一、前言

 

作为首次从国家战略层面描绘制造强国的蓝图，《中国制造2025》明确了九项战略任务和重点，新一代信息技术产业、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农机装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械等十大重点领域成为改革着力点。

 

作为社会发展的物质基础和先导，材料，特别是钢铁材料中的合金钢倍受人们的重视，而不锈钢是其重要的组成部分。不锈钢以其优越的不锈性、耐腐蚀、强韧性、耐高温性、耐低温性、耐磨性、耐磨蚀性以及良好的制造加工性，对国民经济、国防建设，特别是制造业的发展具有重要的促进作用。

二、合金钢特别是不锈钢是《中国制造2025》不可或缺的结构材料与功能材料

 

不锈钢是传统材料，因为已有100多年的研发和应用史；又是新型材料，因为不断有新品种开发出来，例如不同类型的超级不锈钢系列、资源节约型不锈钢、高韧性高强度（2000MPa级）不锈钢、纳米不锈钢等。

不锈钢是结构材料，又是功能材料，是结构功能一体化材料，例如无磁不锈钢、软磁不锈钢、阻尼不锈钢、形状记忆不锈钢、不同膨胀系数不锈钢等。总之，功能不锈钢是功能合金钢中最具有发展前景与发展潜力的钢类。

不锈钢的发展现状及趋势是：

（1）不锈钢的品质、性能高级化主要表现在超高洁净度、超高均匀性的冶炼与铸造技术、全流程超细组织控制技术、钢材外观外形质量控制技术等。

（2）不锈钢品种规格的多样化、多功能化。

（3）不锈钢均质材料的复合化。

（4）不锈钢结构材料的功能化。

（5）不锈钢设计的计算机化。

（6）不锈钢生产技术的柔性化、生态化、智能化。

（7）不锈钢应用研究深入化。

与用户共同提高老钢种质量、性能，开拓新用途，研发新钢种。

（8）重视不锈钢基础理论的研究，特别是耐局部腐蚀机理、磨蚀机理与超高强度不锈钢强韧化机理以及功能不锈钢相关机理研究。

总之，不锈钢品种、品质、品牌的创新驱动发展，将为《中国制造2025》目标的实现做出应有的贡献，为中国不锈钢由生产、消费大国变成不锈钢强国奠定基础。

三、《中国制造2025》十大重点领域中现在和未来所使用的不锈钢

 

3.1 新一代信息技术用不锈钢

 

3.1.1 概述

 

材料、能源、信息是构成社会赖以生存的三大要素。新一代信息技术的发展离不开不锈钢。

现代信息技术尚无公认统一的定义，从技术角度讲包括：（1）信息载体：激光；（2）信息传递：微波、激光通过光钎；（3）信息储存：光盘与计算机结合；（4）信息显示：激光打印，光二极管。

信息材料是发展最快、变化最快的材料，其发展方向是轻、薄、短、小；特点是品种规格多、尺寸精度高、表面质量好、性能要求高、使用数量少、技术难度大、开发周期长，但技术含量与附加值高，经济效益好。

3.1.2 新一代信息技术用不锈钢的现状

 

表1 是新一代信息技术元器件用不锈钢

 

No.	牌号	元器件各称
1	1Cr13Ni，3Crl3	精密弹簧，绝对压力计元件，办公设备微型轴
2	lCr17，11Cr17	精密弹簧，办公设备微型轴
3	9Cr18Mo	加速表轴尖，不锈轴承
4	0Cr18 Ni9 1Cr18 Ni9Ti	通讯器材用小型十字开关，继电器，简易打印机弹簧，显像管弹簧，电脑真空槽，复印机定影、显影滚筒轴，、电缆屏蔽网与电子对撞机
5	0Cr18Ni12Mo2Ti	通讯电缆保护管，精密弹簧，电缆屏蔽网与电子对撞机、办公设备微型轴
6	00Cr28Ni1.5 N0.2	要求封接强度和气密性的显像管示波器
7	00 Cr18Ni15 Mo5 00 Cr25Ni25 Mo4.5 Cu	集成电路用硅外延片生产设备(≤500℃耐湿氯气腐蚀、气密性、力学性、可焊性好)
8	0Cr17 Ni7	精密弹簧，形状不太复杂弹性元件(膜盒、弹簧管)，硅切片机刀片基体金属（σb=1769MPa）
9	0Cr17 Ni7Al	高速打印机环形带，显像管弹簧，形状不太复杂的弹性元件，精密弹簧
10	0 Cr17 Ni4 Cu4Nb Stainless W	小型继电器弹簧，形状不太复杂的弹性元件，精密弹簧
11	0 Cr15 Ni9 Al	陀螺驱动装置钢带
12	AM 362，AM367 Custom 455	形状复杂要求高弹性的不锈耐蚀元件
13	0Cr19 Ni4 Si2Vl Til	高强耐蚀磁弹性元件（B4000=0.75~0.85T、σb≤1200MPa、E=206 GPa）
14	Y0Cr16 Ni10 Mo Cu CaS	飞机、舰载电子仪表轴，轴套，紧固件
15	Y0Cr18 Ni9 CaS	应答机、地面微波设备同轴接头
16	YlCr18 Ni9	复印机、电脑、传真机等马达及驱动系统用微型轴
17	含0.5%N的马氏体不锈钢	半导体生产设备用轴承，压力和流量控制阀

 

3.1.3新一代信息技术用不锈钢的进展

 

3.1.3.1 超高洁净度不锈钢

 

