很多工业应用部件要求无磁属性，通过上面介绍我们知道，一般有色金属，如金、银、铜、铝等都是弱磁金属，但与钢铁比较不但价格高而且强度不行；钛合金也是弱磁性，俄罗斯用钛合金建造核潜艇，而且钛合金比强度强度比较高，但其价格及加工费用却相当高。所以对于需求量巨大的无磁材料，而且对其强度又有一定要求时，无磁钢铁就会成为首选材料。本文简单介绍一些无磁钢的性能及应用：

1. 无磁钢定义及其应用

2. 奥氏体形成元素和铁素体形成元素

3. 无磁钢种类

4. 高强度无磁材料 

01 无磁钢定义及其应用

无磁钢，在磁场中磁化作用很弱，即产生所谓的“无磁”现象。无磁钢用途十分广泛涉及电力、电子、轨道交通、建筑以及国防军工等诸多领域。

表1 无磁钢的应用

图 1 SUS 20431无磁钢的电子产品应用

02 奥氏体形成元素和铁素体形成元素

无磁钢室温组织要求为稳定的奥氏体，这是由于铁素体、珠光体和马氏体组织在常温下为铁磁性，在磁场中表现出很强的磁化作用，磁导率很高，而具有面心立方结构的奥氏体为顺磁性，磁导率很低，通过适当的添加合金元素扩大Fe－C合金相图中的奥氏体区以及热处理方法，就可以在室温条件下获得稳定的单相奥氏体组织，从而使钢铁材料的磁导率保持在较低的水平。

众所周知，对于普通碳钢，奥氏体是一个不稳定的相，只存在于高温下，在室温下，稳定存在的相是铁素体，珠光体或马氏体，但是加入了某些特定的元素，就可以使得奥氏体在室温下保持稳定。在与铁构成二元系情况下，使相图中的奥氏体相区扩展的合金元素，称为奥氏体形成元素；它包括形成启开奥氏体相区和扩大奥氏体相区的合金元素，最常用的奥氏体形成元素是碳、镍、锰、氮等。又称奥氏体稳定化元素。

另一类是缩小奥氏体区的元素，称为铁素体形成元素，主要有铬、硅、钛、铌、钼等。

03 无磁钢种类

无磁钢，就是室温时组织为稳定奥氏体的钢。为了获得单一奥氏体组织，若单独加镍元素，其加入量必须达到30%（质量分数）以上。若镍与铬复合加入，则可减少钢中含镍量。因此，应对合金成分加以适当搭配，如最普通的18-8奥氏体不锈钢，含18%Cr和8%的镍。所以奥氏体不锈钢是第一类无磁钢，如304或316不锈钢。

镍在世界范围内都是比较稀缺的元素，从上世纪50年代以来，为了节约镍的消耗，国内外研究和发展了许多节镍或无镍的奥氏体的无磁钢。目前大体有三种类型，一种是以锰代镍的Fe-Cr-Mn和Fe-Mn无磁钢；第二种是以锰、氮共同代镍的Cr－Mn－N无磁钢；第三类是以锰代镍，以铝代铬的Fe-Mn-Al无磁钢。

表 2 无磁钢种类

04 高强度无磁钢

无磁钢做为一种功能材料，但也是一种结构材料，要求其具有高的强度，无磁钢的组织都是奥氏体组织，不可能依靠相变强化，所能依靠的强化手段有固溶强化，细晶强化和沉淀强化。

氮是强烈的奥氏体稳定化元素，不锈钢中加入氮会抑制钢中铁素体相的形成，显著降低铁素体的含量，使奥氏体相更加稳定，甚至在剧烈冷加工硬化条件下避免发生应力诱发马氏体转变，因此氮是非常合适的代镍元素。大量研究认为，氮可显著提高不锈钢的屈服强度和抗拉强度。高氮奥氏体不锈钢具有高的屈服强度和抗拉强度，其屈服强度和抗拉强度可达到传统AISI200（美国钢铁学会标准）和300系列不锈钢的2-4倍以上，且仍能保持较高的断裂韧性。

