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            不銹鋼知識

            雙相不銹鋼特性、優勢和發展歷史

            摘要:雙相不銹鋼因為其金相顯微組織由鐵素體、奧氏體兩種不銹鋼晶粒組成,所以被稱為 “雙相”。雙相結構使得這類不銹鋼集許多優異特性于一身:高強度、良好的韌性和延展性、優異的

            雙相不銹鋼的應用日益廣泛,為了幫助用戶更好地認識、選擇、加工和應用這類不銹鋼,本文將介紹雙相不銹鋼特性,并圍繞雙相不銹鋼應用難點之一(加工和焊接),給出加工和焊接雙相不銹鋼的基本原則和實用信息。

            內容包括:雙相不銹鋼的歷史、化學成分、冶金學、耐腐蝕性能、力學性能、物理性能、技術條件、質量控制、切割、成形、焊接、應用等,力順不銹鋼知識版塊將逐條闡述。

            雙相不銹鋼特性概述

            雙相不銹鋼因為其金相顯微組織由鐵素體、奧氏體兩種不銹鋼晶粒組成,所以被稱為 “雙相”。下圖中,黃顏色的奧氏體相仿佛 “島嶼” 被藍色的鐵素體相海洋所包圍。當雙相不銹鋼熔化后,它從液態凝固時首先凝固成完全的鐵素體結構,隨著材料冷卻到室溫,大約有一半的鐵素體晶粒轉變為奧氏體晶粒(“島嶼”)。其結果是,顯微組織中大約50%為奧氏體相,50%為鐵素體相。

            雙相不銹鋼金相顯微組織

            雙相不銹鋼具有奧氏體和鐵素體兩相顯微組織

            雙相結構使得這類不銹鋼集許多優異特性于一身

            高強度

            雙相不銹鋼的強度大約是常規奧氏體不銹鋼或鐵素體不銹鋼強度的2倍。因此設計師在某些應用中就可減薄壁厚。下圖比較了室溫到300℃的溫度區間幾種雙相不銹鋼與316L奧氏體不銹鋼的屈服強度。
             

            雙相不銹鋼屈服強度

            良好的韌性和延展性

            盡管雙相不銹鋼強度高,但它們表現出良好的塑性和韌性。雙相不銹鋼的韌性和延展性明顯優于鐵素體不銹鋼和碳鋼,即使在很低的溫度如-40℃/F下仍保持良好的韌性。但還達不到奧氏體不銹鋼的優異程度。

            ASTM 和EN標準規定的雙相不銹鋼最低力學性能限值

            ASTM 和EN標準規定的雙相不銹鋼最低力學性能限值

            優異的耐腐蝕性

            不銹鋼的耐腐蝕性主要取決于其化學成分。在大多數應用環境中,雙相不銹鋼都顯示出較高的耐蝕性能,這是由于它們鉻含量高,在氧化性酸中很有利,并且含有足夠量的鉬和鎳,能耐中等還原性酸介質的腐蝕。

            對于耐氯離子點蝕和縫隙腐蝕的能力而言,不銹鋼的鉻、鉬和氮含量是最重要的。雙相不銹鋼相對較高的鉻、鉬和氮含量使它們具有很好的耐氯化物點蝕和縫隙腐蝕性能。雙相不銹鋼有一系列不同的耐腐蝕性能,既有相當于316不銹鋼耐蝕性的牌號,如經濟型雙相不銹鋼2101©,也有相當于6%鉬不銹鋼耐蝕性的牌號,如SAF 2507©。

            雙相不銹鋼具有非常好的耐應力腐蝕開裂(SCC)性能,這個特性是從鐵素體這一方“繼承”來的。所有雙相不銹鋼耐氯化物應力腐蝕開裂的能力均明顯優于300系奧氏體不銹鋼。而標準的奧氏體不銹鋼牌號如304和316,在有氯離子、潮濕空氣和溫度升高的條件下,可能會發生應力腐蝕開裂。因此,在有較大應力腐蝕風險的化工行業許多應用,常常采用雙相不銹鋼來代替奧氏體不銹鋼的使用。

            物理性能

            介于奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼之間,但更接近于鐵素體不銹鋼和碳鋼。

            成本優勢

            與具有相同耐腐蝕性的奧氏體不銹鋼牌號相比,雙相不銹鋼中鎳、鉬含量較低。因為合金元素含量低,雙相不銹鋼在價格上可能有優勢,尤其是在合金附加費較高時。此外,由于雙相不銹鋼較高的屈服強度,其斷面尺寸常??蓽p薄。與采用奧氏體不銹鋼的方案相比,采用雙相不銹鋼可顯著地降低成本,減輕重量。