特别指用于半导体制备装置、印刷线路特别是超高真空元器件（例如不同类型晶闸管、绝缘栅极晶体管等）所使用的气体和非金属、金属夹杂物特别低的不锈钢。

气体与杂夹物高的不锈钢在超高真空下长期使用过程中，会释放出气体影响元器件的性能和使用寿命。在半导体制备过程中，不锈钢中的杂质，特别是重金属，例如Cu、Fe、Ni、Co、Cr等在半导体中的残存量越低越好，否则会大大影响、恶化半导体的性能，特别是电学性能。

目前超高洁净不锈钢普遍使用洁净度的水平是（10-6）：[C]≤60、[N]≤65、[O]≤5、[H]≤1.0:。印刷线路＜20μm的超细丝中要求非金属夹杂物特别低，且颗粒尺寸≤6μm。

超高洁净度不锈钢包括304、304L、316、316L以及一些超级不锈钢00Cr18Ni18Mo5、00Cr25 Ni25Mo4.5Cu等。

3.1.3.2 不锈钢极薄带材

 

极薄带材也称箔材，指厚度在＜0.1mm以下的金属带材，主要用于电子、光电子、电脑、精密机械制造、机器人制造等行业，例如：0.010~0.020mm的铜箔大量应用于电动汽车的动力电池，0.040~0.070mm的Hastelloy合金箔可应用于长尺寸超导电缆的制造，而不锈钢薄带和极薄带的应用范围更广，用量也较大。

《中国制造2025》中提出微机电、微制造、机器人、智能制造等高新制造技术领域，对多品种、高品质金属极薄带会提出更高的技术要求。

中国东北大学自行设计的金属成形轧机，得到了最薄厚度达0.001mm的铜、铝和普碳箔材；钛、镍、镁、不锈钢、硅钢箔材厚度达到了0.01mm以下。与此同时国内也陆续从国外引进一些精密极薄带材生产线，可以生产出接近世界先进水平的不锈钢极薄带。

欧洲高品质超薄精密不锈钢带的价格一般为不锈钢冷轧薄带10倍以上，因其尺寸精度及其波动范围、表面质量（粗糙度、光洁度、平整度等），特别是钢的高洁净度、性能均匀度、使用的可靠性均应满足苛刻技术条件及个性化要求。

表2是高品质精密不锈钢薄带牌号、规格及用途

 

 

牌号 AISI	规格 厚度mm	元器件各称
304	0.05~0.13	电脑弹簧
304	0.05~0.13	电脑解码器
301	0.08~0.20	电脑端子弹簧
304	0.05~0.25	电脑刻蚀元件
301	0.05~0.13	电脑按键弹簧
304	0.08	电脑用电池接触片
304	0.05~0.13	电脑用3.5吋盘开关器
304	0.05~0.13	电池制造阴极接触面
301、302、304	0.05~0.10	各种类型精密弹性元件
各种不锈钢	0.10~0.20	音频、视频磁头垫片
304	0.1（晶粒直径 ＜2μm）	能进行刻蚀及激光加工电脑及智能手机用元器件

 

3.1.3.3 功能不锈钢

 

不锈钢不仅是高强、高韧、不锈、耐蚀、耐磨的结构材料，而且是经济的功能材料。

功能不锈钢指具有磁、电、声、热、核等物理功能、特殊化学和力学功能及生物医学等功能不锈钢的总称。

目前金属功能材料多以有色金属合金为主，但仅占钢铁材料产量约5%的164种有色金属既是结构材料也是功能材料，大部分还是较为稀缺贵重的战略资源，比钢铁材料包括不锈钢价格上要高出好多倍。

尽管当前有色金属基功能材料，要比同类型功能不锈钢性能有其优越性，这可能是材料本身的属性如此，也有可能是功能不锈钢的研究还不到位，即使通过深入研究，性能仍有逊色，但是对金属功能材料要求量大面广而对功能性要求不很严格的场合，功能合金钢，特别是功能不锈钢是合理的选择。

下面介绍常用的一些功能不锈钢：

A、 无磁不锈钢

 

又称非（低）磁性不锈钢，指μ＜1.5的不锈钢。

无磁性不锈钢是奥氏体非常稳定的奥氏体不锈钢，其A3相变点在使用温度下。

随着超导技术的发展，在超导线圈电力储存、超导发电、磁流体发电、磁悬浮线性电动机、核聚变反应堆等高新技术中都使用高磁场技术。在非常高的磁场下存在易被磁化的钢铁材料不仅会扰乱磁场的分布并在其中产生涡流，不仅使材料发热造成大量能量损失，还有可能破坏整个构件的功能，从而研发了一系列μ小于1.1~1.5的无磁钢，包括不锈和耐蚀要求的无磁不锈钢，而普通钢的μ为150左右。

最常用的无磁不锈钢有Cr-Ni系、Cr-Ni-Mo系、Cr-Ni-Mn-N系等。

无磁不锈钢的牌号、主要性能与典型用途见表3。

表3 无磁不锈钢的牌号、主要性能与典型用途

 

应该指出，为了降低成本，对耐蚀性要求不大苛刻的元件，适量的降低钢中的Ni，而用很便宜的Mn和N代替，发展了一系列的Cr-Mn-Ni-N资源节约型无磁不锈钢。

B、 软（电）磁不锈钢

 

常见软磁不锈钢牌号、主要特性与典型用途见表4。

表4 软磁不锈钢的主要特性与典型用途

 

C、减振铁磁性不锈钢

 

