※雙相不銹鋼(Duplex stainless steel)※
雙相不銹鋼是一種鐵素體相和奧氏體相共存的不銹鋼，同時也是集優(yōu)良的耐蝕性能、高強度和易于加工制造等諸多優(yōu)異性能于一身的鋼種。
雙相不銹鋼已經(jīng)有60多年的歷史，世界上第一批雙相不銹鋼于1930年在瑞典生產(chǎn)出來并用于亞硫酸鹽造紙工業(yè)。
1968年不銹鋼精煉工藝——氬氧脫碳工藝(AOD)的發(fā)明，使一系列新的不銹鋼的產(chǎn)生成為可能。AOD工藝帶來的諸多進步之一就是合金元素N的添加。雙相不銹鋼添加N元素可以使焊接狀態(tài)下熱影響區(qū)的韌性和耐蝕性能接近于基體金屬的性能，還可以降低有害金屬間相的形成速率。
雙相不銹鋼同奧氏體不銹鋼一樣，是一種按腐蝕性能排序的鋼種，腐蝕性能取決于它們的合金成分。雙相不銹鋼一直在不斷發(fā)展，現(xiàn)代的雙相不銹鋼可以分為四種類型：
1、不含Mo的低級雙相不銹鋼2304；
2、標準雙相不銹鋼2205，占雙相鋼總量的80%以上；
3、25%Cr的雙相不銹鋼，典型代表合金255，可歸為超級雙相不銹鋼；
4、超級雙相不銹鋼，含25-26%Cr,與255合金相比Mo和N的含量增加。典型代表鋼種2507。
雙相不銹鋼中的合金元素主要是Cr、Mo、N、Ni，它們在雙相鋼中的作用如下：
1、Cr
鋼中最少含有10.5%的Cr才能形成保護鋼不受大氣腐蝕的穩(wěn)定的鈍化膜。不銹鋼的耐蝕性能隨Cr的含量提高而增強。Cr是鐵素體元素，它可以使具有體心立方晶格的鐵組織穩(wěn)定，也可以提高鋼在高溫下的抗氧化能力。
2、Mo
Mo與Cr協(xié)同作用能提高不銹鋼的抗氯化物腐蝕的能力。Mo在氯化物環(huán)境下的抗點蝕和縫隙腐蝕的能力是Cr的3倍(參見CPT公式)。Mo是鐵素體形成元素，同樣能促進形成金屬間相。因此，通常奧氏體不銹鋼中Mo含量小于7.5%，雙相鋼中小于4%。
3、N
N元素可增加奧氏體和雙相不銹鋼的抗點蝕和縫隙腐蝕的能力，并可以顯著地提高鋼的強度，它是固溶強化最有效的一個元素。在提高鋼強度的同時，N元素還可以增加奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼的韌性，延緩金屬間相的形成，使雙相不銹鋼有足夠的時間進行加工和制造，還可以抵消因高Cr、Mo所帶來的易于形成σ相的傾向，
N是強烈的奧氏體元素，在奧氏體不銹鋼中能部分取代Ni。雙相不銹鋼中一般加入幾乎接近溶解度極限的N和用以調(diào)整達到相平衡的Ni。鐵素體元素Cr和Ni與奧氏體形成元素Ni和N需要達到平衡，才能獲得期望的雙相組織。
4、Ni
Ni是穩(wěn)定奧氏體組織的元素。鐵基合金中添加Ni可促使不銹鋼從體心立方晶體結(jié)構(gòu)(鐵素體)轉(zhuǎn)化為面心立方晶體結(jié)構(gòu)(奧氏體)。
Ni可以延緩金屬間相的形成，但效果遠不如N有效。
下面介紹兩種雙相不銹鋼，幫助了解其性能。
1：2205標準雙相不銹鋼（00Cr22Ni5Mo3N）
一、引言
2205是一種加N雙相不銹鋼。N的加入明顯地改善了2205的耐腐蝕性能，尤其是焊接的情況。早期的雙相不銹鋼可以耐中等強度的均勻腐蝕和氯應(yīng)力腐蝕斷裂，但是在焊接情況下使用時，其性能就會大大下降。為了改善這種情況，N元素就加入了2205雙相不銹鋼，這樣不僅使耐腐蝕性能上升，而且焊接使用情況也很良好。ASTM標準對2205雙相鋼的含N量要求是0.08-0.2%，Cr、Mo、Ni的含量也有要求，所以2205雙相鋼的點蝕當量PREN值達到了35.8，進一步提高了耐蝕性能。
當有恰當?shù)臒崽幚頃r，2205中22%的Cr和3.5%的Ni、3%的Mo、0.16%的N就會產(chǎn)生包括奧氏體相和鐵素體相平衡的顯微組織結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)和化學成分讓2205不銹鋼有比316和317不銹鋼更好和更廣泛的耐蝕性能，同時還有比普通奧氏體不銹鋼兩倍還高的屈服強度。
2205是使用最廣泛的雙相不銹鋼材料，在出廠前的所有2205不銹鋼都要金相檢驗，以防止加工過程中產(chǎn)生σ相。2205最常見的應(yīng)用形式是焊管和管件，在有較強的均勻腐蝕和應(yīng)力腐蝕的情況下，板材應(yīng)用也很廣泛。
二、化學成分和產(chǎn)品標準
2205雙相鋼的化學成分如下表所示。
化學成分
|
元素 |
典型成分 |
ASTM標準 |
|
C |
0.02 |
0.030max |
|
Mn |
0.07 |
2.0 max |
|
P |
0.025 |
