雙相不銹鋼化學(xué)成分及合金元素的作用
雙相不銹鋼化學(xué)成分及合金元素的作用
雙相不銹鋼的化學(xué)成分
一般認(rèn)為，雙相不銹鋼中鐵素體相與奧氏體相的比例為30％～70%時，可以獲得良好的性能。但雙相不銹鋼常常被認(rèn)為是鐵素體和奧氏體大致各占一半，在目前的商品化生產(chǎn)中，為了獲得佳的韌性和加工特性，傾向于奧氏體的比例稍大一些。主要的合金元素尤其是鉻、鉬、氮和鎳之間的相互作用是非常復(fù)雜的。為了獲得穩(wěn)定的有利于加工和制造的雙相組織，必須注意使每種元素有適當(dāng)?shù)暮俊?
除了相平衡以外，有關(guān)雙相不銹鋼及其化學(xué)組成的**個主要問題是溫度升高時有害金屬間相的形成。σ相和χ相在高鉻、高鉬不銹鋼中形成，并優(yōu)先在鐵素體相內(nèi)析出。氮的添加大大延遲了這些相的形成。因此在固溶體中保持足夠量的氮非常重要。隨著雙相不銹鋼制造經(jīng)驗(yàn)的增加，人們越來越認(rèn)識到控制較窄的成分范圍的重要性。2205雙相不銹鋼初設(shè)定的成分范圍過寬，經(jīng)驗(yàn)表明，為了得到佳的耐腐蝕性能及避免金屬間相的形成，S31803的鉻、鉬和氮含量應(yīng)保持在含量范圍的中上限，由此引出了成分范圍較窄的改進(jìn)型2205雙相鋼UNS S32205。S32205的成分就是今天商品化的2205雙相不銹鋼的典型成分。在本文中，除非另有說明，通常2205指的就是S32205。
合金元素的作用
以下簡單介紹幾個重要的合金元素對雙相不銹鋼的力學(xué)性能、物理性能和腐蝕特性的影響。
鉻：
鋼中鉻含量必須不低于10.5％才能形成穩(wěn)定的含鉻鈍化膜，保護(hù)鋼不受大氣腐蝕。不銹鋼的耐腐蝕性能隨鉻含量的增加而增加。鉻是鐵素體形成元素，鋼中加鉻可促使體心立方結(jié)構(gòu)的鐵素體形成。鋼中鉻含量較高時，需要加入更多的鎳才能形成奧氏體或雙相（鐵素體－奧體）組織。較高的鉻量也會促進(jìn)金屬間相的形成。奧氏體不銹鋼鉻含量至少為16％，雙相不銹鋼鉻含量至少為20％。鉻還能增加鋼在高溫下的抗氧化能力，鉻的這一作用很重要，它影響熱處理或焊接后氧化皮或回火色的形成和去除。雙相不銹鋼的酸洗和去除回火色要比奧氏體不銹鋼困難。
鉬：
鉬能提高不銹鋼耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的能力。當(dāng)不銹鋼中鉻含量至少為18％時，鉬對改善耐氯化物點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕能力的有效作用是鉻的三倍。鉬是鐵素體形成元素，同時也增大了不銹鋼形成金屬間相的傾向。因此，奧氏體不銹鋼的鉬含量通常小于約7％，雙相不銹鋼的鉬含量小于4％。
氮：
氮提高奧氏體和雙相不銹鋼的耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的能力，它還能顯著地提高鋼的強(qiáng)度。事實(shí)上它是有效的固溶強(qiáng)化元素。它是低成本合金元素和強(qiáng)奧氏體形成元素，能夠代替部分鎳，起到穩(wěn)定奧氏體的作用。含氮雙相不銹鋼韌性的改善得益于其較高的奧氏體含量和較少的金屬間相。氮并不能阻止金屬間相的析出，但可推遲金屬間相的形成，這樣便留出足夠的時間進(jìn)行雙相不銹鋼的加工和制造。氮被添加到鉻和鉬含量高的高耐蝕性奧氏體和雙相不銹鋼中，以抵消它們形成σ相的傾向。
氮通過固溶強(qiáng)化提高了奧氏體的強(qiáng)度，也提高了其加工硬化率。雙相不銹鋼一般都添加氮并調(diào)整鎳含量以獲得理想的相平衡。鐵素體形成元素鉻和鉬與奧氏體形成元素鎳和氮相互平衡才能獲得雙相組織。
鎳：
鎳是穩(wěn)定奧氏體的元素，促使不銹鋼的晶體結(jié)構(gòu)從體心立方結(jié)構(gòu)（鐵素體）轉(zhuǎn)化為面心立方結(jié)構(gòu)（奧氏體）。鐵素體不銹鋼含極少的鎳或不含鎳，雙相不銹鋼含鎳量為低至中等，如1.5%～7％，300系奧氏體不銹鋼至少含有6％的鎳。添加鎳延遲了奧氏體不銹鋼中有害金屬間相的形成，但是在雙相不銹鋼中鎳延遲金屬間相形成的效果遠(yuǎn)不如氮。面心立方結(jié)構(gòu)使奧氏體不銹鋼具有很好的韌性。與鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼中有近一半是奧氏體組織，因此雙相鋼的韌性比鐵素體不銹鋼顯著提高。
雙相不銹鋼因?yàn)槠浣鹣囡@微組織由鐵素體和奧氏體兩種不銹鋼晶粒組成，所以被稱為 “雙相”。下圖中，藍(lán)顏色的奧氏體相仿佛 “島嶼” 被淺色的鐵素體相海洋所包圍。當(dāng)雙相不銹鋼熔化后，它從液態(tài)凝固時首先凝固成完全的鐵素體結(jié)構(gòu)，隨著材料冷卻到室溫，大約有一半的鐵素體晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體晶粒（“島嶼”）。其結(jié)果是，顯微組織中大約50%為奧氏體相，50%為鐵素體相。
雙相結(jié)構(gòu)使得這類不銹鋼集許多優(yōu)異特性于一身，這種結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高：雙相不銹鋼的強(qiáng)度大約是常規(guī)奧氏體不銹鋼或鐵素體不銹鋼強(qiáng)度的2倍。因此設(shè)計(jì)師在某些應(yīng)用中就可減薄壁厚。下圖比較了室溫到300℃的溫度區(qū)間幾種雙相不銹鋼與316L奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度。
盡管雙相不銹鋼強(qiáng)度高，但它們表現(xiàn)出良好的塑性和韌性。雙相不銹鋼的韌性和延展性明顯優(yōu)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(dá)不到奧氏體不銹鋼的優(yōu)異程度。
