上个世纪，科技与社会相互促进，均取得了巨大发展。颠覆性技术的诞生不仅推动了社会的繁荣发展，而且使人类生活变得更加便利、安全。回顾过去二十年，世界发生了翻天覆地的变化。二十年前，智能手机、人工智能和增材制造等产品技术还处于初级阶段，其中一些甚至尚未问世。

  不锈钢行业

  在过去二十年中，不锈钢行业同样也经历了巨变，也恰恰证明了该行业的蓬勃活力。2000 年全球不锈钢粗产量约为 1950 万吨，其中，欧洲占全球产量的40%，亚洲占全球产量的 40%，北美占全球产量的 10%，中国仅占全球产量的 2.5%。但是2021年全球不锈钢粗钢产量已达5900万吨左右，较2000年增长超过 200%，其中，中国占全球产量的 56%，紧随其后的亚洲其他地区合计占全球产量的 20%，欧洲占全球产量的 12%，而北美仅占全球产量的4%。除产量大幅增长外，不锈钢行业在过去二十年中还陆续开发了许多用途广泛的新钢种，由此催生出了一些诸如制氢一类新兴行业。其他如使用化石燃料火力发电的传统能源行业的未来发展面临着挑战，但是无论技术如何进步、产业如何更迭，加工方式对不锈钢的应用依旧是至关重要的，尤其是焊接工艺技术。

  美国焊接学会 (AWS) 对焊接做出了一个有意思的定义：“焊接是一种材料连接加工方式，通过将材料加热到适宜温度以实现材料连接，过程中可施加亦可不施加压力、也可单独施加压力，同时可使用、也可不使用填充材料”。从该定义中可以看出，焊接实际上是一种涉及热力学、冶金学和力学等多学科交叉的高能量输入型加工工艺；因此，在这个新的应用领域，控制焊接质量是一个必须克服的挑战，以保持材料的适当性能。

  合金设计的机遇与挑战

  合理的合计设计可以帮助行业解决不锈钢焊接质量控制的问题。焊接质量不仅会对不锈钢零件的性能产生影响，而且通过降低能耗水平和废品率从而提高应用的可持续性。尽管目前全球不锈钢产量仍以奥氏体不锈钢为主（约占全球产量的 75%），但本文的研究重点将放在铁素体不锈钢上（约占全球产量的 20%）。这是因为镍价的不稳定，铁素体不锈钢目前发展势头强劲，并且越来越受到最终用户的青睐。当今工业中使用的主要铁素体不锈钢是非稳定化AISI 430。这种材料用途多样，被广泛应用于白色家电、生产资料、基础设施、建筑以及许多其他领域。但是，由于该牌号不锈钢的不稳定性，其大部分应用均不涉及焊接。为了满足对焊接质量的要求，开发新铁素体不锈钢，以提高焊接性能，并将其应用范围扩展至汽车、能源生产和生产资料等其他领域，显得迫在眉睫。

  在材料开发过程中，需要利用合金设计解决铁素体相稳定化和敏化控制两个方面问题，以提高材料的性能。此外，还需要适当调整焊接工艺，例如控制焊接能量输入、使用适宜保护气体控制焊接气氛、开发适宜焊丝以及开发新焊接方法（例如，激光焊接或脉冲 GMAW 焊接）。

  在相稳定化方面，要在钢铁生产工艺方面进行调整，以控制化学成分，以避免焊接中和焊接后产生不必要的相变。例如，如果材料未得到适当稳定化，随着温度的升高，部分铁素体会在热影响区(HAZ)和焊接区转变为铁素体和奥氏体。当加热停止后，随着温度的迅速下降，晶界处将开始形成马氏体，而这将会导致材料脆化并影响应用。为避免出现这种情况，需要在 γ 形成元素（奥氏体稳定化元素）和 α 形成元素（铁素体稳定化元素）之间取得适当的平衡。检查这种平衡的一个重要方法是使用 K 因子(KFF)，其可以预测给定化学成分中的马氏体和铁素体数量。K 因子中存在两个当量，即铬当量（Creq）和镍当量（Nieq）（Creq 代表铁素体稳定化元素，Nieq 代表奥氏体稳定化元素）；如果该因子高于 13.5，则铁素体相稳定，公式如下：KFF = %Cr + 6%Si + 8%Ti + 4%Mo + 2%AI + 4%Nb -2%Mn – 4%Ni -40 (%C + %N)。

  策略、解决方案和可持续发展

  通过上述公式，可以预测合金设计策略的第一步，即降低碳和氮含量，因为它们是强奥氏体稳定化元素。但是，降低上述元素含量不仅需要运用先进的技术（例如，真空吹氧脱碳(VOD)技术），而且需要耗费大量的时间和精力，而许多钢厂并不具备这样的条件和能力。因此，在控制其他元素的同时添加铌(Nb)和钛(Ti)等元素，是避免这种相变的一种巧妙解决方案。另外，添加这些元素亦有助于提高抗敏化性能（即上文中提到的第二个方面）。敏化是当材料暴露于在 450℃～850℃温度（之间）下时，碳化铬沿晶界沉淀析出；这会导致晶界处形成贫铬区，造成“晶间腐蚀(IGC)”并进而影响耐腐蚀性能。有控制的铌(Nb)添加是非常有益的，因为这种元素比铬更易于与碳和氮结合，铌的碳氮化物部分或完全取代铬的碳化物和氮化物。这将使更多的铬可以重新参与形成钝化层的反应，从而保障焊接区的耐蚀性。从可持续发展的角度来看，避免腐蚀失效可以延长零部件使用寿命，这有助于降低废品率和减少不必要的材料更换，从而实现减排效果。

  几十年来，通过化学成分调整，在合金设计中添加铌、钛、钼等元素，创造出了一批具有重要意义的铁素体不锈钢（例如，AISI 409、AISI 430Nb、EN 1.4509（441）、UNS S43932（439）、AISI 444和SUS445J1）。这些不锈钢目前已广泛应用于汽车、能源生产、基础设施、生产资料、食品工业以及对焊接性有要求的许多其他领域。

  可以预见的是，不锈钢未来将被应用于许多有助于推动可持续发展的领域（例如，可再生能源发电、电气化、智慧城市基础设施等等）。但是，半数以上的不锈钢需求依旧对价格敏感；这意味着如果不锈钢价格涨幅过高，最终用户有可能改用铝、涂层碳钢其他材料代替不锈钢。在这一背景下，铁素体不锈钢再次成为人们关注的焦点，并有望在不锈钢和其他合金市场上占据更大份额，因此通过合理的合金设计提高其焊接性将为推动铁素体不锈钢发展提供重要动力。

作者：卡约·皮萨诺 (Caio Pisano)，铌科技引领者产商巴西矿冶公司 (CBMM) 技术市场开发经理