3.2.1.1 不锈钢
在真空技术中，不锈钢是构造腔室或部件的优先材料。不锈 钢在法兰连接处具有的足够强度—即使在烘烤过程中也不会 对其硬度造成影响。它可以进行焊接，以保证其真空密封， 其表面已充分钝化，从而为许多应用提供了足够的保护。下 表列出了真空技术中常用不锈钢的化学组成和性能。
欧洲常用钢号可与 AISI（美国钢铁协会）类似材料名称通 用，如 1.4301 对应 304、1.4307 和 1.4306 对应304 L、1.4404 和 1.4435 对应 316 L 以及 1.4429 对应316LN。 不过，材料只是大约类似。真空应用的差异大多是非常微小 的。然而，对于特殊要求，必须针对个别情况单独评估通用 性。示例：如果某个部件需要材料 1.4301，一般必须 有相关材料证书。如果证书只显示材料 304，则未满足要 求。此时，证书的授权名称很重要。如果满足相应的材料规 范，制造商也可证明半成品具有相应的授权。例如，如果材 料被证明是 1.4301、1.4307、304 和 304L，用途则会更加 多样化。
为避免出现问题，例如在系统验收过程中，在验收半成品或 部件时，必须预先明确规定材料及其证书的要求。后续证明 通常是不可能的，特别是针对特殊要求：例如，由于特殊机 械性能，根据 AD 2000 W2（压力容器工作组，2000 时间表 W2，“压力容器的材料”）或 ASME（美国机械工程师学会） ，化学组成必须满足。
| 材料 编号 |
C [≤ %] | Cr [%] | Ni [%] | Mo [%] | Other | Si [≤ %] | Mn [≤ %] | S [≤ %] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1.4301 | 0.07 | 17.5 – 19.5 | 8.0 – 10.5 | – | N ≤ 0.11 | 1.0 | 2.0 | 0.015 |
| 1.4305 | 0.10 | 17.0 – 19.0 | 8.0 – 10.0 | – | N ≤ 0.11, Cu ≤ 1 | 1.0 | 2.0 | 0.15 – 0.35 |
| 1.4306 | 0.03 | 18.0 – 20.0 | 10.0 – 12.0 | – | N ≤ 0.11 | 1.0 | 2.0 | 0.015 |
| 1.4307 | 0.03 | 17.5 – 19.5 | 8.0 – 10.5 | – | N ≤ 0.11 | 1.0 | 2.0 | 0.015 |
| 1.4401 | 0.07 | 16.5 – 18.5 | 10.0 – 13.0 | 2.0 – 2.5 | N ≤ 0.11 | 1.0 | 2.0 | 0.015 |
| 1.4404 | 0.03 | 16.5 – 18.5 | 10.0 – 13.0 | 2.0 – 2.5 | N ≤ 0.11 | 1.0 | 2.0 | 0.015 |
| 1.4429 | 0.03 | 16.5 – 18.5 | 11.0 – 14.0 | 2.5 – 3 | N 0.12 – 0.22 | 1.0 | 2.0 | 0.015 |
| 1.4435 | 0.03 | 17.0 – 19.0 | 12.5 – 15.0 | 2.5 – 3 | N ≤ 0.11 | 1.0 | 2.0 | 0.015 |
| 1.4571 | 0.08 | 16.5 – 18.5 | 10.5 – 13.5 | 2 – 2.5 | Ti 5 × C ≤ 0.7 | 1.0 | 2.0 | 0.015 |
图 3.1: 依据 EN 100881 第 1 部分、欧洲材料命名标准规定的不锈钢化学成分（质量分数）
| AISI 编号 | C [≤ %] | Cr [%] | Ni [%] | Mo [%] | Other | Si [≤ %] | Mn [≤ %] | S [≤ %] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 304 | 0.08 | 18.0 – 20.0 | 8.0 – 10.5 | – | N ≤ 0.1 | 0.75 | 2.0 | 0.03 |
| 304L | 0.03 | 18.0 – 20.0 | 8.0 – 12.0 | – | N ≤ 0.1 | 0.75 | 2.0 | 0.03 |
| 316 | 0.08 | 16.0 – 18.0 | 10.0 – 14.0 | 2.0 – 3.0 | N ≤ 0.1 | 0.75 | 2.0 | 0.03 |
| 316L | 0.03 | 16.0 – 18.0 | 10.0 – 14.0 | 2.0 – 3.0 | N ≤ 0.1 | 0.75 | 2.0 | 0.03 |