主要指由于钢中磁滞即磁性-机械静态滞后引起内耗衰减的减振不锈钢。

具有高的磁壁迁移率和高的磁滞伸缩常数的材料是良好铁磁性减振不锈钢，例如：

（1）Cr12型马氏体不锈钢，热处理工艺明显影响其衰减特性。

（2）含2%~5%Al的 Cr13型不锈钢，在较宽的温度范围内（-50~350°）显示出高而稳定的减振性能，其中添加适量的稀土元素，可以改善其性能。

（3）Cr12Ni10为基，用Al、Ti、W、Mo和V合金化的马氏体沉淀硬化不锈钢，在具有良好的强韧性的同时，具有良好的减振性。

（4）00Cr12Ni7Al0.74Mo0.5是一种典型减振马氏体时效不锈钢。

除了铁磁性减振不锈钢外，还有位错型减振不锈钢Cr25Ni20、粉末冶金防振不锈钢Cr20~30Ni15~25，是化学成份分布不均、混晶严重、晶间腐蚀严重的减振不锈钢。

常见减振不锈钢牌号，主要特性与典型用途见表5。

表5 常见减振不锈钢牌号、特性与典型用途

 

D、膨胀不锈钢

 

分低、恒（定）、高膨胀不锈钢三种，其牌号、主要特性与典型用途见表6。

表6 膨胀不锈钢牌号主要特性与典型用途

 

不同类型的玻璃具有不同的膨胀系数，而电真空元器件要求有不同膨胀系数的金属材料与之配合进行真空密封。

E、 形状记忆不锈钢

 

应用广泛的是形状记忆有色合金，形状记忆不锈钢主要用途是自由与强制恢复。日本钢管等研发该类钢牌号、主要特性与典型用途见表7。

表7 形状记忆不锈钢牌号、特性与典型用途目

 

前形状记忆不锈钢还处于研发阶段，该领域有较大发展潜力，因为它是重要智能材料关键的组成部分之一。

F、电热钢

 

是把电能转变成热能且能在特定高温下长期工作的电阻钢，牌号有1 Cr13Al4、Cr20Ni30、lCr20Al 3、0Cr21Al 6Nb、0Cr21Al 6、0Cr23Al 5、0Cr25Al 5、0Cr27Al 7Mo2等，用来制造加热元件。

G、电阻钢

 

成份与电热钢类似，但主要用作电阻元件，改良型精密电阻钢有0Cr20Al 5、0Cr16Al 6、0Cr25Al 5Ti、0Cr25Al 5Mo、0Cr25Al 5Zr、0Cr25Al 5Y，它们是电阻温度系数和对铜热电势的绝对值较小且稳定性好的电阻钢，是具有电阻稳定不变的电阻钢。

H、热双金属

 

研发方向是拓宽使用温度，改善耐蚀性及特殊物理性能的材料。不锈钢（主动层）/Zr（被动层）已列入标准。

I、生物医学用功能不锈钢

 

（1）通常使用的AISI 316L和317L 已列入ISO5832及7153标准，它们具有良好的生物相容性和综合性能。（2）有些人群，特别是女性中的极少数人对Ni过敏从而研发了无Ni奥氏体不锈钢Cr18Mn14Mo3 Nl及Cr21Mn22 Mo1 Nl。中国也开发了Cr17 Mn14 Mo2 N0.6及03Cr17 Mn12.5 Mo2.5 Cu1.5 N0.4等代替316L及317L。（3）人工关节用Cr20Ni20 Co20 Mo4P 合金。（4）有利于骨植入体接合、不易发生感染的纳米银涂层不锈钢。

3.1.3.4  注射成型不锈钢零部件

 

注射成型技术适用于制造形状复杂、精度要求高且需要大批量生产、节能降耗省材、成本低的零部件，美国近年来获奖注射成型不锈钢零部件性能见表8。

表8 美国近年来注射成型不锈钢零部件性能

 

17-4PH由于高强高韧耐蚀耐磨且注射成形性好而常被选用。

3.1.3.5 大规模集成电路用铁素体不锈钢

 

大规模集成电路通常选用Fe-Ni-Co可伐合金、Fe-Ni42合金及铜合金。

可伐合金中Co含量高达18%，成本太高，有逐渐被Fe-Ni42合金代替的趋势，但它的热导率与电导率较差，在集成电路高密度化导致发热量大增的工况下，竞争不过铜合金。

铜合金大量用在金属氧化物半导体集成电路上，因它热导、电导性能好，成本又低，强度高，成为大规模集成电路的主角，成为不可或缺的材料。

尽管如此，综合性能可能更好的新材料——铁素体不锈钢成为研究的对象之一。铁素体不锈钢的强度、电导性和Fe-Ni42合金相当，伸长率相当于其50%，热膨胀系高达100%。

在上世纪90年代初，铁素体不锈钢的用量约为集成电路引线架材料的25%（600t左右），且有逐步扩大愿景。

3.2 高档数控机床和机器人用不锈钢

 

3.2.1 高档数控机床用不锈钢

 

3.2.1.1 概述

 

数控机床是微电子、计算机、检测监控、与机械技术高度结合的机电一体化产品，也是柔性制造系统、计算机集成制造系统的底层基础设备。

数控机床由三大部分组成：（1）外围配套件（滚珠丝杠、滚动导轨等）。（2）机床主体。（3）数控系统（微机数控系统与直线马达应用）。

提高加工速度、产品精度、生产效率、节能降耗、环境友好是高档数控机床的发展趋势。新材料、新技术，特别是少、无余量精密成形技术、精密、超精密加工技术、干法切削加工技术，零部件表面改性处理技术，特别是全流程产品质量数控系统是高档数控机床的关键技术。

3.2.1.2高档数控机床用不锈钢

 

高档数控机床常用不锈钢零部件与性能要求见表9。

表9高档数控机床常用的不锈零部件与性能

 

3.2.1.3 机器人用不锈钢

 

