304和204Cu不銹鋼在20世紀才進入合金鋼這個古老系列中。大約在1910年，在鐵鉻合金中添加鎳，發明了奧氏體鋼，通用的18-8型奧氏體鋼成分含18%鉻和8%鎳。這種奧氏體鋼除具有良好的延展性、韌性和無磁外，還具有在酸性介質中耐腐蝕的特性。

目前18-8型奧氏體鋼已形成了一個完整的系列，美國鋼鐵協會頒布的牌號有300多個。18-8型最具有代表性的牌號是304，其他牌號是304成分為基礎上，為改進某種性能，如力學性能、焊接性能、耐腐性能和成型性而開發的，關鍵元素是對鋼的性能影響如圖1所示。如加硫改進的切削性能、降低碳改進焊接性能、加鉬改進耐蝕性能、加銅改進冷成型性。

到1930年因鎳資源匱乏，德國人研究成功以錳和氮代替部分鎳。朝鮮戰爭期間，美國人因為同樣的原因，經深入研究，開發出一系列高錳奧氏體不銹鋼，即200系列不銹鋼。

韓鮮戰爭後一段時期，200系列鋼一度陷入困難境地，人們對它能否代替300系列生產懷疑，直到1970年市場才發生重大變化。關鍵原因是：儘管200系列材料成本比300系列低，但抗拉強度高。隨著304帶材和絲材的用量迅速猛增，其加工成本低的優勢在一定程度上彌補了材料成本偏高的弱點。而200系列鋼由於冷加工硬化率高，加工成本居高難下。新開發的204Cu鋼在200系列和300系列之間架起橋樑，填補了兩者之間的空白。與304相比，204Cu由於鎳含量低，材料成本低，由於加工硬化相近，加工成本也相近。同時204Cu成型性比304好，退火後強度高於304，這些特性對某些使用304鋼的行業很有吸引力。

1、204Cu實驗室研製

實驗方案是以低鎳奧氏體不銹鋼——改型201為基礎開發研究的，表1列出改型201和304常規成分，比較兩者成分可以看出：改型201的碳、錳、氮的含量較高，而鉻鎳量較低，儘管改型201和304兩者成分有很大差別，但從捨菲爾（Schaeffler）組織結構圖上可以看出，兩者成分當量基本相同。

表1 304及其試驗用基礎合金的化學成分/%

新試驗鋼是基礎鋼加1%、2%和3%的銅。

捨菲爾組織結構圖原先用來判定不銹鋼焊接後的鑄態相組織，特別是鐵素體的含量。現在依斯皮（Espy）對這個圖做一些改進，並用於200系列鋼的研製和開發。在這個圖上，元素被分為鉻當量和鎳當量兩種。鐵素體形成元素分在鉻當量中，奧氏體形成元素分在鎳當量中。合金的金相組織取決於鉻當量和鎳當量平衡狀況。304和改型201在組織結構圖上都處於黑色矩形框位置，兩者具有相近的鑄態鐵素體含量，可鑄造性和焊接性能也基本相當。對於絲材產品，由於熱加工過程的擴散作用，鋼中鐵素體含量一般都有所減少。

從圖2還可以看出，這兩種鋼接近馬氏體區，所以加工時容易產生馬氏體轉變。另外304和改進型201都處於奧氏體區域的底部，意味著奧氏體合金含量最低，兩者都是最經濟的。相比之下，因為鎳是較貴的合金元素，改型201含鎳量小於6%，價格要便宜些。與304相比，改型201的最大不足是冷加工硬化率高，導致帶材和絲材製品加工成本增加，製造難度增大。根據以往經驗，在奧氏體鋼中增加銅，能降低鋼的冷加工硬化率，改進鋼的成型能力，防止冷加工時產生形變馬氏體。在捨菲爾組織結構圖上，銅屬於奧氏體形成元素。為此決定在改型201基礎上添加1%，2%和3%的銅，以降低鋼的冷加工硬化率，改善成型性能和耐蝕性能，最終目的是開發一種性能介於304和改進型201之間的新鋼號。

