1 概述
奧氏體不鏽鋼是在使用條件下以奧氏體組織或以奧氏體組織為主的不鏽鋼。奧氏體不鏽鋼具有多種優越的性能，可用於各種不同的領域中，尤其是優異的低溫韌性使之作為低溫結構材料而被廣泛應用在超低溫工程中。目前，超低溫閥大多選用奧氏體不鏽鋼製造。
2 分析
2.1 工況條件
超低溫閥門是低溫工程中不可缺少的流體管路控制裝置。超低溫閥門的功能與普通閥門基本一致，也是用於接通或切斷管路介質、調節介質壓力和流量。目前，超低溫閥門有閘閥、截止閥、止回閥、球閥、蝶閥及節流閥等類型，主要用於氣體的液化、分離、輸送和貯存等設備上。使用溫度可達-270℃以下。
超低溫閥是在深冷的低溫範圍內工作的閥門。對其工作溫度的劃界，目前尚無統一的規定。例如俄羅斯（前蘇聯）把在-272～-153℃溫度範圍工作的閥門稱為超低溫閥門。日本液化石油氣管理法則把工作在低於-150℃的閥門稱為超低溫閥門。我國目前尚未規定超低溫閥門的溫度界限。在閥門行業，趨向以-100℃作為超低溫閥門的工作溫度上限，也就是把工作溫度低於-100℃的閥門定為超低溫度閥門。這是一種按閥門使用材料來進行分界的方法。即當工作溫度<100℃時，閥門的主體材料選用奧氏體不鏽鋼。
2.2 選材
超低溫閥門的工作介質不僅溫度低，而且大部分或有毒，或易燃易爆，而且滲透性強，因此決定了對閥門用材的諸多特殊要求。
（1）良好的耐低溫性
超低溫閥不僅要求在設定的溫度下能正常工作，同時也要保證在常溫下的工作性能。因此，所選材料既要滿足常溫力學性能，又要符合使用溫度下對力學性能的要求。尤其要求材料在超低溫下應具有足夠的韌性以防止低應力下的脆性斷裂。同時要求材料組織穩定，保證在使用過程中不會因相變而引起尺寸變化，最終導致閥門密封失效。
（2）與介質相容性
超低溫閥門用材應與工作介質相容，即對介質具有足夠的化學抵抗力，保證閥門在使用期限內，與介質相接觸材料的化學及物理性質不會發生顯著變化。同時，閥門用材還應符合低溫介質防爆性的相容條件。
（3）低的熱導率
由於超低溫閥的工作溫度很低，為降低傳熱，控制熱漏，閥門除採用特殊結構（設置絕熱裝置）外，還應選用熱導率相對低的材料，以減少熱損失。
（4）良好的焊接性能
鍛焊結構的閥體材料或對焊連接的閥門主體材料，應考慮材料的焊接性能和在使用溫度下焊縫的可靠性。需熔敷特殊合金（如Co-Cr-W硬質合金）的密封面時，還應考慮材料本身堆焊（噴焊）的可行性。
經過分析，具有面心立方晶格的銅、鋁合金和奧氏體不鏽鋼等材料，因沒有低溫脆性現象，故可作為超低溫閥門用材。雖然銅、鋁合金各有一定的優點，但因強度低，一般只用於低壓及小口徑閥門。而9%鎳鋼雖然可用於-196℃工況中，但由於工藝複雜，一般很少選用。只有奧氏體不鏽鋼適宜作為各種規格、不同壓力等級的超低溫閥門用材。
3 奧氏體不鏽鋼
3.1 種類
奧氏體不鏽鋼的種類繁多，但在超低溫閥門製造中，廣泛應用的是Cr-Ni奧氏體不鏽鋼，即美國標準中的300系列不鏽鋼（表1）。其中，F304、F304L、F316和F316L是超低溫閥中用量較多的幾種牌號。這四種牌號鋼都屬於亞穩型不鏽鋼，在超低溫下會發生馬氏體轉變（即相變），如果需要得到穩定的奧氏體組織，可選用F310奧氏體不鏽鋼。
表1中所列各種牌號的不鏽鋼可用於超低溫下-254℃或更低。在國外的一些標準或規範中，對奧氏體不鏽鋼的使用溫度範圍有明確的規定。例如日本高壓氣體法規定，SUS304L和SUS316L（相當於F304L和F316L）允許使用到-269℃，而SUS304和SUS316（相當於F304和F316）只允許使用到-254℃，這可能是因為SUS304和SUS316在焊接過程中，其熱影響區容易產生晶界碳化物，可造成低溫劣化而導致衝擊韌性下降的原因。
3.2 性能
隨著溫度的下降，奧氏體不鏽鋼的強度顯著提高（表2）。從強度觀點看，這意味著在常溫下有足夠強度的閥門在超低溫下也必然是安全的。強度的提高，對韌性的影響較小，只是稍有下降。這就是奧氏體不鏽鋼能成為超低溫閥門用材的主要原因。
