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双相不锈钢(duplex stainless steel)

文章出处:佛山市宽裕不锈钢有限公司:责任编辑:宽裕不锈钢
发布时间:2015.04.09 24小时热线:134-5082-8388 浏览次数:

   双相不锈钢(duplex stainless steel)

  一种在固溶组织中铁素体相和奥氏体相约各占一半的不锈钢。在双相不锈钢中,较少相的含量应在30%以上。由于两相组织的特点,通过正确控制化学成分和热处理工艺,双相不锈钢能兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点,它将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性和焊接性,与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起,使双相不锈钢作为可焊接的结构材料发展十分迅速,80年代以来已成为和马氏体型、奥氏体型、铁素体型不锈钢并列的一个钢类。

  简史 双相不锈钢的发展开始于20世纪30年代,法国人在1935年获得第一个专利。双相不锈钢已发展了三代,第一代双相不锈钢以美国40年代开发的329钢为代表,含高铬、钼,耐局部腐蚀性能好,但含碳量较高(≤0.1%碳),因此焊接时失去相的平衡及沿晶界析出碳化物导致耐蚀性及韧性下降,焊后必须经过。726热处理,一般用于铸锻件,在应用和发展上受到限制。50年代苏联发展了含稳定元素钛的08×21H5T和08×21H6M2T钢,德国也有1.4582,法国有Uranus50,英国有Ferralium255,日本在美国329基础上降碳,提出了,这些钢都可作为可焊接的结构件使用,随后至60年代中期瑞典开发了著名的3RE60钢,他是第一代双相不锈钢的代表钢种,特点是超低碳,含铬量为18%,焊接及成型性能良好,广泛代替AISl304L、316L用作耐氯离子应力腐蚀的材料,该钢的问题是在焊接热影响区易出现单相铁素体组织,导致耐应力腐蚀及晶间腐蚀性能下降。70年代以来,随着二次精炼技术AOD和VOD等方法的出现与普及,容易炼出超低碳(碳≤0.03%)的钢,同时发现氮作为奥氏体形成元素对双相不锈钢有重要作用,在焊接接头热影响区快速热循环冷却时,氮促进了高温下形成的铁素体逆转变为足够量的二次奥氏体以维持必要的相平衡,提高了焊接接头的耐蚀性,氮还可以提高富氮奥氏体相的耐孔蚀能力,与富铬、钼的铁素体相取得平衡,提高了材料整体的耐孔蚀性能。此外,氮还能减轻铬、镍等元素在两相中分布的差异,降低选择腐蚀的倾向性,正是利用氮元素的独特效果,以及较容易获得超低碳钢,改进了第一代双相不锈钢的缺点,从而开创了第二代新型的含氮双相不锈钢,开发了新的应用领域。第二代双相不锈钢,不论是18Cr型,还是22Cr和25Cr型大多数属于超低碳型,并且含有钼、铜或硅等提高耐蚀性的元素。针对酸性油井井管及管线用钢瑞典开发出了SAF2205,此钢已纳入美国的ASTMA’789和A790标准。日本有近10个厂家都在生产双相不锈钢,应用范围很宽,包括工业用水及海水热交换器,尿素高压设备,硝酸设备等。法国有URANus系列,英国有ZE-RON铸钢系列,德国也有纳标的系列牌号。80年代后期发展的超级双相不锈钢(Super DSS)是属于第三代双相不锈钢,牌号有SAF2507,uR52N+,Zeron100等,这类钢的特点是含碳量低(碳0.01%~0.02%),含高钼和高氮(钼约4%,氮约0.3%),钢中铁素体含量40%~45%,此类钢具有优良的耐孔蚀性能,孔蚀抗力当量值(PRE=Cr%+3.3×Mo%+16×N%)大于40。中国自70年代中期开始发展双相不锈钢,冶金部钢铁研究总院最早从事这方面的工作,以发展含氮双相不锈钢为主,至今已有耐应力腐蚀,耐孔蚀与缝隙腐蚀,耐腐蚀疲劳和耐磨损腐蚀的简单系列牌号。