圖2 捨菲爾不銹鋼組織結構圖（經依斯皮修訂）

2、實驗室評價

四爐分別含0.2%、1%、2%和3%銅的改型201鋼錠，被順利的熱加工成0.2英吋（5.1mm）厚，1英吋（25.4mm）寬的退火帶坯，含0.2%銅的爐號作為改型201。另外，將25.4mm的304鋼棒也加工成5.1mm厚，25.4mm的退火帶坯。由於銅對熱中工非常不利，所以保證高銅鋼熱加工是非常關鍵的環節。5個鋼號的退火帶坯，按5%-80%的加工率，冷軋成不同規格的鋼帶。將退火和冷軋鋼帶取樣測定硬度，其加工硬度化趨勢如圖3。其結果，改型201的硬化率最高，添加銅能明顯地降低冷加工硬化率，當含銅含量達到3%時，鋼的冷加工硬化率已與304基本相同。

對經80%加工率冷軋的鋼帶及軋後退火的鋼帶分別進行力學性能檢測，圖4和圖5分別顯示了5個牌號鋼帶在不同狀態下的屈服強度和抗拉強度（譯者註：1ksi=6.896MPa）。在退火條件下，改型201比304和含3%銅的鋼具有更高的屈服強度和抗拉強度，鋼的強度隨含銅量增加而降低。改型201的屈服強度和抗拉強度最高，而含銅3%的鋼，屈服強度稍低於304，添加3%的銅對加工硬化有益的作用得到證實。基於帶材實驗的良好結果，決定試制絲材，考查含銅3%的鋼絲是否具有與304相近的冷拉強度，變形能力和耐蝕性能。

3、204Cu生產試驗評價

冶煉一爐含銅3%的鋼（現在定名為204Cu），連續澆注，順利地熱軋成5.6mm的盤條。將盤條退火，以5%-60%的不同減面率拉拔成鋼絲，測定冷拉抗拉強度。同時有兩個不同的爐號304作對比測試（按標準生產），為降低冷加工硬化率，其中一爐304含鎳量較高（9.5%）。圖6和圖7顯示了屈服和抗拉強度隨冷拉減面率變化的情況，當冷拉減面率小於50%時，三種鋼的強度增高比例基本一致。當減面率達到60%以上時，304的抗拉強度急劇上升，而204Cu的屈服強度已接近304，抗拉強度反而低於304。

生產試驗證明：204Cu可以按304工藝路線拉拔出成品鋼絲，因為204Cu鎳的含量較低（僅為6%），其最終生產成本比304低。鎳的價格按3美元/磅計算，每磅204Cu可節約材料成本約10美元分。如果鎳的價格按4.5美元/磅計算，材料節約費用更多。3美元/磅到4.5美元磅是近4年來鎳價正常波動的範圍。

表2 性能對比數據

註：在冷鍛機上將頭部鐓扁（厚0.093英吋，2.36mm），鐓到鋼絲直徑的1/3.5。

開發方案的另一項內容是比較204Cu與304的變形能力和耐蝕性能。將340FQ（高鎳）、改型201和204Cu三個鋼號的熱軋退火5.6mm的盤條，拉拔成3.53mm的鋼絲，再進行成品退火，並對三種鋼絲進行抗拉強度、冷頂鍛和鹽霧腐蝕試驗，試驗結果如表2。其中，改型201退火鋼絲抗拉強度最高，204Cu次之，304最低。冷頂鍛試驗是用來比較三種鋼的變形能力的，選用製作緊固件的模鍛機，經兩個道次頂鍛成形，如圖8所示。每鋼號都頂鍛出數百個零件，檢驗這些零件的裂紋狀況，裂紋百分比小的，冷變形能力較好。結果顯示：改型201冷頂鍛裂紋率最高，變形能力最差。204Cu製作的零件裂紋率遠低於成形能力較好的304，裂紋率之比為2:37。上述結果出乎意料，但充分證明204Cu是介於300系列和200系列之間，具有較高變形能力的奧氏體不銹鋼。鹽霧試驗是將試樣存放在95℃，氣氛中含有5%NaCl的密封室內，存放時間為96小時，經肉眼觀察，只有改型201表面有銹蝕，204Cu具有與304試樣相同的抗鹽圖腐蝕性能。此外，還用熔鑄的204Cu和304試樣進行耐腐蝕實驗，實驗結果如表3。腐蝕實驗選用幾種常規酸性氣氛，包括硫酸、鹽酸、醋酸、甲酸和硝酸。硝酸氣氛通常用來檢驗鋼的耐晶間腐蝕性能，耐氯化物縫隙腐蝕性能通常用在臨界溫度下縫隙尺寸大小來衡量。實驗結果顯示：在含氯氣氛中，204Cu具有與304相同的耐縫隙腐蝕性能。由於對合金元素鉻、鉬、氮和鎳進行了仔細的平均計算，204Cu在酸性溶液和氯離子氣氛中都具有良好的抗腐蝕性能。