| 316LN | 0.03 | 16.0 – 18.0 | 10.0 – 14.0 | 2.0 – 3.0 | N 0.10 – 0.16 | 0.75 | 2.0 | 0.03 |
图 3.2: 依据 AISI（美国钢铁协会）、材料命名标准规定的不锈钢化学成分（质量分数）
| 材料 编号 |
20°C 时 0.2 % 屈服点 Rp 0.2 [N/mm2] | 300°C 时 0.2 % 屈服点 Rp 0.2 [N/mm2] | 20°C 时的抗 拉强度 Rm [N/mm2] | 在 20°C 和 300°C 之间的 热膨胀 [10-6 K-1] | 空气工作温度 [°C] | 微观结构 | 可磁化性 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1.4301 | ≥ 190 | ≥ 110 | 500 – 700 | 17.0 | 300 | 奥氏体（ 铁素体 含量，如适用 ） | 呈现 1) |
| 1.4306 | ≥ 180 | ≥ 100 | 460 – 680 | 17.0 | 350 | 奥氏体（ 铁素体 含量，如适用 ） | 呈现 1) |
| 1.4307 | ≥ 175 | ≥ 100 | 500 – 700 | 17.0 | 350 | 奥氏体（ 铁素体 含量，如适用 ） | 呈现 1) |
| 1.4401 | ≥ 200 | ≥ 127 | 500 – 700 | 17.0 | 300 | 奥氏体（ 铁素体 含量，如适用 ） | 较少呈现 1) |
| 1.4404 | ≥ 200 | ≥ 119 | 500 – 700 | 17.0 | 400 | 奥氏体（ 铁素体 含量，如适用 ） | 较少呈现 1) |
| 1.4429 | ≥ 280 | ≥ 155 | 580 – 800 | 17.0 | 400 | 奥氏体 | 几乎不呈现 2) |
| 1.4435 | ≥ 200 | ≥ 119 | 500 – 700 | 17.0 | 400 | 奥氏体 | 几乎不呈现 2) |
| 1.4571 | ≥ 200 | ≥ 145 | 500 – 700 | 18.0 | 400 | 奥氏体（ 铁素体 含量，如适用 ） | 呈现 1) |
1) 在淬火条件下可能会略带磁性。可磁化性随随应变硬化增加而增加。
2) 可能随应变硬化增加而略带磁性。
图 3.3: 不锈钢特性
图 3.1: 奥氏体不锈钢弹性模量的温度依赖性
图 3.2: 0.2% 屈服点奥氏体不锈钢的温度依赖性
不锈钢 1.4301 ：最常用的铬镍钢。优良的冷成型、焊接和抛 光性。较强的的抗腐蚀性，适用于很多应用。适合于真空应 用。例如，用于法兰、管件和腔室。
不锈钢 1.4305 : 1.4301 的变体，含硫，以改善机械加工性 （ 易切削钢）。耐腐蚀性低于 1.4301。不可焊接。非常适用 于真空应用。用于车削和铣削加工的零部件的，如同心环。
不锈钢 1.4307, 1.4306 : 1.4301 的低碳变体。由于碳含量 低，所以可焊接，而不易被晶间腐蚀。强度略低于 1.4301。 非常适合于真空应用。用于要求碳含量非常低的部件，例 如， CF 法兰。1.4307 正逐渐取代 1.4306，因为高含量的铬 和镍带来的利益与其如此高的购买成本不匹配。
不锈钢 1.4401 ：优良的冷成型性能。良好的焊接性和抛光性 能。由于钼添加剂，它比 1.4301 更耐非氧化酸和含氯离子的 介质。非常适用于真空应用。例如，用于阀门外壳、用在要 求更多防腐保护的区域或用于家庭饮用水系统。
不锈钢 1.4404 : 1.4401 的低碳变体。由于碳含量低，所以可 焊接，而不易被晶间腐蚀。非常适合于真空应用。在要求具 有非常低的碳含量或较高的耐腐蚀性时使用，例如，用于半 导体行业中的管件和法兰部件。
不锈钢 1.4435 ：与 1.4404 相比，较高的镍含量稳定了奥氏 体结构，降低δ铁素体的形成，因此即使在焊缝区域中， 也 几乎没有磁性。由于添加了钼添加剂，它比 1.4404 更耐非氧 化酸和含氯离子的介质。非常适合于真空应用，也经常用于 制药行业，是得到受同样受巴塞尔标准 2 (BN2)批准的，该标 准设定了更严格的分析限制并限定了允许的铁素体含量。
不锈钢 1.4429 ：特点类似于 1.4435，但是，由于氮含量高， 它的强度更大。这也稳定了奥氏体结构，从而最大限度地减 少 δ铁素体的形成，从而减少磁化。非常适合于真空应用。 用于 CF 法兰，尤其是为了清洁和消磁而在高温下进行真空 退火时。1.4429 的管材和板材很少。因此，制作腔室和部件 时，由 1.4429 制成的法兰通常与 1.4404或 1.4307 制成的半 成品结合使用。
