双相不锈钢化學(xué)成分(fēn)及合金元素的作用(yòng)

摘要：<p class="MsoNormal"> 双相不锈钢化學(xué)成分(fēn)及合金元素的作用(yòng) </p> <p class="MsoNormal"> 双相不锈钢的化學(xué)成分(fēn) </p> <p class="MsoNormal"> 一般认為(wèi)，双相不锈钢中铁素體(tǐ)相与奥氏體(tǐ)相的比例為(wèi)<span lang="EN-US">30</span>％～<span lang="EN-US">70%</span>时，可(kě)以获得良好的性能(néng)。但双相不锈钢常常被认為(wèi)是铁素體(tǐ)和奥氏體(tǐ)大致各占一半，在目前的商(shāng)品化生产中，為(wèi)了获得佳的韧性和加工特性，倾向于奥氏體(tǐ)的比例稍大一些。主要的合金元素尤其是铬、钼、氮和镍之间的相互作用(yòng)是非常复杂的。為(wèi)了获得稳定的有(yǒu)利于加工和制造的双相组织，必须注意使每种元素有(yǒu)适当的含量。 </p> <p class="MsoNormal"> 除了相平衡以外，有(yǒu)关双相不锈钢及其化學(xué)组成的**个主要问题是温度升高时有(yǒu)害金属间相的形成。<span lang="EN-US">σ</span>相和<span lang="EN-US">χ</span>相在高铬、高钼不锈钢中形成，并优先在铁素體(tǐ)相内析出。氮的添加大大延迟了这些相的形成。因此在固溶體(tǐ)中保持足够量的氮非常重要。随着双相不锈钢制造经验的增加，人们越来越认识到控制较窄的成分(fēn)范围的重要性。<span lang="EN-US">2205</span>双相不锈钢初设定的成分(fēn)范围过宽，经验表明，為(wèi)了得到佳的耐腐蚀性能(néng)及避免金属间相的形成，<span lang="EN-US">S31803</span>的铬、钼和氮含量应保持在含量范围的中上限，由此引出了成分(fēn)范围较窄的改进型<span lang="EN-US">2205</span>双相钢<span lang="EN-US">UNS S32205</span>。<span lang="EN-US">S32205</span>的成分(fēn)就是今天商(shāng)品化的<span lang="EN-US">2205</span>双相不锈钢的典型成分(fēn)。在本文(wén)中，除非另有(yǒu)说明，通常<span lang="EN-US">2205</span>指的就是<span lang="EN-US">S32205</span>。 </p> <p class="MsoNormal"> 合金元素的作用(yòng) </p> <p class="MsoNormal"> 以下简单介绍几个重要的合金元素对双相不锈钢的力學(xué)性能(néng)、物(wù)理(lǐ)性能(néng)和腐蚀特性的影响。 </p> <p class="MsoNormal"> 铬： </p> <p class="MsoNormal"> 钢中铬含量必须不低于<span lang="EN-US">10.5</span>％才能(néng)形成稳定的含铬钝化膜，保护钢不受大气腐蚀。不锈钢的耐腐蚀性能(néng)随铬含量的增加而增加。铬是铁素體(tǐ)形成元素，钢中加铬可(kě)促使體(tǐ)心立方结构的铁素體(tǐ)形成。钢中铬含量较高时，需要加入更多(duō)的镍才能(néng)形成奥氏體(tǐ)或双相（铁素體(tǐ)－奥體(tǐ)）组织。较高的铬量也会促进金属间相的形成。奥氏體(tǐ)不锈钢铬含量至少為(wèi)<span lang="EN-US">16</span>％，双相不锈钢铬含量至少為(wèi)<span lang="EN-US">20</span>％。铬还能(néng)增加钢在高温下的抗氧化能(néng)力，铬的这一作用(yòng)很(hěn)重要，它影响热处理(lǐ)或焊接后氧化皮或回火色的形成和去除。双相不锈钢的酸洗和去除回火色要比奥氏體(tǐ)不锈钢困难。 </p> <p class="MsoNormal"> 钼： </p> <p class="MsoNormal"> 钼能(néng)提高不锈钢耐点蚀和缝隙腐蚀的能(néng)力。当不锈钢中铬含量至少為(wèi)<span lang="EN-US">18</span>％时，钼对改善耐氯化物(wù)点蚀和缝隙腐蚀能(néng)力的有(yǒu)效作用(yòng)是铬的三倍。钼是铁素體(tǐ)形成元素，同时也增大了不锈钢形成金属间相的倾向。因此，奥氏體(tǐ)不锈钢的钼含量通常小(xiǎo)于约<span lang="EN-US">7</span>％，双相不锈钢的钼含量小(xiǎo)于<span lang="EN-US">4</span>％。 </p> <p class="MsoNormal"> 氮： </p> <p class="MsoNormal"> 氮提高奥氏體(tǐ)和双相不锈钢的耐点蚀和缝隙腐蚀的能(néng)力，它还能(néng)显著地提高钢的强度。事实上它是有(yǒu)效的固溶强化元素。它是低成本合金元素和强奥氏體(tǐ)形成元素，能(néng)够代替部分(fēn)镍，起到稳定奥氏體(tǐ)的作用(yòng)。含氮双相不锈钢韧性的改善得益于其较高的奥氏體(tǐ)含量和较少的金属间相。氮并不能(néng)阻止金属间相的析出，但可(kě)推迟金属间相的形成，这样便留出足够的时间进行双相不锈钢的加工和制造。氮被添加到铬和钼含量高的高耐蚀性奥氏體(tǐ)和双相不锈钢中，以抵消它们形成<span lang="EN-US">σ</span>相的倾向。 </p> <p class="MsoNormal"> 氮通过固溶强化提高了奥氏體(tǐ)的强度，也提高了其加工硬化率。双相不锈钢一般都添加氮并调整镍含量以获得理(lǐ)想的相平衡。铁素體(tǐ)形成元素铬和钼与奥氏體(tǐ)形成元素镍和氮相互平衡才能(néng)获得双相组织。 </p> <p class="MsoNormal"> 镍： </p> <p class="MsoNormal"> 镍是稳定奥氏體(tǐ)的元素，促使不锈钢的晶體(tǐ)结构从體(tǐ)心立方结构（铁素體(tǐ)）转化為(wèi)面心立方结构（奥氏體(tǐ)）。铁素體(tǐ)不锈钢含极少的镍或不含镍，双相不锈钢含镍量為(wèi)低至中等，如<span lang="EN-US">1.5%</span>～<span lang="EN-US">7</span>％，<span lang="EN-US">300</span>系奥氏體(tǐ)不锈钢至少含有(yǒu)<span lang="EN-US">6</span>％的镍。添加镍延迟了奥氏體(tǐ)不锈钢中有(yǒu)害金属间相的形成，但是在双相不锈钢中镍延迟金属间相形成的效果遠(yuǎn)不如氮。面心立方结构使奥氏體(tǐ)不锈钢具有(yǒu)很(hěn)好的韧性。与铁素體(tǐ)不锈钢相比，双相不锈钢中有(yǒu)近一半是奥氏體(tǐ)组织，因此双相钢的韧性比铁素體(tǐ)不锈钢显著提高。 </p> <p class="MsoNormal"> 双相不锈钢因為(wèi)其金相显微组织由铁素體(tǐ)和奥氏體(tǐ)两种不锈钢晶粒组成，所以被称為(wèi)<span lang="EN-US"> “</span>双相<span lang="EN-US">”</span>。下图中，蓝颜色的奥氏體(tǐ)相仿佛<span lang="EN-US"> “</span>岛屿<span lang="EN-US">” </span>被浅色的铁素體(tǐ)相海洋所包围。当双相不锈钢熔化后，它从液态凝固时首先凝固成完全的铁素體(tǐ)结构，随着材料冷却到室温，大约有(yǒu)一半的铁素體(tǐ)晶粒转变為(wèi)奥氏體(tǐ)晶粒（<span lang="EN-US">“</span>岛屿<span lang="EN-US">”</span>）。其结果是，显微组织中大约<span lang="EN-US">50%</span>為(wèi)奥氏體(tǐ)相，<span lang="EN-US">50%</span>為(wèi)铁素體(tǐ)相。 </p> <p class="MsoNormal"> 双相结构使得这类不锈钢集许多(duō)优异特性于一身，这种结合的优点是强度高：双相不锈钢的强度大约是常规奥氏體(tǐ)不锈钢或铁素體(tǐ)不锈钢强度的<span lang="EN-US">2</span>倍。因此设计师在某些应用(yòng)中就可(kě)减薄壁厚。下图比较了室温到<span lang="EN-US">300</span>℃的温度區(qū)间几种双相不锈钢与<span lang="EN-US">316L</span>奥氏體(tǐ)不锈钢的屈服强度。 </p> <p class="MsoNormal"> 尽管双相不锈钢强度高，但它们表现出良好的塑性和韧性。双相不锈钢的韧性和延展性明显优于铁素體(tǐ)不锈钢和碳钢，即使在很(hěn)低的温度如－<span lang="EN-US">40</span>℃<span lang="EN-US">/F</span>下仍保持良好的韧性。但还达不到奥氏體(tǐ)不锈钢的优异程度。 </p> <p class="MsoNormal"> 不锈钢的耐腐蚀性主要取决于其化學(xué)成分(fēn)。在大多(duō)数应用(yòng)环境中，双相不锈钢都显示出较高的耐蚀性能(néng)，这是由于它们铬含量高，在氧化性酸中很(hěn)有(yǒu)利，并且含有(yǒu)足够量的钼和镍，能(néng)耐中等还原性酸介质的腐蚀。 </p> <p class="MsoNormal"> 双相不锈钢耐氯离子点蚀和缝隙腐蚀的能(néng)力，取决于其铬、钼、钨和氮含量。双相不锈钢相对较高的铬、钼和氮含量使它们具有(yǒu)很(hěn)好的耐氯化物(wù)点蚀和缝隙腐蚀性能(néng)。它们有(yǒu)一系列不同的耐腐蚀性能(néng)，既有(yǒu)相当于<span lang="EN-US">316</span>不锈钢耐蚀性的牌号，如经济型双相不锈钢<span lang="EN-US">21011</span>，也有(yǒu)相当于<span lang="EN-US">6%</span>钼不锈钢耐蚀性的牌号，如<span lang="EN-US">SAF 25077</span>。 </p> <p class="MsoNormal"> 双相不锈钢具有(yǒu)非常好的耐应力腐蚀开裂（<span lang="EN-US">SCC</span>）性能(néng)，这个特性是从铁素體(tǐ)这一方<span lang="EN-US">“</span>继承<span lang="EN-US">”</span>来的。所有(yǒu)双相不锈钢耐氯化物(wù)应力腐蚀开裂的能(néng)力均明显优于<span lang="EN-US">300</span>系奥氏體(tǐ)不锈钢。而标准的奥氏體(tǐ)不锈钢牌号如<span lang="EN-US">304</span>和<span lang="EN-US">316</span>，在有(yǒu)氯离子、潮湿空气和温度升高的条件下，可(kě)能(néng)会发生应力腐蚀开裂。因此，在有(yǒu)较大应力腐蚀风险的化工行业许多(duō)应用(yòng)，常常采用(yòng)双相不锈钢来代替奥氏體(tǐ)不锈钢的使用(yòng)。 </p> <p class="MsoNormal"> 而在物(wù)理(lǐ)物(wù)理(lǐ)性能(néng)方面，介于奥氏體(tǐ)不锈钢和铁素體(tǐ)不锈钢之间，但更接近于铁素體(tǐ)不锈钢和碳钢。与具有(yǒu)相同耐腐蚀性的奥氏體(tǐ)不锈钢牌号相比，双相不锈钢中镍、钼含量较低。因為(wèi)合金元素含量低，双相不锈钢在价格上可(kě)能(néng)有(yǒu)优势，尤其是在合金附加费较高时。此外，由于双相不锈钢较高的屈服强度，其断面尺寸常常可(kě)减薄。与采用(yòng)奥氏體(tǐ)不锈钢的方案相比，采用(yòng)双相不锈钢可(kě)显著地降低成本，减轻重量。 </p> <p class="MsoNormal"> 双相不锈钢的发展历程 </p> <p class="MsoNormal"> 双相不锈钢已有(yǒu)<span lang="EN-US">80</span>多(duō)年的历史。早期的牌号是铬、镍和钼的合金。<span lang="EN-US">1930</span>年在瑞典生产出批锻轧双相不锈钢并用(yòng)于亚硫酸盐造纸工业，开发这些牌号是為(wèi)了减少早期高碳奥氏體(tǐ)不锈钢的晶间腐蚀问题。<span lang="EN-US">1930</span>年芬兰生产出双相不锈钢铸件。<span lang="EN-US">1936</span>年<span lang="EN-US">Uranus 50 </span>的前身在法國(guó)获得**。二战后，<span lang="EN-US">AISI 329</span>型不锈钢成為(wèi)成熟的牌号并广泛用(yòng)于硝酸装置的热交换器管道。<span lang="EN-US">3RE60</span>是代专為(wèi)提高耐氯化物(wù)应力腐蚀断裂（<span lang="EN-US">SCC</span>）性能(néng)而研制的代双相不锈钢牌号之一。后来，锻轧和铸造双相不锈钢牌号均用(yòng)于各种加工工业的应用(yòng)，包括容器、热交换器和泵。 </p> <p class="MsoNormal"> 代双相不锈钢有(yǒu)良好的性能(néng)表现，但在焊接状态下有(yǒu)局限性。焊缝的热影响區(qū)（<span lang="EN-US">HAZ</span>）由于铁素體(tǐ)过多(duō)而韧性低，并且耐腐蚀性能(néng)明显低于母材。这些局限性使代双相不锈钢的应用(yòng)，**于非焊接状态下的一些特定应用(yòng)。<span lang="EN-US">1968</span>年不锈钢精炼和氩氧脱碳<span lang="EN-US">(AOD)</span>工艺的发明，使一系列新(xīn)不锈钢钢种的产生成為(wèi)可(kě)能(néng)。