智能机器人将具有识别、推理、规划和学习等智能机制；可以把感知和行动智能化结合起来并能在特别环境中作业。2014年世界上已有100多万台机器人在工业上应用。不同类型机器人使用不锈钢也不相同（见表10）。

表10 不同类型机器人使用的不锈钢

 

3.3 航空、航天装备用不锈钢

 

3.3.1 航空装备用不锈钢

 

航空装备零部件用不锈钢见表11。

表11 航空装备零部件用不锈钢

 

3.3.2 航天设备用不锈钢

 

航天设备零部件用不锈钢见表12。

表12  航天设备零部件用不锈钢

 

3.4 海洋工程和装备与高技术船舶用不锈钢

 

据称，因腐蚀造成的损失约占世界GDP的1/3，其中约1/3是海洋环境腐蚀。因此，为了防止海洋腐蚀需要大量低合金耐蚀钢、不锈钢乃至耐蚀合金。

3.4.1 海洋工程和装备用不锈钢

 

常见的海洋工程和装备用不锈钢见表13。

表13 海洋工程与装备用不锈钢

 

3.4.2 高技术船舶用不锈钢

 

高技术船舶零部件用不锈钢见表14。

表14 高技术船舶零部件用不锈钢

 

3.4.3 海洋工程和装备与高技术船舶用不锈钢

 

3.4.3.1 大型（＞1000t）高速（＞50海里）船舶关键部件用高强不锈钢（日本）

 

A、 奥氏体YUS 304N不锈钢厚板（30mm）

 

02Cr18Ni9N0.05~0.25Nb0~0.2 钢采用高洁净度冶炼（P=0.025%、S=0.001%）、TMCP技术，σ0.2=627MPa、σb=836MPa、δ=43%、Ak=190J，焊接性良好，在食盐水溶中具有和大气中同样疲劳强度。

B、奥氏体YUS170（02Cr24.5Ni13.5Mo 0~1.5 N0.35）

 

不锈钢厚板（30mm）采用高洁净冶炼（P=0.028%，S=0.001%）和TMCP技术，力学性能：σ0.2=759MPa、σb=957MPa、δ=33%、Ak=200J 。焊接性良好，在食盐水溶中具有和大气中同样的疲劳强度。

C 马氏体系YUS 350（0l Cr13.2Ni5.4 Mol Nb N）

 

同A、B钢相同冶炼工艺的厚板20（200）mm，横向σ0.2=917（938）MPa，σb =1039（1032MPa），δ=23（20） %、Ak=271（274）J。

以上三种牌号高强、耐蚀、易焊接，在高速船舶制造方面，日本认为会有更多用途。

3.4.3.2 船舶制造用双相不锈钢

 

双相不锈钢制化学品船舶属高技术、高附加值船舶。化学品船的发展方向是：（1）大型化（主流是3~5万t）稳步推进。（2）不锈钢货舱是未来发展方向。

使用双相不锈钢使各舱所装化学品不易互相渗透，提高了航行安全性和使用寿命。2015年中国用双相不锈钢为5.6622万t，未来2~3年则需求量约12万t，再加国产钢弯曲性、延展性等质量不稳，只能部分靠进口解决，包括板、管、角钢、折弯角钢等。

3.4.3.3 航母阻拦索用高品质无磁不锈钢

 

用高强高韧耐海洋腐蚀无磁不锈钢丝制造，具有高的抗冲击性，既不允许发生断裂，保证具有符合阻拦要求的结构伸长。无磁性可防止铁磁颗粒吸入绳内发生磨损而降低使用寿命。另外还要求耐高温以适应战时甲板起火造成高温带来的影响。国内已有成熟钢号，但要制造出严于GB8918《重要用途钢丝绳》要求的高品质产品还要不断创新。

3.5 先进轨道交通装备用不锈钢

 

3.5.1 概述

 

先进轨道交通主要包括高速铁路、重载铁路、城市地铁与城际轨道交通等。先进轨道交通发展的主要方向是高速化、高效化、安全化、舒适化（噪声小，振动小）、长寿化、节能减排绿色化。对钢铁材料的要求是高强高韧、耐磨损、不锈耐蚀、耐低温、耐高温、制造工艺性优良，而不锈钢在以上诸多要求中均可以发挥重要的作用。

到2020年中国铁路营业里程将达到12万km以上，其中新建高铁1.6万km以上（目前为1.9万km），重点城市地铁、城际轨道交通也是规划重点。

3.5.2 先进轨道交通设备用不锈钢

 

3.5.2.1 高速铁路

 

（1） 除底架、横梁外，高速、轻型铁道客车用AISI301L、304不锈钢（耐冲击、耐蚀、不锈、美观）。

（2） 高速轻客车的车架和中梁用双相不锈钢，例如：NAR-DS-1等高强双相不锈钢。

（3）长寿命，重载运煤货车用马氏体不锈钢，例如：00Cr12 NiNbTi。

（4） 抗高含硫煤炭腐蚀货车用经济双相不锈钢（美国规划）。

（5） 高速列车车厢用lCr17 Ni7及2Cr17Ni7冷作硬化高强不锈钢。

（6）沿海高铁座椅架用 0Cr23 Ni4N 经济型双相不锈钢。

（7）超级高铁（美国2016初试百公里加速1秒）用超高强度不锈钢和功能不锈钢（客车难以实现）。

（8） 铁路车辆弹簧用06Cr17Ni7N0.12

 

3.5.2.2 城市与城际地铁、电车

 