不锈钢 1.4429 ESR ：性能与 1.4429 相同，但由于 ESR（电 渣重熔法）处理，其微观结构得到了改善并且具有较高的纯 度。非常适用于真空应用。它被用作一种优质的 CF 法兰， 表现出很大的强度和最小的可磁化性，并结合了较高的化学 纯度和结构的均一性。
不锈钢 1.4571：经典的“V4A”钢，具有高可用性。使用钛做 稳定剂，因此可焊接，而不易被晶间腐蚀。性能与 1.4401 类 似，但是由于结构中的钛碳化物，它仅可适度抛光而不适合 于电抛光。非常适用于真空应用。例如，用于对耐腐蚀性有 更高要求的管道和设备的构建。
ESR（电渣重熔法）：通过 ESR 工艺，在可控制、可重复的 条件下生产具有较高化学和结构纯度的低偏析致密不锈钢。 主熔体块在 ESR 炉中进行电重熔。一电极在主块上，另一反 向电极在水冷坩埚的底部。熔渣位于两极之间，由电阻加热 到不锈钢熔化温度以上。金属液滴不断地从主块底部落下， 在与液态熔渣接触时，可对内部的非金属杂质进行清除。当 通过熔渣时，粗大杂质几乎完全消失。剩下的是小杂质，几 乎均匀地分布在次级块上。通过 ESR 工艺净化的不锈钢具有 极高密度和同质性的特点。
奥氏体钢具有良好的可焊性，并且是非磁性的全奥氏体。在 退火状态下，它们的特点是，即使在极低的温度下仍保持非 常高的韧性值。它们往往具有很强的加工硬化性质，特别是 具有较高碳含量时，部分微观结构可以转化为变形马氏体。 全奥氏体钢在焊接过程中易于产生热裂纹。在许多奥氏体材 料中，其化学成分往往被调整为将焊接金属内的 δ铁素体含 量提高至 10%，这样则减少了热裂纹的形成。因此，许多称 为奥氏体的钢可在其结构中包含铁素体或马氏体含量，这取 决于它们的机械加工或热处理方式。
可磁化性: 全奥氏体微观结构是没有磁性的。通过先前描述 的将微观结构组成部分转变为变形马氏体或 δ 铁素体，即使 被指定为奥氏体的钢也会变得略带磁性。对于马氏体和铁素 体，两者都是可磁化的。通过溶液使冷加工硬化退火，从而 使马氏体减少，甚至逆转。在微观结构中，δ 铁素体的组成 部分基本上取决于铁素体形成元素铬、钼、硅和铌与奥氏体 形成元素镍、碳、氮和锰之比。铁素体含量部分可通过热处 理降低，从而降低可磁化性。由于具有相同材料名称的不锈 钢可在所允许的范围内具有不同的化学组成，其可磁化性不 是定量的。根据通过在DeLong图上标定奥氏体形成元素镍当 量与铁素体形成元素铬当量，可看出奥氏体和铁素体的含 量。
在图 3.3 中，对于某些不锈钢，显示了铬当量和镍当量区域 （彩色矩形），并以图标给出其平均当量。。
图 3.3: De Long 图表
稳定钢含有钛和铌，二者吸附在焊接过程中排出的碳，从而 防止碳化铬的形成。碳化铬的形成将导致晶界处的铬减损， 并可使该材料易受晶间腐蚀。对于板材厚度在6mm及以上的 焊接结构，应使用低碳 (C ≤ 0.03 %) 或稳定的不锈钢。碳化 钛会严重影响抛光性。
热处理: 对于奥氏体不锈钢，固溶退火温度大约为1,050°C。 由于在 600°C 和 800°C 之间的温度范围内存在形成碳化铬 的风险，以及相比于晶间腐蚀造成的损害，因此必须快速通 过 900°C 和 500°C 之间的温度范围。成品真空部件可在真 空环境下，在 950°C 到 1,100°C 的温度范围内退火。退火 时，伴随着困在晶格间隙中的氢脱气（低氢退火）以及可磁 化性减少（消磁退火），还使得表面的杂质，特别是残余的 碳氢化合物，得以清除（净化退火）。此外，任何原有的碳 化铬会溶解（固溶退火），以及因加工产生的材料应力会消 失（消应力退火）。然而，热处理也会减少有益处的加工硬 化。比如金属密封法兰，退火时可导致不希望发生的刀口处 材料硬度降低。在使用金属密封件时会发生刀刃损坏和密封 件功能失效。因此，我们建议法采用兰材料 1.4429 ESR 适 用于退火处理。其硬度非常强，能够确保刀刃足够坚韧。
腐蚀: 腐蚀取决于多种因素，因此，耐腐蚀性信息仅具有警 示值，并适用于一般信息。它本应有利于不锈钢的选择，但 并不能确保，因为它不容易适用于实际操作条件。例如，温 度和浓度的增加以及机械应力的增加和对表面的损坏，都会 加速腐蚀。而且，氧气的缺乏可防止氧化铬钝化层再生，因 此缺乏防腐蚀保护。此外，杂质的出现也可加速腐蚀。实际 上，最常出现的是氯离子和其它卤素离子引起的点蚀、缝隙 腐蚀和应力裂纹腐蚀。因此，钝化层局部破裂，且局部腐蚀 继续。尤其是薄壁部件，如金属波纹管，最容易受到此类腐 蚀。如有必要，应该通过测试确定使用寿命。此外，冷却水 对部件的危害不应低估。被水包围的表面必须充分钝化，且 冷却水必须能够满足制造商指定的要求。