<span lang="EN-US">AOD</span>所带来的诸多(duō)进步之一便是氮作為(wèi)合金元素的刻意添加。双相不锈钢添加氮可(kě)以使焊接状态下<span lang="EN-US">HAZ</span>的韧性和耐蚀性接近于母材的性能(néng)。随着奥氏體(tǐ)稳定性的提高，氮还降低了有(yǒu)害金属间相的形成速率。 </p> <p class="MsoNormal"> 含氮的双相不锈钢被称為(wèi)**代双相不锈钢。这一新(xīn)的商(shāng)品化进展始于<span lang="EN-US">70</span>年代后期，正好与北海海上油气田的开发及市场对具有(yǒu)优异耐氯离子腐蚀性能(néng)、良好的加工性能(néng)和高强度的不锈钢需求相吻合。<span lang="EN-US">2205</span>成為(wèi)**代双相不锈钢的主要牌号并广泛用(yòng)于海上石油平台集气管線(xiàn)和处理(lǐ)设施。由于这种钢的强度高，因此壁厚可(kě)减薄，从而可(kě)以减轻平台的重量，因此这种不锈钢的应用(yòng)有(yǒu)很(hěn)大的吸引力。 </p> <p class="MsoNormal"> 双相不锈钢包含一系列耐腐蚀特性各不相同的牌号，其耐腐蚀性能(néng)取决于它们的合金成分(fēn)。 </p> <p class="MsoNormal"> 本文(wén)根据耐腐蚀性，将现代双相不锈钢分(fēn)為(wèi)五类<span lang="EN-US">:</span> </p> <p class="MsoNormal"> <span lang="EN-US">1. </span>不刻意添加钼的经济型双相不锈钢，如<span lang="EN-US">2304</span>； </p> <p class="MsoNormal"> <span lang="EN-US">2. </span>含钼的经济型双相不锈钢，如<span lang="EN-US">S32003;</span> </p> <p class="MsoNormal"> <span lang="EN-US">3. Cr</span>含量约<span lang="EN-US">22%</span>、<span lang="EN-US">Mo</span>含量<span lang="EN-US">3%</span>的标准双相不锈钢，如<span lang="EN-US">2205</span>，是主要的牌号，约占双相不锈钢用(yòng)量的<span lang="EN-US">60%</span>； </p> <p class="MsoNormal"> <span lang="EN-US">4. Cr</span>含量约為(wèi)<span lang="EN-US">25%</span>、<span lang="EN-US">Mo</span>含量為(wèi)<span lang="EN-US">3%</span>的超级双相不锈钢，<span lang="EN-US">PREN</span>值<span lang="EN-US">40</span>～<span lang="EN-US">45</span>，如<span lang="EN-US">2507</span>； </p> <p class="MsoNormal"> <span lang="EN-US">5. </span>特超级双相不锈钢，<span lang="EN-US">Cr</span>和<span lang="EN-US">Mo</span>含量高于超级双相不锈钢，<span lang="EN-US">PREN</span>值大于<span lang="EN-US">45</span>，如<span lang="EN-US">S32707</span> </p> <p class="MsoNormal"> 不锈钢耐局部腐蚀性能(néng)与其合金元素含量有(yǒu)很(hěn)强的相关关系。能(néng)够增加耐点蚀能(néng)力的元素主要有(yǒu)<span lang="EN-US">Cr, Mo, and N. W</span>。尽管<span lang="EN-US">W</span>不常用(yòng)，但它的有(yǒu)效贡献约為(wèi)<span lang="EN-US">Mo</span>的一半（以重量百分(fēn)比计）。不锈钢在氯离子溶液中的相对耐点蚀能(néng)力与不锈钢成分(fēn)之间的关系可(kě)以用(yòng)一个经验关系式来描述，叫做耐点蚀当量数（<span lang="EN-US">PREN</span>）。 </p> <p class="MsoNormal"> <span lang="EN-US">&nbsp;</span> </p>