（1）城市轨道列车车体用AISI301、301L冷作硬化高强度不锈钢。

（2）超高速（≥600km/h）城市与城际地铁用高强高韧易焊接不锈钢（国外规划）。

（3）磁悬浮列车，特别是超高速（＞500km/h）磁悬浮列车用无磁不锈钢 与导磁不锈钢。

（4）全部用经济型不锈钢制成电车的调试与推广（每辆车可减重3.7t、节电0.259kw/km）。

（5）地铁车厢，城市轻轨车厢用lCr17 Ni7 冷作硬化高强不锈钢。

3.6 节能与新能源汽车用不锈钢

 

3.6.1 概述

 

目前汽车正向安全化、舒适化、轻量化、经济化、环保化、高技术化方向发展。因之，对材料提出很高的要求。工业发达国家特殊钢的50%都用于汽车制造，几乎涉及特殊钢所有钢类，当然也包括不锈钢。汽车的高技术化就包括节能汽车与新能源汽车，当然也应该包括无人驾驶汽车，这也是今后发展重点之一。

3.6.2 节能汽车

 

（1）节能风扇、缓冲装置、净化器调节装置用形状记忆合金与不锈钢（省油30%，减少污染70%）。

（2）汽车用电子控制燃料喷射装置，反馈刹车系统，自动调整悬挂系统部件用02 Cr17.5 Mo1.75 Sil Nb软磁不锈钢及Cr13 Si2软磁不锈钢。

（3）汽车密封垫圈用0Cr17 Ni7不锈钢。

（4）汽车燃油管用阳离子电沉积的AISI 436不锈钢（5）车载充电器系统用双相不锈钢。

（6）汽车压力和流量控制阀用兼顾高强度和耐蚀性的高N（0.5%）马氏体不锈钢。

（7）以AISI301为基础兼顾高强度与良好加工性能的降C、加Nb、细晶化、通过形变诱导马氏体的汽车发动机的密封垫圈（如00Cr17Ni6.5Nb N）。

（8）满足10年、16万k m保险期的汽车排气、催化系统用不锈钢耐热钢、镀Al不锈钢、高铬含铌不锈钢。

（9）汽车悬挂系统，轮毂（易受雪熔化剂腐蚀）用减振不锈钢。

（10）轿车后视镜支架（410、430、434）、防抱制动系统传感器齿圈（434L）、排气管法兰（409L、434L）用粉末不锈钢。

（11）汽车安全气囊用注射成型17-4PH烧结不锈钢。

（12）汽车排气系统触媒用50μm 厚蜂窝结构用Cr19Al7.5钢箔。

3.6.3 新能源汽车

 

新能源汽车比传统汽车对轻量化的要求更高，因此对采用高强高韧、制造工艺性能良好的高强度超高强度钢的要求更为迫切，并且尽可能的选用一些铝合金与镁合金等低密度材料。

新能源汽车的发展以纯电能驱动作为战略目标，当前则以混合动力汽车为主。

（1）以氢为动力的新型能源汽车用抗氢脆性能优异的高洁净度奥氏体不锈系列，如00Cr12Ni9、00Cr10Ni13等，以及马氏体时效不锈钢，如00Cr10Ni10Mo2 Ti0.8Al、00Cr10 Ni10Cu1Mo2Ti0.8。

（2）用甲醇、乙醇为燃料汽车，虽然是低污染但耐蚀性要求高，因而采用较多的不锈钢。

（3）混合动力汽车排气系统、催化系统用经济型不锈耐热钢系列。

（4）在汽车底盘、车轮轮毂上采用高强高韧加工制造工艺良好的高强不锈钢。

（5）纯电动汽车与混合动力汽车电池用不同类型的不锈钢系列（详见3.7.10节）。

（6）燃料电池充氢站的高压氢气阀门用改进型高耐氢脆性的AISI316L不锈钢。

（7）节Ni、Mo型双相不锈钢SD（韩国）用于车载充电器代替必须粉末喷涂的冷轧普钢板，以适应环保电动汽车的发展。

（8）粉末冶金高N（1%）不锈钢。

（9）节能汽车无人驾驶系统用功能不锈钢系列。

（10）燃料电池充氢站用高强度（≥800MPa）、可焊接、抗氢脆性优良的HRX19（01Cr22.5Ni13Mn5V0.2Nb0.2 N0.32）不锈钢（Ni当量≥32）。

3.7 电力设备用不锈钢

 

3.7.1 火电设备

 

（1）超超临界火电机组用Cr12、304、310型不锈耐热钢系列。

（2）透平机组叶片用Cr13型、 lCr12Ni3Mo2Nb、17-4PH.。阀杆、滑阀、套筒用渗N 1Cr13。弹簧用3Cr13、4Cr13。罩壳用CF8C等。转子用X12Cr MoWVNb N10.1.1。

（3）发电机恒压弹簧用17-7PH。

（4）表面自纳米化提高1Cr17不锈钢的抗氧化性。

3.7.2 水电设备

 

（1）耐气蚀不锈钢系列：1Cr13,、1Cr13 Ni4、06Cr12Ni3 Cu、0Cr13 Ni6 Mo、0Cr18Ni9、ZG0Cr13 Ni4 Mo等。

（2）水电设备零部件用00Cr14.5 Ni6.5 Ti0.8高强不锈钢。

（3）多泥沙海水电站循环水泵叶片用10Cr16 Mn4 Cu3 RE。

3.7.3 风电设备

 

（1）海洋风电设备用不锈轴承钢（如9Cr 18 Mo）、不锈齿轮钢（如 00Cr10 Ni 2Mo2 Al Nb）及经济形不锈钢。

（2）海洋风电设备用含Mo高强不锈钢如PH13-8Mo。

（3）深海漂浮式风电用不同类型不锈钢。

3.7.4 核电设备

 