  双相不锈钢主要代表牌号如表1所示,各双相不锈钢牌号之间的发展关系如图1所示。

  性能特点 (1)双相不锈钢在低应力下有良好的耐中性氯化物应力腐蚀性能。一般应用在70℃以上中性氯化物溶液中的18-8型奥氏体不锈钢容易发生应力腐蚀破裂,像在微量氯化物及硫化氢的工业介质中使用的这类不锈钢的热交换器、蒸发器等都存在着产生应力腐蚀破裂的倾向,而双相不锈钢却能耐蚀。例如含18%Cr的00Cr18Ni5M03Si2钢耐应力腐蚀的典型介质条件是:Cl<1000×10-6,<150℃,pH≥7;H2s~5000ppm,Cl-约30×10-6,<150℃,pH≥7。(2)含钼双相不锈钢有良好的耐孔蚀性能。含18%Cr的双相不锈钢与AISl316L相当。含25%铬的、尤其是含氮的高铬双相不锈钢的耐孔蚀和缝隙腐蚀性能超过了AISl316L。(3)有较高的强度和韧性,综合力学性能好,屈服强度是18-8型奥氏体不锈钢的2倍。(4)焊接性良好,热裂倾向小,焊前不需预热,焊后不需热处理。(5)热加工温度范围比18-8型奥氏体不锈钢宽,抗力小,采用8t锭型可顺利生产大锻件,含低铬(18%铬)的双相不锈钢可不经过锻造,直接轧制开坯生产钢板。(6)冷加工时比18-8型奥氏体不锈钢加工硬化效应大,在管、板承受变形初期抗力较大,需施加较大应力才能变形。(7)仍有高铬铁素体不锈钢的各种脆性倾向,不宜用在高于350℃的工作条件下。双相不锈钢中铬含量愈低,a相脆性的危害性也愈小。(8)与奥氏体不锈钢相比,导热系数大,线膨胀系数小,易进行设备的衬里和生产复合板。

  显微组织和二次相的析出 双相不锈钢常规固溶处理(1000~1100C)后的组织是α+γ相随热处理温度升高,a相数量增多,至1300~1350℃,将成为单一的n相组织。图2是几个典型牌号的固溶温度与钢中铁素体含量的关系。因此,在焊接时,近焊缝的热影响区瞬时会出现单一铁素体组织,引起晶粒长大,但是如果双相不锈钢的成分能够得到很好的平衡,有可能在a/a晶界在焊后冷却过程中出现部分a相的逆转变成y相,从而使热影响区保持与母材相匹配的性能。

  双相不锈钢的相变复杂,尤其是含铬、钼都较高的钢,在350~1000℃进行等温时效或不正确热处理时,除a和7两相外,还有各种其他的二次相析出,这些相主要由不稳定的a相中析出或转变来的,有σ相、Cr2N、x相、R相、π相、M7C3、M23C6等,在350~550℃还有铁素体的调幅分解,变成富铬和贫铬的α‘+α区。这些相中以σ相最为重要,它严重影响钢的韧性和耐蚀。

  力学性能 固溶态双相不锈钢典型牌号的常温力学性能列于表2。

  双相不锈钢的屈服强度一般为奥氏体不锈钢的2倍,随钢中合金元素的增加,强度也增高,主要是由于铬、钼,还有氮的固溶强化作用。双相不锈钢的强度取决于a相,较好的塑、韧性来自γ相。

  双相不锈钢的各向异性明显,纵、横向的σb、σs相同,但横向的δ值,尤其是Ak值却大大下降。

  固溶态双相不锈钢的脆性转变温度一般发生在-60℃或更低温度,这一点可满足实际应用的需要。

  如前所述,温度高于300℃由于a相的分解产生众多的脆性相。在600~900℃范围主要是σ相使钢冲击韧性严重下降,σ相达到4%时,Ak值就可降到临界冲击值27J。低于500℃属于475℃脆性区,即使在300℃左右也会产生长时低温脆性。

  耐腐蚀性能 双相不锈钢不仅有良好的综合力学性能,更有吸引力的是它的耐蚀性,例如耐孔蚀、应力腐蚀和晶间腐蚀等局部腐蚀性能,在许多腐蚀环境中,在钢中铬、钼含量相同的条件下,双相不锈钢有着和奥氏体不锈钢相当的,甚至更优良的耐蚀性。

  (1)孔蚀。双相不锈钢的孔蚀抗力首先与钢中铬、钼含量有关,现代双相不锈钢中一些牌号含氮元素,特别在含氯化物环境中进一步提高了钢的耐孔蚀性能。孔蚀抗力当量值(PRE)与铬、钼、氮含量关系式如下:PRE=Cr%+3.3×Mo%+16×N%PRE值与临界孔蚀温度(CPT)之间存在线性关系,见图3。