奧氏體不鏽鋼的組織為面心立方結構，低溫下沒有脆性轉變現象。除非存在第二相或處於導致應力腐蝕斷裂的環境下，否則不會發生脆性斷裂，韌性也不會隨溫度下降而突然下降。其主要原因是當溫度降低時，面心立方金屬的屈服強度沒有顯著變化，而且不易產生形變孿晶，位錯容易移動，局部應力易於鬆弛，裂紋不易傳播，一般沒有從延性到脆性的轉折（溫度）。所以在超低溫下，仍能保持較高的衝擊韌性（表3），而且遠遠超過27J（該值為歐盟97/23/EC《承壓設備指令》所規定的低溫用鋼所必須的最小平均衝擊功），可完全滿足超低溫閥門的使用要求。
3.3 鑄件
在超低溫閥門製造中，經常採用奧氏體不鏽鋼鑄件作為閥門的主體材料。鑄件易於成型，對以鍛造方法難以成型的零件，採用鑄造方法則很容易獲得。目前，國際上通用的是美國ASTMA351CF類不鏽鋼鑄件。
由於鑄件可能存在著合金偏析和樹枝晶組織等缺陷，加之CF類不鏽鋼鑄件都含有一定數量的鐵素體，因此其低溫韌性必然受到影響。一般情況下，CF類不鏽鋼鑄件的低溫衝擊值要低於同種牌號的變形合金。與美國ASMEB16.3《工藝管路》所規定的CF類不鏽鋼鑄件的應用溫度範圍不同，日本JIS8243《壓力容器的結構》和高壓氣體管理法都將奧氏體不鏽鋼鑄件的最低使用溫度限制在-196℃（表4）。
3.4 Cr-Mn-N系不鏽鋼
Cr-Mn-N系不鏽鋼是一種節鎳型的奧氏體不鏽鋼，如03Cr13Ni5NMn19（可用於-253℃）、07Cr21Mn7Ni5N（可用於-269℃）等。與Cr-Ni奧氏體不鏽鋼不同，Cr-Mn-N不鏽鋼在低溫下有韌性-脆性轉變現象。這是由於鋼中含有Mn，在低溫時形成大量層錯，阻礙位錯相交而造成的。通常超低溫閥門用材很少採用Cr-Mn-N系不鏽鋼。
4 工藝處理
4.1 固溶處理
固溶處理是奧氏體不鏽鋼的基本熱處理方法，是防止晶間腐蝕的重要手段。而作為超低溫閥門使用的奧氏體不鏽鋼，固溶處理的目的是為了使碳化物充分溶解，提高其抗脆性能力，從而可以在更低的溫度下安全使用。對於含Ti、Nb的穩定化奧氏體不鏽鋼，固溶處理主要是為得到較均勻的成分和組織，保證其良好的韌性和塑性。對於鑄件，固溶處理可使其在凝固過程中所產生的偏析得以改善，使組織接近均勻。
此外，奧氏體不鏽鋼在焊接時，其熱影響區由於碳化物析出及鐵素體生成，會明顯降低材料的低溫韌性。因此，焊后亦應進行固溶處理，以恢復其低溫韌性。
4.2 深冷處理
大部分Cr-Ni奧氏體不鏽鋼在常溫下處於亞穩定狀態，而在超低溫範圍內會因晶格畸變而發生馬氏體轉變。馬氏體開始轉變時的溫度即為馬氏體轉變點（亦稱相變點），用符號Ms來表示。Ms點的溫度主要取決於固溶在奧氏體內合金元素的量。當奧氏體不鏽鋼的工作溫度等於或低於其馬氏體轉變點Ms時，就會發生馬氏體轉變。因馬氏體的比容比奧氏體的大，由此而引起的體積膨脹和組織應力會使零件尺寸發生變化，最終導致閥門泄漏。為防止材料在使用過程中發生馬氏體轉變，需對其進行深冷處理。
深冷處理是將奧氏體不鏽鋼材料浸在冷卻劑中進行冷卻、保冷，使之發生馬氏體轉變的一種工藝保證在使用中的組織穩定性。深冷處理一般在零件的精加工之前進行。深冷處理的溫度應以材料的Ms點為依據。材料不同，Ms點各異。即使是同一牌號的材料，由於批次（或爐號）的不同，其Ms點也各不相同，而且差別很大。有的在超低溫範圍的上限附近即可產生馬氏體轉變。
馬氏體的轉變數隨溫度的降低而增加，為確保工件在使用過程中的組織穩定性，深冷處理所用介質的溫度需等於或低於閥門工作溫度。深冷處理的冷卻介質多採用液氮或液氦等溶液。可根據閥門使用溫度來確定。浸在深冷介質中的零件達到介質溫度（介質表面所冒氣泡完全消失）時，即可計算保冷時間。根據實踐經驗，保冷1∼2h即能達到處理目的。時間過長，對馬氏體的轉變無明顯影響。保冷結束即可將零件取出在空氣中放冷至常溫。
經過一次深冷處理后，奧氏體不鏽鋼的馬氏體轉變基本完成，一般情況下可以滿足使用要求。對於密封性要求較嚴或靠介質壓力密封的超低溫止回閥，可增加深冷處理的次數。
5 結語
奧氏體不鏽鋼是理想的超低溫閥門用鋼，尤其是在-196℃以下，奧氏體不鏽鋼幾乎是唯一可以選用的超低溫閥門用鋼。為避免在使用過程中發生馬氏體轉變，建議在設計時選擇奧氏體組織更加穩定的不鏽鋼。對於亞穩型不鏽鋼，應採用深冷處理使其預先完成馬氏體轉變，以達到使用中的組織穩定。