3.7.4.1 核电设备用不锈钢现状

 

核电设备需要大量不同类型的不锈钢包括功能不锈钢（见表15）。

表15 不同类型核电设备用不锈钢

 

3.7.4.2 核电设备用关键不锈钢的进展

 

3.7.4.2.1 抗辐照肿胀不锈钢奥氏体不锈钢

 

燃料包壳经高能中子辐照产生过量空位并凝聚成空洞导致肿胀，其量与粒子注量和温度有关，它严重影响包壳形状的稳定性和钢的韧性。在选定材料前提下，不锈钢的超高洁净度、均匀性和组织超细化能提高钢的原始韧性，是提高抗辐照、抗肿胀的技术基础。

3.7.4.2.2 高硼不锈钢

 

屏蔽材料反应堆核辐射主要是中子、α、β及γ射线，其中中子和γ射线穿透能力最强，危害最大，是屏蔽的重点。屏蔽中子途径是使中子慢化而后被俘获，对γ射线屏蔽主要靠吸收。俘获中子而不形成γ射线的材料就有中子俘获截面较高的高硼（2%~3%）奥氏体不锈钢，它塑性加工困难，有时高B钢使用粉末冶金工艺生产。

3.7.4.2.3 防氚渗透不锈钢

 

氚是人工β放射性核素，核武装料、聚变堆燃料对很多材料具有很强的渗透能力。在氚生产、运输和使用过程中必须防其渗透泄露。

在金属材料中防氚渗透能力是W＞Al＞Mo＞不锈钢，因不锈钢综合性能好，所以也用作防氚渗透材料。在不锈钢表面涂镀Al2O3、TiN和TiC则明显改进防氚渗透能力。

3.7.4.2.4 低放射性（活化）不锈钢

 

0Cr18 Ni12Mo2中高放射性元素（半衰期很长元素）Ni和Mo分别由低放射性元素置换而耐蚀性、强韧基本不变新钢种 l Cr12Mn15W2 V0.5 Ti0.2 Ta0.5。经过1100℃/10h+600℃处理，由于V、Ti细化晶粒而强韧性提高的同时大大降低放射性。类似钢号有Cr9W1、Cr9W3等改进型半不锈钢。

此类不锈钢经中子辐照后，感生放射性活度降低。聚变堆内放射性源自第一壁材料被聚变中子活化而生成的放射性核素，选用低活化性第一壁材料可以降低堆内总放射性活度。

3.7.4.2.5 超低温无磁奥氏体不锈钢

 

在极低温（4.2K）下奥氏体极为稳定，通过很大冷变形或很大规格铸、锻件中也不会出现形变马氏体、铁素体或磁性相析出的不锈钢。典型牌号有 0Cr16 Ni14、0 Cr22 Ni13 Mn5 Mo2.5N、0Cr21 Ni9 Mn4N、0Cr21Ni6 Mn9N 、A-286、0Cr16 Ni20Mn 10Mo2、00Cr12Mn29Mo2 N等。

磁流体发电、核聚变堆、新一代加速器、国际直线对撞机、超导加速器（例如：4.2K下，μ=1.0021的09Cr18Mn11.5Ni6.5N0.3）都需要超低温无磁奥氏体不锈钢。

3.7.5 磁流体发电设备

 

（1）燃煤磁硫体发电通道阳极用00Cr26 Mol、0 Cr27，中国用02Cr27.5Al6.5RE不锈耐热钢。

（2）磁流体发电冷壁材料用不锈钢与Fe-Cr-Al钢。

（3）超导磁硫体框架、磁流体发电机转子、输电设备用超低温无磁不锈钢。

3.7.6 太阳能

 

（1）太阳光能发电用收集板、储水池、无定形蜂窝底板、热交换器的褶皱状板等用不锈钢。

（2）太阳热能发电用抗热交换介质腐蚀、低氢渗透系数用经济不锈钢。

（3）直接吸收太阳能的非晶不锈钢。

（4）吸热率大、反射热能少、表面黑色处理不锈钢。

（5）太阳能热水器用AISI304、444、Cr17Mo2 Ti及B445J1M不锈钢。

（6）太阳能电极柔性薄膜、电池柔性衬底用AISI304不锈钢。

3.7.7 海洋能

 

（1）波浪能发电用耐海水腐蚀不锈钢、高强度不锈钢。

（2）潮汐能发电海水坝控制滚轮及履带用06 Cr17Ni7 Ti0.8 Al2与00Cr13 Ni8 Mo2Al高强不锈钢。

（3）耐含砂海水气蚀用不锈钢系列。

3.7.8 地热能

 

（1）耐硫化物、氯离子酸性高温地热水热交换器用含Mo经济不锈钢。

（2）耐蚀性较弱、高温地热水热交换器用0Cr13、 lCr13不锈钢。

（3）地热电站汽轮机转子用0 Cr13 Ni5 Mo马氏体不锈钢。

3.7.9 废弃物发电

 

（1）垃圾焚烧发电用不锈耐热钢与耐磨蚀不锈钢系列。

（2）植物质能发电用不锈钢耐热钢。

（3）高效废弃物发电锅炉过热管用0Cr25 Ni20、0Cr25 Ni20Nb0.4N、0Cr22Ni25 Mo1.5Nb0.15 N、0 Cr 25 Ni13 Mo1W等。

3.7.10 燃料电池等

 