            瑞典斯德哥爾摩的雙相不銹鋼橋 ?Outokumpu

            瑞典斯德哥爾摩的雙相不銹鋼橋 ©Outokumpu

            雙相不銹鋼的發展歷史

            雙相不銹鋼已有80多年的歷史。早期的牌號是鉻、鎳和鉬的合金。1930年在瑞典生產出第一批鍛軋雙相不銹鋼并用于亞硫酸鹽造紙工業,開發這些牌號是為了減少早期高碳奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕問題。1930年芬蘭生產出雙相不銹鋼鑄件。1936年Uranus 50 的前身在法國獲得專利。二戰后,AISI 329型不銹鋼成為公認的鋼種并廣泛用于硝酸裝置的熱交換器管道。3RE60是第一代專為提高耐氯化物應力腐蝕斷裂(SCC)性能而研制的雙相不銹鋼牌號之一。后來,鍛軋和鑄造雙相不銹鋼牌號均用于各種加工工業的應用,包括容器、熱交換器和泵。

            第一代雙相不銹鋼有良好的性能表現,但在焊接狀態下有局限性。焊縫的熱影響區(HAZ)由于鐵素體過多而韌性低,并且耐腐蝕性能明顯低于母材。這些局限性使第一代雙相不銹鋼的應用,僅限于非焊接狀態下的一些特定應用。1968年不銹鋼精煉工藝,即氬氧脫碳(AOD)的發明,使一系列新不銹鋼鋼種的產生成為可能。AOD所帶來的諸多進步之一便是合金元素氮的刻意添加。雙相不銹鋼添加氮可以使焊接狀態下HAZ的韌性和耐蝕性接近于母材的性能。隨著奧氏體穩定性的提高,氮還降低了有害金屬間相的形成速率。

            含氮的雙相不銹鋼被稱為第二代雙相不銹鋼。這一新的商品化進展始于70年代后期,正好與北海海上油氣田的開發及市場對具有優異耐氯離子腐蝕性能、良好的制造加工性和高強度的不銹鋼需求相吻合。2205成為第二代雙相不銹鋼的主要牌號并廣泛用于海上石油平臺集氣管線和處理設施。由于這種鋼的強度高,因此壁厚可減薄,可以減輕平臺的重量,使這種不銹鋼的應用有很大的吸引力。

            連續蒸煮器浸漬塔

            雙相不銹鋼可按照耐腐蝕性能排序,耐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展,現代雙相不銹鋼可分為5類:

            1. 不添加鉬的經濟型雙相不銹鋼如2304;

            2. 標準雙相不銹鋼如2205,是主要的鋼種,占雙相不銹鋼用量的80%以上;

            3. 25Cr雙相不銹鋼如合金255,PREN*(耐點蝕當量數)值小于40; 

            4. 超級雙相不銹鋼(PREN值40~45), 含25%~26%Cr,與含25%Cr雙相不銹鋼如2507相比,鉬和氮的含量增加;

            5. 特超級雙相不銹鋼,PREN值超過45的高合金化雙相不銹鋼

            * PREN = %Cr+3.3(%Mo+0.5%W) +16%N

            表1 給出了鍛軋雙相不銹鋼和鑄造雙相不銹鋼的化學成分,為便于比較,第一代雙相不銹鋼和常用奧氏體不銹鋼也包括在其中。

            表1 鍛軋和鑄造雙相不銹鋼的化學成分*(重量%)

            表1  鍛軋和鑄造雙相不銹鋼的化學成分*(重量%)
             

            奧氏體雙相不銹鋼化學成分

            * 最大值,除非指明范圍或說明是最小值。- 標準中未指明。

            ** 這一種鋼最初沒有添加氮,被認為是未加氮的第一代雙相不銹鋼。(來源:國際鉬協會

            國際鉬協會:是一個以科學為宗旨的非贏利性行業協會,成立于1989年。目前,其會員代表著全球85%以上的鉬礦山產量和幾乎全部的冶煉能力。國際鉬協會具有前瞻性的市場開發項目,旨在提高人們對鉬的認知,促進鉬及含鉬材料的應用。通過舉辦專題講座和培訓,提供技術咨詢、出版技術手冊、案例研究、行業簡報和統計數據以及網站和微信公眾號等途徑,向制造商、工程師、設計師、材料決策者和廣大公眾介紹含鉬材料的特性及適用性,宣傳鉬對于可持續發展的積極作用。我們資助科研項目,發現和開發新的應用領域或擴大現有的終端應用。我們還協調業內各方應對法規并利用嚴謹的科學依據促進法規的合理化。

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            關鍵詞:雙相不銹鋼,2205

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