0.030 max |
|
S |
0.001 |
0.020 max |
|
Si |
0.40 |
1.0 max |
|
Cr |
22.4 |
21.0-23.0 |
|
Ni |
5.8 |
4.5-6.5 |
|
Mo |
3.3 |
2.5-3.5 |
|
N |
0.16 |
0.08-0.20 |
|
Fe |
余量 |
余量 |
2205材料的ASTM和ASME標準如下表所示
|
產(chǎn)品形式 |
ASTM標準 |
ASME標準 |
|
棒 |
A276 |
-- |
|
A479 |
|
板、帶 |
A240 |
SA240 |
|
管(焊管和無縫管) |
A790 |
SA790 |
|
管件(焊接管件和無縫管件) |
A789 |
SA789 |
三、耐蝕性能
1、氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂
不含鎳的鐵素體鋼對氯化物的應(yīng)力腐蝕斷裂有天生的免疫力，即使在苛刻的42%的MgCl2溶液中也是如此，從另一方面來說，含鎳的奧氏體不銹鋼則很容易受到氯離子應(yīng)力腐蝕斷裂的影響。奧氏體和鐵素體不銹鋼對氯離子的應(yīng)力腐蝕斷裂的抵抗取決于合金中鎳的含量。
從某種意義上說，雙相合金是奧氏體相和鐵素體相的合成，但在雙相合金中的成分都會傾向于某一相。例如，鐵素體相中的Ni要比奧氏體相中的Ni含量少的多，因此，雙相合金對氯離子的應(yīng)力腐蝕斷裂的抵抗性要比傳統(tǒng)300系列不銹鋼好的多。
下表是是304和2205在幾種沸騰溶液中的腐蝕性能試驗結(jié)果。
|
|
應(yīng)力腐蝕斷裂試驗情況 |
|
合金 |
沸騰42%MgCl2 |
沸騰33%LiCl |
沸騰26%NaCl |
|
304L(8%Ni) |
失敗(20h) |
失敗(96h) |
失敗(850h) |
|
439(鐵素體型) |
通過(2000h) |
通過(2000h) |
通過(1000h) |
|
2205 |
失敗(89h) |
通過(1000h) |
通過(1000h) |
|
2205(焊接) |
失敗(89h) |
通過(1000h) |
通過(1000h) |
2、點蝕和縫隙腐蝕
對氯離子的點蝕和縫隙腐蝕的評定可以使用ASTM標準G-48試驗方法(10%FeCl3-6H2O)，并且逐漸提高溫度直到發(fā)現(xiàn)縫隙腐蝕發(fā)生為止。則首先發(fā)現(xiàn)縫隙腐蝕發(fā)生的溫度稱為臨界縫隙腐蝕溫度，可以用來衡量材料耐縫隙腐蝕的能力，但在氯化溶液中不必要標明合金的限制使用溫度。
下表是退火2205鋼板材和316L、317L等合金的縫隙腐蝕溫度試驗對比情況。
10%FeCl3溶液中的縫隙腐蝕數(shù)據(jù)
|
合金 |
縫隙腐蝕發(fā)生溫度(℃) |
|
典型316 |
-3 |
|
典型317 |
2 |
|
2205 |
20 |
|
E-BRITE26-1 |
24 |
|
AL-6XN |
45 |
|
Inconel625 |
45 |
|
AL 29-4C |
52 |
3、均勻腐蝕
2205對稀的還原性酸和高濃度的氧化性酸有抵抗性，對低濃度的有機酸也有抵抗性，但在高溫高濃度下要小心使用。下表是316和2205普通狀態(tài)和焊接狀態(tài)的腐蝕試驗對比情況。
腐蝕對比試驗數(shù)據(jù)
|
試驗溶液(沸騰) |
腐蝕率(mm/a) |
|
典型316L |
2205 |
|
基材 |
焊接材料 |
基材 |
焊接材料 |
|
20%醋酸 |
＜0.01 |
＜0.01 |
＜0.01 |
＜0.01 |
|
45蟻酸 |
0.60 |
0.53 |
0.01 |
0.01 |
|
1%鹽酸 |
0.02 |
1.61 |
0.02 |
0.02 |
|
65%硝酸 |
0.56 |
0.46 |
0.52 |
0.49 |
|
10%草酸 |
1.22 |
1.13 |
0.20 |
0.13 |
|
20%磷酸 |
0.02 |
0.03 |
0.02 |
0.03 |
|
10%硫酸氫鈉 |
1.82 |
1.43 |
0.65 |
0.51 |
|
50%氫氧化鈉 |
1.97 |
2.17 |
0.61 |
0.57 |
|
10%氨基磺酸 |
3.15 |
3.03 |
0.56 |
0.44 |
|
10%硫酸 |
16.1 |
16.7 |
5.23 |
5.08 |
|
硫酸鐵+50%硫酸(A262B) |
0.66 |
0.59 |
0.51 |
0.45 |
4、2205焊接狀態(tài)抗晶間腐蝕試驗可以按ASTM A262E執(zhí)行(16%H2SO4+CuSO4溶液)