（1）熔融碳酸盐燃料电池用Cr22Al 10不锈耐热钢。

（2）高分子电解质燃料电池分离器用超级不锈钢。

（3）固体燃料电池用经薄膜技术处理的不锈钢。

（4）质子交换膜燃料电池双极板用XlNi Cr MoCu25.20.5、XlNi Cr Ni MoCu25.20.7、X2 Cr Ni Mn MoN 25.18.6.5超级不锈钢。

（5）500~700℃燃料电池支架板用AISI 430。

（6）聚合物作为电解质的低温燃料电池用不同类型不锈钢（正在选材）。

（7）固体氧化物燃料电池用不锈钢RMG、232J3。

（8）燃料电池互连杆用第三代铁素体不锈钢。

（9）非晶硅太阳能电池衬底用不锈钢。

（10）微型扣式电池用无氧铜/不锈钢/电子管级Ni的0.3mm复合板材料。

3.8 新材料用不锈钢

 

《中国制造2025》需要多种新材料，包括有机材料、无机材料，特别是金属材料中的钢铁材料，这里主要关注不锈钢新材料。

（1）以不锈钢数据库、多尺度高性能计算模拟和先进实验技术为基础，把成分-结构-性能和生产工艺间关系数据库与计算材料设计结合起来的不锈钢材料设计研究。

（2）不锈钢生产工艺技术的生态化、自动化、智能化与个性化相结合的高品质制造产品体系。

（3）不锈钢结构材料的功能化。

（4）不锈钢均质材料的复合化。

（5）资源节约型环境友好型不锈钢的开发。

（6）良好加工制造性的超级不锈钢实用化。

（7）不锈钢耐局部与耐磨损腐蚀机理研究。

（8）高强不锈钢强韧化机理研究。

（9）功能不锈钢的功能化机理研究。

（10）不锈钢选材及其零部件失效分析专家系统。

（11）关注注射成形、3D打印等新技术直接生产不锈钢产品的开发等。

（12）要特别关注以下新型不锈钢产品的研发：

1）核聚变堆用高性能高品质不锈钢。

2）宇航用超高强、高韧、易加工，损伤容限设计用（要求KIC、KISCC、σ-1等）超高强度不锈钢。

3）海洋工程用高强、高韧、耐蚀、可大线能量焊接的特厚超级不锈钢板。

4）高速运转精密偶合件用耐高温、耐腐蚀、耐磨损、高硬度（500℃下HRC≥50）不锈钢。

5）海洋漂流核电站用不锈钢系列。

6）海洋环境监测和采集系统、海洋水下声波监测系统和传感器网络系统用高性能高品质不锈钢（包括功能不锈钢）系列。

7）不锈钢的单晶和纳米晶（特别是表面纳米晶化）的制备技术及其应用。

由太钢牵头，钢铁研究总院、北京科技大学、东大、科学院金属所等产、学、研、用户14个单位参加的“高强耐腐蚀不锈钢及应用”项目通过科技部评审并立项被纳入《国家重点研发计划重点基础材料技术提升与产业化重点专项实施方案》中高品质特殊钢的研究内容。

研究方向包括：高强高耐蚀不锈钢多相组织强韧化机理、超级奥氏体不锈钢凝固偏析和析出行为及热处理加工机理、耐高温耐腐蚀等服役环境适用性材料的设计开发、耐点腐和应力腐蚀组织控制以及柔性轧制等生产及应用技术评价。

旨在实现高性能不锈钢产品开发及应用示范。

项目研究以品种为主线，以“品种全流程，一体化设计”为原则，兼顾项目的共性、个性技术及最终产品应用示范，重点选取危险品运输及处理等特种行业用高品质双相不锈钢、环保领域用超级奥氏体不锈钢、高强不锈钢、汽轮机转子用耐热不锈钢、油气开发用马氏体不锈钢及抗菌不锈钢为研究对象；开展材料基础研究（合金设计优化、多项组织控制、强韧化和耐腐蚀机理、多因素协同作用及对关键性能影响等），材料应用研究（与用户需求和服役环境相关的应力腐蚀、焊接等）、制备技术研究（高洁净度冶炼、无偏析凝固控制和无开裂热加工等），最终实现高强高耐蚀不锈钢工业化技术提升及全流程稳定生产。

3.9 生物医学与高性能医疗器械用不锈钢

 

3.9.1 概述

 

作为生物医学设备用不锈钢，除了良好的力学性能、理化特性和加工制造性之外，还应具有优异的生物相容性与抗生理腐蚀性能。

生物相容性是指用于生物的材料在特定的用途中，引起适当的宿主反应有产生有效作用的能力。表征材料的生物学性能，决定材料与活体宿主系统的相互作用。这种相互作用包括宿主反应和材料反应。为保证生物材料临床应用的安全性必须通过一系列体内、外的评价实验。

不锈钢是一种和生物体组织接触并无不利影响且自身性能和机能也不受生物体组织影响的生物相容性金属材料，与钛及钛合金、钴基合金相比，是价格便宜、用途广泛的生物医学金属材料。

对人体植入不锈钢还要求：（1）在生物学上不发生排异反应；（2）无毒性及变态反应；（3）抗血栓；（4）耐磨损与耐磨蚀；（5）高的腐蚀疲劳性。

高性能医疗器械用不锈钢为要求具有良好强韧性、耐蚀性、功能性的高表面质量、高尺寸精度的钢材。

在生物医学与高性能医疗器械选材时，必须全面了解合金元素的作用，联合国粮农组织和世界卫生组织把微量元素对人体的作用分为3类：

（1）人体必须的元素有I、Fe、Zn、Se、Cu、Mo、Cr、Co共8种；（2）人体可能必须的有Mn、Si、Ni、B、V 5种；（3）具有潜在毒性、但低剂量对人体可能具有必须功能的微量元素，例如F、Pb、Cd、Hg、As、Al、Li、Sn等。

