合金设计和制造协同可促进不锈钢的发展|铌科技

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合金设计和制造协同可促进

不锈钢的发展

新的应用和产品是一个令人兴奋的话题，尤其是那些将改变我们生活的
颠覆性应用和产品。在这些讨论中，主要关注的是成本效率、技术优势、
工业化和新解决方案的实施时机。虽然这些都是重要的指标，但考虑材料
成本而非解决方案成本是可能危及不锈钢发展的最大个别错误。

本文最初于 2021 年 3 月发表于《不锈钢世界杂志》。

这篇文章的读者可能已知道不锈钢是一种多功能的现代材料。当我和完全没有参与这个行业的同事讨论不锈钢的性能时，他们首先想到的是耐腐蚀、高质量表面、价格比其它类型的钢材更高。这点是不幸的，因为不锈钢也因其它特性而被广泛应用。这包括高温性能、耐火性、抗菌应用、高机械应力、高压应用甚至航空航天应用。

不锈钢是一种高成本材料这一先入为主的观念，在过去十年中不公平地阻碍或减缓了一些行业的发展和机遇。希望在本文结束时，您将对行业如何以合作的方式共赢，使不锈钢有机会推广其所有优势，并成为不久将来的首选材料有不同的看法。

新的应用和产品是一个令人兴奋的话题，尤其是那些将改变我们生活的颠覆性应用和产品。在这些讨论中，主要关注的是成本效率、技术优势、工业化和新解决方案的实施时机。虽然这些都是重要的指标，但考虑材料成本而非解决方案成本是可能危及不锈钢发展的最大错误。

虽然在许多情况下，这种材料可能比原有的解决方案更昂贵，使用它所获得的技术利益可增加组件的寿命，甚至优化其制造工艺，并为最终解决方案的成本和组件的总体成本带来积极结果。

发展的两大分支

在不锈钢行业中，两个发展分支正在强势增长。第一个与替代材料有关，专注于可持续性、技术优势和解决方案的成本。相比之下，第二个分支侧重于用一种不锈钢材料替代另一种，通常通过优化解决方案的成本、可持续性方面和技术性能等方面实现。本文将讨论这两种发展分支，并探讨一种处理这两种分支的通用方法。

为传统上使用不同材料的应用开发不锈钢解决方案非常复杂。然而，这是现代工程的一个重要课题，因其需要多学科的方法。在许多情况下，为了优化钢合金和微观结构，工厂的冶金技术发展是必要条件。此外，为了对终端用户的使用性能和制造工艺进行干预，调整焊接、冲压和其他工艺参数是很有必要的工作。

在这种情况下，循环法是最优的解决方案。从开发工艺之初，整个制造链都涉及到一个单一的项目，从原材料供应商和不锈钢生产商到 N 级下游链和终端用户。这将加快开发进程，避免浪费资源，并防止开发终端用户难以接受的解决方案。

用不锈钢盖板代替电动汽车电池组中的平铝板组件，提高了防火、机械性能和耐腐蚀性。

值得强调的是一些成功的例子，例如在汽车排气系统中开发冲压歧管来替代铸铁歧管。冲压歧管大大降低了部件的重量，同时提高了整车性能，减少了排放，并通过合金方案提高了使用性能。这些方案包括在化学成分中添加铌，以增加抗疲劳性能和高温性能。

在保持机械性能的同时避免蠕变现象是元件的关键特性，并提高催化效率。

最近另一个值得强调的例子是，电动汽车电池组中的铝板组件被不锈钢盖板所取代。其让设备生产商发现了防火和机械性能之间的有趣关联，且不锈钢实现了厚度薄和耐腐蚀性优，同时省去了对碳钢组件的电子涂镀。

回到第二个发展分支——用一种不锈钢合金替代另一种——我们可看到，多年来，该行业在此方面付出诸多行动。一些市场趋势是推动这一变化的良好催化剂，其中最重要的是镍的价格，我们将进一步探讨此点。

镍是变化的催化剂

众所周知，镍的价格不稳定。根据伦敦金属交易所 (LME) 的数据，2007 年镍的价格达到每吨 5 万美元以上，两年后跌至每吨约 9300 美元。这种波动给不锈钢终端用户带来了巨大的不确定性，因为材料价格的一个主要部分是合金附加成本。如果在生产奥氏体钢种的过程中，镍价格上涨，采购价格也会上涨，直接影响终端用户的财务结果。一些金融机构强调，镍价开启行业投资的门槛值为每吨 2 万美元。鉴于东南亚供应商和欧盟之间的紧张关系，我们目前接近这个价格。

通过开发一种特殊的铁素体不锈钢材料使其能够代替奥氏体不锈钢作为厨房水槽。

因此，在过去的十年中，特殊铁素体不锈钢替代普通奥氏体不锈钢（如 AISI 304/AISI 304L、AISI 316/AISI 316L 等）已成为主要趋势。这不是一件小事；由于奥氏体钢材的冶金特性，奥氏体不锈钢在焊接和冲压等加工过程中比铁素体钢要简单得多。

新性能钢种取得进展

回到循环方法，当制造链中的主要参与者共同协作时，可获得可观的成效。合金化和炼钢工艺方案可提高材料的冶金性能。制造过程中的调整可提高铁素体不锈钢的焊接性和成形性。

一个杰出的应用例子是用铁素体不锈钢水槽代替奥氏体不锈钢水槽。这点只有通过开发一种特殊的铁素体不锈钢材料，并在成分中加入铌和其他化学元素才能实现。还开发了一种特殊的工艺路线，使材料的晶体结构和各向异性达到了令人惊叹的水平。作为终端用户，通过降低压边压力、减小模具半径、增加润滑和调整毛坯设计，对冲压工艺进行了特殊调整。同样重要的是，将奥氏体不锈钢替换为铁素体不锈钢可有效地影响碳足迹，因我们从等式中去除了镍。

对于许多表面质量和耐腐蚀性能至关重要的应用领域，替代材料已经获得了广泛的应用，如双相钢和含钼的铁素体不锈钢材料，其已取代了标准的奥氏体钢。如今，许多电梯的门和内部面板都是按照 DIN 1.4509 (441)、 UNS S43932 甚至 AISI 444 进行生产。工业厨房、家电和建筑应用也是如此。对于最后一项应用，有两个巴西足球场的应用例子，分别为 2014 年国际足联世界杯建造的安联体育场和卡斯特劳体育场。

能源行业在过去十年中也发生了一些变化，奥氏体或其他合金在热交换器中失去了优势，取而代之的是具有高导热性的稳定性优异的铁素体不锈钢。由于采用钛或铌进行稳定，甚至采用两者实现双稳定，其可很容易地实现焊接和成型。

持续不断的进化

很明显，在过去的几年里，不锈钢行业已取得巨大发展，而技术也随着这一发展而发展。过去 10 年，不锈钢产量显著上升，尤其是在不锈钢生产最多的亚洲国家。因此，我想用一个发人深思的问题来结束这篇文章：不锈钢是一种百年材料、用途广泛且能适应复杂的应用环境。这和我们现在所处的时代大同小异，所以，我们为什么不用我们每天研究的不锈钢材料来激励自己，通过更可持续和更综合的方式来优化发展呢？

阅读发行于 2021 年 3 月的《不锈钢世界》杂志。