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双相不锈钢特性、优势和发展历史

摘要:双相不锈钢因为其金相显微组织由铁素体、奥氏体两种不锈钢晶粒组成,所以被称为 “双相”。双相结构使得这类不锈钢集许多优异特性于一身:高强度、良好的韧性和延展性、优异的

双相不锈钢的应用日益广泛,为了帮助用户更好地认识、选择、加工和应用这类不锈钢,本文将介绍双相不锈钢特性,并围绕双相不锈钢应用难点之一(加工和焊接),给出加工和焊接双相不锈钢的基本原则和实用信息。

内容包括:双相不锈钢的历史、化学成分、冶金学、耐腐蚀性能、力学性能、物理性能、技术条件、质量控制、切割、成形、焊接、应用等,力顺不锈钢知识版块将逐条阐述。

双相不锈钢特性概述

双相不锈钢因为其金相显微组织由铁素体、奥氏体两种不锈钢晶粒组成,所以被称为 “双相”。下图中,黄颜色的奥氏体相仿佛 “岛屿” 被蓝色的铁素体相海洋所包围。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体结构,随着材料冷却到室温,大约有一半的铁素体晶粒转变为奥氏体晶粒(“岛屿”)。其结果是,显微组织中大约50%为奥氏体相,50%为铁素体相。

双相不锈钢金相显微组织

双相不锈钢具有奥氏体和铁素体两相显微组织

双相结构使得这类不锈钢集许多优异特性于一身

高强度

双相不锈钢的强度大约是常规奥氏体不锈钢或铁素体不锈钢强度的2倍。因此设计师在某些应用中就可减薄壁厚。下图比较了室温到300℃的温度区间几种双相不锈钢与316L奥氏体不锈钢的屈服强度。
 

双相不锈钢屈服强度

良好的韧性和延展性

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体不锈钢和碳钢,即使在很低的温度如-40℃/F下仍保持良好的韧性。但还达不到奥氏体不锈钢的优异程度。

ASTM 和EN标准规定的双相不锈钢最低力学性能限值

ASTM 和EN标准规定的双相不锈钢最低力学性能限值

优异的耐腐蚀性

不锈钢的耐腐蚀性主要取决于其化学成分。在大多数应用环境中,双相不锈钢都显示出较高的耐蚀性能,这是由于它们铬含量高,在氧化性酸中很有利,并且含有足够量的钼和镍,能耐中等还原性酸介质的腐蚀。

对于耐氯离子点蚀和缝隙腐蚀的能力而言,不锈钢的铬、钼和氮含量是最重要的。双相不锈钢相对较高的铬、钼和氮含量使它们具有很好的耐氯化物点蚀和缝隙腐蚀性能。双相不锈钢有一系列不同的耐腐蚀性能,既有相当于316不锈钢耐蚀性的牌号,如经济型双相不锈钢2101©,也有相当于6%钼不锈钢耐蚀性的牌号,如SAF 2507©。

双相不锈钢具有非常好的耐应力腐蚀开裂(SCC)性能,这个特性是从铁素体这一方“继承”来的。所有双相不锈钢耐氯化物应力腐蚀开裂的能力均明显优于300系奥氏体不锈钢。而标准的奥氏体不锈钢牌号如304和316,在有氯离子、潮湿空气和温度升高的条件下,可能会发生应力腐蚀开裂。因此,在有较大应力腐蚀风险的化工行业许多应用,常常采用双相不锈钢来代替奥氏体不锈钢的使用。

物理性能

介于奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢之间,但更接近于铁素体不锈钢和碳钢。

成本优势

与具有相同耐腐蚀性的奥氏体不锈钢牌号相比,双相不锈钢中镍、钼含量较低。因为合金元素含量低,双相不锈钢在价格上可能有优势,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,其断面尺寸常常可减薄。与采用奥氏体不锈钢的方案相比,采用双相不锈钢可显著地降低成本,减轻重量。

