時(shí)，無磁鋼鐵就會(huì)成為首選材料。本文簡(jiǎn)單介紹一些無磁鋼的性能及應(yīng)用：

1. 無磁鋼定義及其應(yīng)用

2. 奧氏體形成元素和鐵素體形成元素

3. 無磁鋼種類

4. 高強(qiáng)度無磁材料 

01 無磁鋼定義及其應(yīng)用

無磁鋼，在磁場(chǎng)中磁化作用很弱，即產(chǎn)生所謂的“無磁”現(xiàn)象。無磁鋼用途十分廣泛涉及電力、電子、軌道交通、建筑以及國(guó)防軍工等諸多領(lǐng)域。

表1 無磁鋼的應(yīng)用

圖 1 SUS 20431無磁鋼的電子產(chǎn)品應(yīng)用

02 奧氏體形成元素和鐵素體形成元素

無磁鋼室溫組織要求為穩(wěn)定的奧氏體，這是由于鐵素體、珠光體和馬氏體組織在常溫下為鐵磁性，在磁場(chǎng)中表現(xiàn)出很強(qiáng)的磁化作用，磁導(dǎo)率很高，而具有面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體為順磁性，磁導(dǎo)率很低，通過適當(dāng)?shù)奶砑雍辖鹪財(cái)U(kuò)大Fe－C合金相圖中的奧氏體區(qū)以及熱處理方法，就可以在室溫條件下獲得穩(wěn)定的單相奧氏體組織，從而使鋼鐵材料的磁導(dǎo)率保持在較低的水平。

眾所周知，對(duì)于普通碳鋼，奧氏體是一個(gè)不穩(wěn)定的相，只存在于高溫下，在室溫下，穩(wěn)定存在的相是鐵素體，珠光體或馬氏體，但是加入了某些特定的元素，就可以使得奧氏體在室溫下保持穩(wěn)定。在與鐵構(gòu)成二元系情況下，使相圖中的奧氏體相區(qū)擴(kuò)展的合金元素，稱為奧氏體形成元素；它包括形成啟開奧氏體相區(qū)和擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的合金元素，最常用的奧氏體形成元素是碳、鎳、錳、氮等。又稱奧氏體穩(wěn)定化元素。

另一類是縮小奧氏體區(qū)的元素，稱為鐵素體形成元素，主要有鉻、硅、鈦、鈮、鉬等。

03 無磁鋼種類

無磁鋼，就是室溫時(shí)組織為穩(wěn)定奧氏體的鋼。為了獲得單一奧氏體組織，若單獨(dú)加鎳元素，其加入量必須達(dá)到30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）以上。若鎳與鉻復(fù)合加入，則可減少鋼中含鎳量。因此，應(yīng)對(duì)合金成分加以適當(dāng)搭配，如最普通的18-8奧氏體不銹鋼，含18%Cr和8%的鎳。所以奧氏體不銹鋼是第一類無磁鋼，如304或316不銹鋼。

鎳在世界范圍內(nèi)都是比較稀缺的元素，從上世紀(jì)50年代以來，為了節(jié)約鎳的消耗，國(guó)內(nèi)外研究和發(fā)展了許多節(jié)鎳或無鎳的奧氏體的無磁鋼。目前大體有三種類型，一種是以錳代鎳的Fe-Cr-Mn和Fe-Mn無磁鋼；第二種是以錳、氮共同代鎳的Cr－Mn－N無磁鋼；第三類是以錳代鎳，以鋁代鉻的Fe-Mn-Al無磁鋼。

表 2 無磁鋼種類

04 高強(qiáng)度無磁鋼

無磁鋼做為一種功能材料，但也是一種結(jié)構(gòu)材料，要求其具有高的強(qiáng)度，無磁鋼的組織都是奧氏體組織，不可能依靠相變強(qiáng)化，所能依靠的強(qiáng)化手段有固溶強(qiáng)化，細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化。

氮是強(qiáng)烈的奧氏體穩(wěn)定化元素，不銹鋼中加入氮會(huì)抑制鋼中鐵素體相的形成，顯著降低鐵素體的含量，使奧氏體相更加穩(wěn)定，甚至在劇烈冷加工硬化條件下避免發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變，因此氮是非常合適的代鎳元素。大量研究認(rèn)為，氮可顯著提高不銹鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。高氮奧氏體不銹鋼具有高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度可達(dá)到傳統(tǒng)AISI200（美國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)）和300系列不銹鋼的2-4倍以上，且仍能保持較高的斷裂韌性。

含氮鋼，特別是高氮鋼（HNS）已成為當(dāng)今國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。所謂“高氮鋼”是指材料中的實(shí)際氮含量超過了常壓下制備材料所能達(dá)到極限值的鋼“。一般根據(jù)氮在奧氏體不銹鋼中的含量可將含氮奧氏體不銹鋼分為控氮型（wN=0.05%~0.10%）、中氮型（wN=0.10%~0.40%）和高氮型（wN>0.40%）。