四、物理性能
密度：7.88g/cm3
比熱：420J/kg-k
熱傳導系數(shù)：(20-100℃)
19w/m-k
熱膨脹系數(shù)：(20-100℃)
13.7×10 -6
/℃
平均彈性模量：190 Gpa
五、力學性能
典型室溫下的力學性能如下表所示。
室溫力學性能
|
項目 |
ASTM和ASME
最小性能值 |
板系列 ＞4.76mm |
板系列 ＜4.76mm |
|
0.2%屈服強度 |
450MPa |
515 Mpa |
585 MPa |
|
抗拉強度 |
625 MPa |
760 MPa |
860 MPa |
|
延伸率δ5(%) |
25 |
35 |
30 |
|
硬度 |
32Rc/290HB(max) |
235HB |
27 Rc |
高溫下的拉力性能
2205雙相鋼在ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范中被允許使用在316℃以下溫度。其強度可以通過ASME鍋爐與壓力容器標準中的許用應(yīng)力來表示。下表是典型316和2205的許用應(yīng)力對比情況。焊接管件的焊縫系數(shù)取0.85。
如此大的許用應(yīng)力可以和有很利地使用在過程裝備設(shè)計中。
****許用應(yīng)力(依據(jù)ASME規(guī)范)
|
溫度(℃) |
2205（MPa） |
典型316（MPa） |
|
38 |
155 |
130 |
|
93 |
155 |
112 |
|
149 |
150 |
101 |
|
204 |
144 |
92 |
|
260 |
141 |
86 |
|
316 |
139 |
81 |
ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section II, Part D, Table 1A.
沖擊性能
2205雙相鋼可以從高溫塑性破壞向低溫脆性斷裂轉(zhuǎn)變，此塑性-脆性的轉(zhuǎn)變溫度可以通過在343-538°C長時間的保溫來充分地提高。不恰當?shù)暮附庸に�，例如使用純粹的Cr不銹鋼填料，可以提高焊縫向沖擊脆性轉(zhuǎn)變的敏感性。
高溫對力學性能的影響
ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范中明確規(guī)定2205雙相鋼的使用溫度上限是316℃，因為雙相鋼有一個“475℃脆化”的問題，主要是由于鐵素體相在343-538℃之間加熱時會出現(xiàn)脆化現(xiàn)象。但這種脆化是可逆的，只要通過在593℃以上加熱就可以還原。然而，另外一個脆化溫度區(qū)間是538-1000℃，因為有有害于沖擊性和腐蝕性的中間相析出。整體退火和快速冷卻處理可以消除脆性相，同時也是消除成形應(yīng)力和“475℃脆化”****方案。
六、成形和熱處理
2205可以很成功地冷彎和拉伸。相對于普通奧氏體不銹鋼來說，2205有很高的強度，對成形設(shè)備要求有很高的要求。雙相鋼中鐵素體相的延伸率比奧氏體相要小，所以2205在彎曲時其彎曲半徑要比奧氏體不銹鋼大。
此外，2205管材和管板脹接時，由于其彈性延伸率較低，所以其脹接程度要受到限制。2205相對于很多管板材料來說其強度是很高的，因此，2205管材和其它材料的管板脹接時要十分小心。
重度彎曲變形后要整體退火(不只是消應(yīng)力退火)，以防止在使用環(huán)境中應(yīng)力腐蝕開裂，消應(yīng)力熱處理的溫度一般在316-927℃之間，至于對材料性能的影響不作考慮。
七、熱處理
2205的退火溫度一般在1020-1100℃并快速冷卻，在1100℃附近熱處理時，會讓鐵素體相含量大大增加。
八、焊接
2205雙相鋼中的鐵素體相和奧氏體相含量基本相同，氧炔焊會讓基材的焊縫和熱影響區(qū)的鐵素體含量上升，并行的退火處理可以恢復(fù)兩相的平衡。然而退火處理后焊縫的鐵素體含量還是要稍高一點。焊縫中的鐵素體含量不可以過高。
匹配的填料金屬對2205的焊接來說是有經(jīng)濟性的，象AWS 2209這樣的填料金屬有比基材金屬更高的含Ni量，主要是為了使焊區(qū)域產(chǎn)生相平衡，讓焊縫區(qū)域和基材金屬有用樣的化學成分。當2205和異種鋼焊接時，填料金屬中要含有一些奧氏體形成元素，以便可以形成一條奧氏體焊縫。焊縫區(qū)域如含有大量鐵素體晶粒，就會讓材料的室溫沖擊韌性大大降低。
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