不銹鋼的耐腐蝕性主要取決于其化學(xué)成分。在大多數(shù)應(yīng)用環(huán)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(zhì)的腐蝕。
雙相不銹鋼耐氯離子點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的能力，取決于其鉻、鉬、鎢和氮含量。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(diǎn)蝕和縫隙腐蝕性能。它們有一系列不同的耐腐蝕性能，既有相當(dāng)于316不銹鋼耐蝕性的牌號，如經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼21011，也有相當(dāng)于6%鉬不銹鋼耐蝕性的牌號，如SAF 25077。
雙相不銹鋼具有非常好的耐應(yīng)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(yīng)力腐蝕開裂的能力均明顯優(yōu)于300系奧氏體不銹鋼。而標(biāo)準(zhǔn)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(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。因此，在有較大應(yīng)力腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的化工行業(yè)許多應(yīng)用，常常采用雙相不銹鋼來代替奧氏體不銹鋼的使用。
而在物理物理性能方面，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。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?yàn)楹辖鹪睾康?，雙相不銹鋼在價(jià)格上可能有優(yōu)勢，尤其是在合金附加費(fèi)較高時。此外，由于雙相不銹鋼較高的屈服強(qiáng)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。
雙相不銹鋼的發(fā)展歷程
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(chǎn)出批鍛軋雙相不銹鋼并用于亞硫酸鹽造紙工業(yè)，開發(fā)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(chǎn)出雙相不銹鋼鑄件。1936年Uranus 50 的前身在法國獲得**。二戰(zhàn)后，AISI 329型不銹鋼成為成熟的牌號并廣泛用于硝酸裝置的熱交換器管道。3RE60是代專為提高耐氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂（SCC）性能而研制的代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(yè)的應(yīng)用，包括容器、熱交換器和泵。
代雙相不銹鋼有良好的性能表現(xiàn)，但在焊接狀態(tài)下有局限性。焊縫的熱影響區(qū)（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。這些局限性使代雙相不銹鋼的應(yīng)用，**于非焊接狀態(tài)下的一些特定應(yīng)用。1968年不銹鋼精煉和氬氧脫碳(AOD)工藝的發(fā)明，使一系列新不銹鋼鋼種的產(chǎn)生成為可能。AOD所帶來的諸多進(jìn)步之一便是氮作為合金元素的刻意添加。雙相不銹鋼添加氮可以使焊接狀態(tài)下HAZ的韌性和耐蝕性接近于母材的性能。隨著奧氏體穩(wěn)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**代雙相不銹鋼。這一新的商品化進(jìn)展始于70年代后期，正好與北海海上油氣田的開發(fā)及市場對具有優(yōu)異耐氯離子腐蝕性能、良好的加工性能和高強(qiáng)度的不銹鋼需求相吻合。2205成為**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(shè)施。由于這種鋼的強(qiáng)度高，因此壁厚可減薄，從而可以減輕平臺的重量，因此這種不銹鋼的應(yīng)用有很大的吸引力。
雙相不銹鋼包含一系列耐腐蝕特性各不相同的牌號，其耐腐蝕性能取決于它們的合金成分。
本文根據(jù)耐腐蝕性，將現(xiàn)代雙相不銹鋼分為五類:
1. 不刻意添加鉬的經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼，如2304；
2. 含鉬的經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼，如S32003;
3. Cr含量約22%、Mo含量3%的標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼，如2205，是主要的牌號，約占雙相不銹鋼用量的60%；
4. Cr含量約為25%、Mo含量為3%的超級雙相不銹鋼，PREN值40～45，如2507；
5. 特超級雙相不銹鋼，Cr和Mo含量高于超級雙相不銹鋼，PREN值大于45，如S32707
不銹鋼耐局部腐蝕性能與其合金元素含量有很強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。能夠增加耐點(diǎn)蝕能力的元素主要有Cr, Mo, and N. W。盡管W不常用，但它的有效貢獻(xiàn)約為Mo的一半（以重量百分比計(jì)）。不銹鋼在氯離子溶液中的相對耐點(diǎn)蝕能力與不銹鋼成分之間的關(guān)系可以用一個經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式來描述，叫做耐點(diǎn)蝕當(dāng)量數(shù)（PREN）。