研究表明，隨著氮含量增加，材料的強(qiáng)度也隨之增加。如18Cr-18Mn-N是一種性能比較好的無磁不銹鋼，無磁，高強(qiáng)，而且抗腐蝕，如Carpenter的15-15LC和Bleckmann的P550的屈服強(qiáng)度可以達(dá)到1000Mpa級(jí)別的無磁鋼，用于石油和天然氣的定向鉆井設(shè)備。

發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)材料也要求具有較低的導(dǎo)磁性能，高氮無磁不銹鋼也是目前較好的護(hù)環(huán)材料。護(hù)環(huán)是火電發(fā)電設(shè)備的大型關(guān)鍵零件之一。它裝在轉(zhuǎn)子繞組的兩端，用來緊箍伸出的載流導(dǎo)體，防止其在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生位移。護(hù)環(huán)受力情況很復(fù)雜，不僅承受很大的離心力，而且還受過盈裝配應(yīng)力、不均負(fù)荷引起的附加應(yīng)力、由轉(zhuǎn)子傳來的交變應(yīng)力和由于結(jié)構(gòu)上要求造成的集中應(yīng)力。因此，為了保證發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，要求護(hù)環(huán)材料應(yīng)具備足夠高的強(qiáng)度和良好的塑性與韌性，并且在高強(qiáng)度的情況下有一定的屈強(qiáng)比，一般容量在300MW以上的大型機(jī)組護(hù)環(huán)其屈服強(qiáng)度都在1000Mpa以上。

圖 2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子及護(hù)環(huán)

護(hù)環(huán)的尺寸決定于發(fā)電機(jī)組的尺寸、容量及設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)代機(jī)組上使用的護(hù)環(huán)尺寸范圍在500mm至2000mm（直徑）之間，壁厚在40mm至120mm范圍內(nèi)，長(zhǎng)度高達(dá)1250mm。

德國(guó)VSG公司是生產(chǎn)護(hù)環(huán)較早且較知名的公司，下面介紹一下其所用鋼材的演變過程，通過這一演變，可以看出如何通過材料成分的變化來優(yōu)化材料強(qiáng)度及耐蝕性能的。表3為VSG公司護(hù)環(huán)材料材質(zhì)牌號(hào)及成分。1928年就已能批量生產(chǎn)出屈服強(qiáng)度達(dá)700MPa的護(hù)環(huán)。1978年，隨著發(fā)電機(jī)組部件尺寸的增大，對(duì)材料屈服強(qiáng)度的要求不斷提高，屈服強(qiáng)度的要求已超過1300MPa。

 表 3 VSG公司無磁性護(hù)環(huán)鋼化學(xué)成分的變化過程

VSG公司首先綜合使用了所有的護(hù)環(huán)成形方法，如：半熱鍛，固溶強(qiáng)化，最后冷成形。所用材料是奧氏體鋼，成分為8%Mn、8%Ni、4%Cr，或9%Mn、6%Ni、4%Cr，后來18%Mn、5%Cr（UKR），甚至在今天，成千上萬的用這種鋼（UKR）制造的護(hù)環(huán)仍服役在世界各地。它的缺點(diǎn)是在水溶液與潮濕氣體環(huán)境下，碳合金鋼（0.55%C）對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋較敏感（SCC）。因此在制造，運(yùn)輸，貯存和使用時(shí)要格外注意。

VSG和KRUPP公司在1975年成功地研制出P900（X8MnCrN1818）新材料。為了提高其基礎(chǔ)性能，N元素提高至0.6%。N元素的溶解、沉淀增強(qiáng)奧氏體鋼的穩(wěn)定性，提高了基礎(chǔ)性能，與Cr成分相互作用，得到了希望的抗腐蝕應(yīng)力能力，因此，Cr含量也增加到18%，同時(shí)，有害成分C降到了0.1%以下。在100℃以下，對(duì)于通常服役條件，這種鋼種完全可以避免應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生。

更苛刻的運(yùn)行環(huán)境迫使科學(xué)家和工程師們?nèi)ラ_發(fā)新的材料來滿足新的要求。1996年初，一種新的材料——高氮奧氏體不銹鋼P(yáng)2000在實(shí)驗(yàn)室誕生。P2000高氮奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分為（%）：C0.08，Si<1.0，Mn13.0，P<0.025，S<0.010，Cr16.0，Mo3.0，N0.9。可見，化學(xué)成分有兩個(gè)主要變化。添加了3%的鉬來提高冷加工能力、抗腐蝕能力和高溫持久性與矯磁力，而且N含量增加到0.9%，N的優(yōu)點(diǎn)是在奧氏體晶格中起穩(wěn)定作用，并且它還能提高抗腐蝕能力。

參考文獻(xiàn)

1. 李長(zhǎng)生, 馬彪等，無磁鋼的研究概況和我國(guó)無磁鋼的發(fā)展思路，河南冶金，2014，22（1）

2. 周維志等. 奧氏體護(hù)環(huán)鋼的發(fā)展歷程, 大型鑄鍛件, 1999(4) 

3. O land 產(chǎn)品介紹