表3 204Cu和304的各種耐蝕性能比較

註：從0℃開始試驗，然後每次升高5℃，一直上升到所有鋼號都產生侵蝕裂紋，25℃為止。

*表示不產生侵蝕裂紋的最高溫度。

綜上所述，204Cu鋼絲的研製獲得成功，從冶煉到成品鋼絲的生產成本都比較低。與304相比，204Cu退火後強度高，冷加工硬化率低，在各種腐蝕介質中耐蝕性能基本與304相同，變形能力比304更好。良好的性能使204Cu很快進入商業化的批量生產階段，並以204Cu的牌號納入新標準（ASTM A313-1998）中，美國鋼鐵協會UNS系統定名為S20430。

4、實際應用

由於304是通用鋼號，能替代304的204Cu也具有潛在的廣泛的工業應用前景。在計算機、通訊、安全防護、食品製作、能源和煙草加工業都具有大量使用的可能性。例如，計算機需要高強度、無磁性、冷成形、抗磨損的傳動軸，選用300系列的302HQ無法滿足抗磨損的要求，而且要達到需要的高強度必須經大減面率拉拔。選用200系列鋼，如改型201，製作無裂紋的傳動軸，成形困難。204Cu填補了這個空白，將高強度與良好的成型性能完美地結合在一起，是最優良的首選材料。

在電話通訊行業，架空的電話線需要用架空線固定，多年來考慮到防銹、耐潮濕和耐鹽霧腐蝕，一直選用304鋼絲。204Cu應該是最好的替代材料，用204Cu生產架空線的試驗也獲得成功，生產工人認為：204Cu減面率比較小，相對304來說，更容易拉直。此外，204Cu生產成本低，耐鹽霧腐蝕實驗證明，架空線不容易生銹。

工業上常用的緊固件是梯形絲扣的螺栓，這種緊固件多用來固定房屋面板及地下污水管，螺栓成形及螺紋軋制一直是緊固件生產難關，但使用204Cu來製作沒有遇到什麼困難。

在安全防護行業，最常見的產品是刺鋼絲，該產品由帶刺部件和加強鋼絲組成，加強鋼絲具有很高的抗拉強度（大於200ksi），還必須保持良好的成型性能，要耐大氣腐蝕，採用204Cu大減面率拉拔，已成功地生產出直徑2.5mm盤捲鋼絲，其生產成本低於304，204Cu已經被納入ASTM A313《不銹彈簧鋼絲》標準中。

大量的304鋼絲用於製作各種傳輸網帶，各種傳輸網帶製作工藝不同，但基本要求是鋼絲必需具有良好的彎曲性能，能軋扁，並具有良好的焊接性能。由於鋼絲常被用作強化筋，所以必須具有很高的抗拉強度。不銹鋼傳送帶在食品製作業廣泛應用，如粉碎機傳送帶，將餅乾和其他食品送入烤爐中的傳送帶等。用204Cu鋼絲製作的食品用傳送帶，其化學成分獲得了FDA（美元教育和福利部，糧食和藥物管理局）的認可。

篩網鋼絲通常用在煤的分選設備上，從泥漿中篩出煤粉。泥將腐蝕性強，而且煤礦粉對篩網的磨損很厲害，腐蝕和磨損的雙重作用使環境變得很惡劣，如用碳鋼和410型不銹鋼根本承受不了這種腐蝕，不得不採用壽命更長的304鋼，204Cu的價格優勢對篩網業很有吸引力，現在204Cu已廣泛用於這個行業。

最新開發的應用領域是煙草加工業，輸送煙草筐藍的合頁銷柱，原來用玻璃纖維製作，因其強韌性較差，經常導致機器故障停車。最近試用204Cu，其低成本，良好的耐腐蝕性能和優異的強韌性引起了人們的關注，初步試用成功，該行業正考慮簽訂試供訂單。

許多習慣用302、304和430系列不銹鋼絲的領域已經認識到204Cu的優越性，估計204Cu每年實際用量已達10萬t左右。

5、結論

本次研製的目標是開發一種價格低廉、代替304的牌號，通過在改型201中加入3%的銅，開發了一個新牌號，其生產成本介於300系列和200系列之間，已定名為204Cu。204Cu由於鎳含量低（6%），價格比304便宜，由於鋼中加銅降低冷加工硬化率，成型性優於改型201和304。由於仔細平衡鋼中合金元素鉻、鉬、錳、氮和鎳的含量，鋼的腐蝕性能與304相當。

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