瑞典斯德哥尔摩的双相不锈钢桥 ©Outokumpu

瑞典斯德哥尔摩的双相不锈钢桥 ©Outokumpu

双相不锈钢的发展历史

双相不锈钢已有80多年的历史。早期的牌号是铬、镍和钼的合金。1930年在瑞典生产出第一批锻轧双相不锈钢并用于亚硫酸盐造纸工业,开发这些牌号是为了减少早期高碳奥氏体不锈钢的晶间腐蚀问题。1930年芬兰生产出双相不锈钢铸件。1936年Uranus 50 的前身在法国获得专利。二战后,AISI 329型不锈钢成为公认的钢种并广泛用于硝酸装置的热交换器管道。3RE60是第一代专为提高耐氯化物应力腐蚀断裂(SCC)性能而研制的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于各种加工工业的应用,包括容器、热交换器和泵。

第一代双相不锈钢有良好的性能表现,但在焊接状态下有局限性。焊缝的热影响区(HAZ)由于铁素体过多而韧性低,并且耐腐蚀性能明显低于母材。这些局限性使第一代双相不锈钢的应用,仅限于非焊接状态下的一些特定应用。1968年不锈钢精炼工艺,即氩氧脱碳(AOD)的发明,使一系列新不锈钢钢种的产生成为可能。AOD所带来的诸多进步之一便是合金元素氮的刻意添加。双相不锈钢添加氮可以使焊接状态下HAZ的韧性和耐蚀性接近于母材的性能。随着奥氏体稳定性的提高,氮还降低了有害金属间相的形成速率。

含氮的双相不锈钢被称为第二代双相不锈钢。这一新的商品化进展始于70年代后期,正好与北海海上油气田的开发及市场对具有优异耐氯离子腐蚀性能、良好的制造加工性和高强度的不锈钢需求相吻合。2205成为第二代双相不锈钢的主要牌号并广泛用于海上石油平台集气管线和处理设施。由于这种钢的强度高,因此壁厚可减薄,可以减轻平台的重量,使这种不锈钢的应用有很大的吸引力。

连续蒸煮器浸渍塔

双相不锈钢可按照耐腐蚀性能排序,耐腐蚀性能取决于它们的合金成分。双相不锈钢一直在不断发展,现代双相不锈钢可分为5类:

1. 不添加钼的经济型双相不锈钢如2304;

2. 标准双相不锈钢如2205,是主要的钢种,占双相不锈钢用量的80%以上;

3. 25Cr双相不锈钢如合金255,PREN*(耐点蚀当量数)值小于40; 

4. 超级双相不锈钢(PREN值40~45), 含25%~26%Cr,与含25%Cr双相不锈钢如2507相比,钼和氮的含量增加;

5. 特超级双相不锈钢,PREN值超过45的高合金化双相不锈钢

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

表1 给出了锻轧双相不锈钢和铸造双相不锈钢的化学成分,为便于比较,第一代双相不锈钢和常用奥氏体不锈钢也包括在其中。

表1 锻轧和铸造双相不锈钢的化学成分*(重量%)

表1  锻轧和铸造双相不锈钢的化学成分*(重量%)
 

奥氏体双相不锈钢化学成分

* 最大值,除非指明范围或说明是最小值。- 标准中未指明。

** 这一种钢最初没有添加氮,被认为是未加氮的第一代双相不锈钢。(来源:国际钼协会

国际钼协会:是一个以科学为宗旨的非赢利性行业协会,成立于1989年。目前,其会员代表着全球85%以上的钼矿山产量和几乎全部的冶炼能力。国际钼协会具有前瞻性的市场开发项目,旨在提高人们对钼的认知,促进钼及含钼材料的应用。通过举办专题讲座和培训,提供技术咨询、出版技术手册、案例研究、行业简报和统计数据以及网站和微信公众号等途径,向制造商、工程师、设计师、材料决策者和广大公众介绍含钼材料的特性及适用性,宣传钼对于可持续发展的积极作用。我们资助科研项目,发现和开发新的应用领域或扩大现有的终端应用。我们还协调业内各方应对法规并利用严谨的科学依据促进法规的合理化。

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