  这里需要说明的是,PRE只考虑了元素的影响,没有考虑显微组织的不均匀性。如果铁素体和奥氏体相的PRE不相同,必然造成弱相的优先侵蚀,因此,像对超级SAF2205钢必须进行合适的热处理以求得两相间热力学的平衡和得到相同的PRE值。此外,在α/γ相界优先析出的γ’相和σ相等,或由于如γ’相本身铬含量偏低,或由于析出相本身铬、钼含量高,造成周围基体的铬、钼元素贫化,容易出现孔蚀。

  (2)应力腐蚀破裂(SCC)。双相不锈钢的耐SCC性能与钢的化学成分和两相组织有关。一般奥氏体不锈钢在含氯环境中高于70℃时对应力腐蚀破裂敏感,但是双相不锈钢却较少敏感。实验表明,既使是低合金含量的23Cr-4Ni钢也要优于AISl316L和AISl304L,并且随钢中含铬、钼量提高,双相不锈钢的应力腐蚀抗力也增加。

  双相不锈钢在中性氯化物介质中耐应力腐蚀性能优良的原因,一是有比奥氏体钢高的屈服强度。二是第二相对基体中的scc裂纹的扩展有机械阻挡作用,例如以α相为基体时,γ相对裂纹起阻挡作用,裂纹在α相中发生和扩展,遇到γ相时裂纹尖端或沿α/γ相界扩展,或是中断,或是改变方向,绕过γ相,在邻近的α相中又复出现;相反,以7相为基体时,a相也起相同的作用。这正是说明双相不锈钢的SCC裂纹往往分支多,扩展无一定方向,走向弯曲,裂纹扩展速度缓慢的原因,并且以沿晶与穿晶的混合形态出现为多数。当两相含量相当,各占50%左右时,随试验介质不同,α相或了相都可以阻挡scc裂纹扩展。三是第二相的电化学保护作用,00Cr18Ni5Mo3Si2钢经Cacl2介质进行应力腐蚀试验后通过断口金相观察,发现α相有阳极溶解的痕迹。这表明在裂纹扩展过程中,伴随α相的阳极溶解,.γ相从而得到了阴极保护,因此裂纹不易穿过7相,也就是说γ相抑制了裂纹的扩展。四是在中性含Cl-的介质中,SCC多以孔蚀为起点,双相不锈钢的孔蚀诱导期长,即使一旦形成由于第二相的屏障作用又不易扩展成应力集中系数较大的尖角形孔蚀坑,而且蚀坑分散度也较大,避免了外加应力集中在个别少数裂纹上,从而减缓了SCC的扩展速度。

  需要指出的是在高应力和苛刻的含氯环境中,双相不锈钢仍遭到SCC。

  (3)晶间腐蚀。双相不锈钢碳含量低,化学成分平衡的优化使钢在高温敏化冷却时或焊后在近缝热影响区形成二次奥氏体γ’。一方面γ’提高碳、氮的溶解度,另一方面γ’增加了相界面,从而减少了单位面积上碳化物(M23C6)的析出量。这使双相不锈钢不容易形成连续的贫铬区,减轻了钢的晶间腐蚀倾向,甚至不产生晶间腐蚀。

  (4)腐蚀疲劳。双相不锈钢比奥氏体不锈钢有更高的强度,所以它更耐疲劳,两相的细晶组织也有助于疲劳强度的提高。在腐蚀介质中腐蚀与疲劳的交互作用复杂,钢的腐蚀疲劳抗力与孔蚀抗力有密切关系。腐蚀疲劳裂纹源往往出现在夹杂、滑移带或相界等处,这些地方往往是优先产生蚀坑处。

  应用在双相不锈钢没有进入市场前,对于AISl304和316不能适用的苛刻腐蚀环境使用的都是含高镍的奥氏体不锈钢。70年代中期以来的使用经验表明双相不锈钢不仅比一般奥氏体钢更耐蚀,而且节镍,以及具有好的综合性能:强度、韧性和可焊性。因此,双相不锈钢适于多种用途,尤其在含氯的介质中应用更为广泛。当然,在某一单一性能方面,其他类型钢种可能超过双相不锈钢,但是从综合性能来考虑,双相不锈钢往往是最突出的。

  在化工、石油化工、造纸、能源以及油、气等工业中的应用,双相不锈钢都赢得一席之地。近年发现高PRE值双相不锈钢的生物相容性好,可用于人体内移植的不锈钢材料。

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