不锈钢中的主要元素是Fe、Cr、Ni、Mo、Cu以及Si、Mn、Co等均属无害元素，这也是不锈钢在该领域中广泛应用的原因。至于含Al的高强度不锈钢（如17-7PH、PH15-7 Mo、PH14-8Mo、PH13-8Mo等）尽量不用或少用而采用含Cu强化的不锈钢（如17-4PH、15-5PH等）。对含Pb的易切削不锈钢也应尽量少用，而选用含Se的易切削不锈钢。

3.9.2 生物医学与高性能医疗器械用不锈钢

 

3.9.2.1 生物医学用不锈钢

 

（1）通常使用的AISI 316L和317L 已列入ISO5832及7153标准，它们具有良好的生物相容性和综合性能。

（2）有些人群，特别是女性中的极少数人对Ni过敏从而研发了无Ni奥氏体不锈钢Cr18Mn14Mo3 Nl及Cr21Mn22 Mo1 Nl。中国也开发了Cr17 Mn14 Mo2 N0.6及03Cr17 Mn12.5 Mo2.5 Cu1.5 N0.4等代替316L及317L。

（3）人工关节用Cr20Ni20 Co20 Mo4P 合金。

（4）有利于骨植入体接合、不易发生感染的纳米银涂层不锈钢。

3.9.2.2 高性能医疗器械用不锈钢

 

（1）大部分适用马氏体不锈钢、铁素体不锈钢，例如：2Cr13、3Cr13、7Cr17、8Cr17、9Cr18 Mo及9Cr18 Mo V等。

（2）高强度不锈钢17-4PH、15-5PH。

（3）不同类型含Cu、含Ag抗菌不锈钢。

（4）功能不锈钢（如无磁、软磁、阻尼等）。

（5）304Cu 2 Wo.6抗菌不锈钢。

3.9.2.3 不锈钢的具体用途

 

（1）人工关节，骨折内固定器械。

（2）镶牙、矫形、牙根种植及辅助器械。

（3）心血管系统；植入电极、传感器外壳及导线、人工心脏瓣膜、血管内支架等。

（4）人工耳、人工眼导线等。

（5）高性能医疗器械结构件及功能件。

3.9.3 用新工艺、新技术直接生产生物医学与高性能医疗器械用不锈钢零部件

 

因为在该领域所要求的不锈钢制品，特别是关键零部件形状非常复杂，尺寸精度、表面质量要求又非常高，采用传统生产工艺往往达不到技术要求，而成品率低、成本高而不得不采用新工艺、新技术，如注射成形技术就是首选，而3D打印技术也逐步进入该领域。

表16 是美国近年来在生物医学与高性能医疗器械注射成形的获奖不锈钢产品。  

 

表16 生物医学与高性能医疗器械美国近年来获奖的注射成形不锈钢产品

 

总之，高端制造业中，形状特别复杂、精度要求特别高、产量非常大（以100万件计）、其他工艺难以生产或者虽能生产但成品率非常低材料消耗量大、重量较轻的零部件，注射成形工艺是最佳的选择。

3.10 农机装备用不锈钢

 

3.10.1 概述

 

农业是国民经济的基础，解决好农业、农村、农民问题是工作重中之重。我国人口的约15%从事农业生产而美国约占2%，除了农作物品种优良、水利到位、科学合理使用复合肥料以外，在大片农田上实现高度的农业机械化、自动化，肯定也是重要的技术措施。

农机设备涉及面很广，诸如农机动力拖拉机、深耕机与耙平机、不同类型播种机（包括插秧机）、不同类型收割机与脱粒机、粮食烘干机等。

拖拉机生产所需要的钢铁材料与载重汽车大致相似，但农机生产所需要的工程机械用钢、低合金耐候钢、沿海地区耐海洋大气腐蚀钢、关键部件用不锈钢也是不可或缺的钢类。

为了建设现代化农业，为了减少、降低农业工人的劳动强度，为了提高农产品生产效力，降低农产品价格，必须大力发展农业机械化、自动化所需大量的农机装备和其使用的钢铁材料。

3.10.2 农机装备用钢

 

3.10.2.1 拖拉机用不锈耐热钢

 

（1）内燃机进气阀用4Cr10Si2Mo、9Cr18Mo2 V钢。

（2）内燃机排气阀用4Cr 9Si2 、4Cr10Si2 Mo、2Cr18 Ni9、Cr13Ni9Si2钢。

（3）阀门弹簧用不锈耐热钢。

3.10.2.2 农业机械用不锈钢

 

（1）耐土壤磨蚀机械用2Cr13、3Cr13、4Cr13马氏体不锈钢。

（2）喷洒农药机械用经济不锈钢。

经常使用的不锈钢有0Cr13、0Cr17Ti、0Cr18 Ni9及00Cr18Ni12 MoTi等。

3.10.2.3 粮食烘烤设备用不锈钢

 

经常使用的不锈耐热钢有05Cr18 Ni9 Si2.5及00Cr18 Ni13Si3等。

四、 结语

 

中国是名副其实的制造大国，中国工程院发布了《2015年度中国制造强国发展指数》，分析了9国2012~2014年制造强国指数，前三名是美国、日本、德国，中国排名第四，与韩国、法国、英国共列第二梯队。

材料是社会发展的物质基础和先导，是国民经济、国防军工发展的支撑，是中国制造由制造大国变为制造强国的不可或缺的重要支撑技术。因此，大力研究、发展和推广智能制造核心技术，把中国制造由产量效益型变为质量效益型，其中采用包括不锈钢在内的先进钢铁材料势在必行。