含氮钢，特别是高氮钢（HNS）已成为当今国际上的研究热点。所谓“高氮钢”是指材料中的实际氮含量超过了常压下制备材料所能达到极限值的钢“。一般根据氮在奥氏体不锈钢中的含量可将含氮奥氏体不锈钢分为控氮型（wN=0.05%~0.10%）、中氮型（wN=0.10%~0.40%）和高氮型（wN>0.40%）。

研究表明，随着氮含量增加，材料的强度也随之增加。如18Cr-18Mn-N是一种性能比较好的无磁不锈钢，无磁，高强，而且抗腐蚀，如Carpenter的15-15LC和Bleckmann的P550的屈服强度可以达到1000Mpa级别的无磁钢，用于石油和天然气的定向钻井设备。

发电机护环材料也要求具有较低的导磁性能，高氮无磁不锈钢也是目前较好的护环材料。护环是火电发电设备的大型关键零件之一。它装在转子绕组的两端，用来紧箍伸出的载流导体，防止其在高速旋转时产生位移。护环受力情况很复杂，不仅承受很大的离心力，而且还受过盈装配应力、不均负荷引起的附加应力、由转子传来的交变应力和由于结构上要求造成的集中应力。因此，为了保证发电机的安全运行，要求护环材料应具备足够高的强度和良好的塑性与韧性，并且在高强度的情况下有一定的屈强比，一般容量在300MW以上的大型机组护环其屈服强度都在1000Mpa以上。

图 2 发电机转子及护环

护环的尺寸决定于发电机组的尺寸、容量及设计要求，现代机组上使用的护环尺寸范围在500mm至2000mm（直径）之间，壁厚在40mm至120mm范围内，长度高达1250mm。

德国VSG公司是生产护环较早且较知名的公司，下面介绍一下其所用钢材的演变过程，通过这一演变，可以看出如何通过材料成分的变化来优化材料强度及耐蚀性能的。表3为VSG公司护环材料材质牌号及成分。1928年就已能批量生产出屈服强度达700MPa的护环。1978年，随着发电机组部件尺寸的增大，对材料屈服强度的要求不断提高，屈服强度的要求已超过1300MPa。

 表 3 VSG公司无磁性护环钢化学成分的变化过程

VSG公司首先综合使用了所有的护环成形方法，如：半热锻，固溶强化，最后冷成形。所用材料是奥氏体钢，成分为8%Mn、8%Ni、4%Cr，或9%Mn、6%Ni、4%Cr，后来18%Mn、5%Cr（UKR），甚至在今天，成千上万的用这种钢（UKR）制造的护环仍服役在世界各地。它的缺点是在水溶液与潮湿气体环境下，碳合金钢（0.55%C）对应力腐蚀裂纹较敏感（SCC）。因此在制造，运输，贮存和使用时要格外注意。

VSG和KRUPP公司在1975年成功地研制出P900（X8MnCrN1818）新材料。为了提高其基础性能，N元素提高至0.6%。N元素的溶解、沉淀增强奥氏体钢的稳定性，提高了基础性能，与Cr成分相互作用，得到了希望的抗腐蚀应力能力，因此，Cr含量也增加到18%，同时，有害成分C降到了0.1%以下。在100℃以下，对于通常服役条件，这种钢种完全可以避免应力腐蚀裂纹产生。

更苛刻的运行环境迫使科学家和工程师们去开发新的材料来满足新的要求。1996年初，一种新的材料——高氮奥氏体不锈钢P2000在实验室诞生。P2000高氮奥氏体不锈钢的化学成分为（%）：C0.08，Si<1.0，Mn13.0，P<0.025，S<0.010，Cr16.0，Mo3.0，N0.9。可见，化学成分有两个主要变化。添加了3%的钼来提高冷加工能力、抗腐蚀能力和高温持久性与矫磁力，而且N含量增加到0.9%，N的优点是在奥氏体晶格中起稳定作用，并且它还能提高抗腐蚀能力。

参考文献

1. 李长生, 马彪等，无磁钢的研究概况和我国无磁钢的发展思路，河南冶金，2014，22（1）

2. 周维志等. 奥氏体护环钢的发展历程, 大型铸锻件, 1999(4) 

3. O land 产品介绍