双相不锈钢的制造实用指南(一)

1  引言

双相不锈钢是一类集优良的耐腐蚀、高强度和易于加工制造等诸多优异性能于一身的钢种。它们的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。双相不锈钢的耐氯化物孔蚀和缝隙腐蚀能力与铬、钼和氮含量有关，其耐孔蚀和缝隙腐蚀能力可以类似于316不锈钢，或者接近于海水用不锈钢如6％Mo奥氏体不锈钢。所有的双相不锈钢耐氯，化物应力腐蚀断裂的能力均明显强于300系列奥氏体不锈钢，而且其强度也大大高于奥氏体不锈钢，同时表现出良好的塑性和韧性。

双相不锈钢的制造与奥氏体不锈钢的制造有许多相似之处，但也有重要区别。双相不锈钢的高合金含量和高强度等特性要求在制造工艺上作某些改变。这本小册子是为加工制造商和承担制造任务的最终用户准备的。它为双相不锈钢的成功制造提供了实用信息。本书假定读者已具备不锈钢的加工制作经验，因此，给出了双相不锈钢和300系列奥氏体不锈钢及碳钢之间的性能和制造工艺的对比数据。

双相不锈钢的制造不同于一般不锈钢。但并不困难。

2  双相不锈钢的历史

双相不锈钢已有60多年的历史，它具有 一种混合显微组织，其中奥氏体相和铁素体 相大约各占一半。早期的钢种是铬、镍和钼 的合金。第一批可锻轧双相不锈钢于1930 年在瑞典生产出来并用于亚硫酸盐造纸工 业。开发这些钢种是为了减轻早期高碳奥氏 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，最终名为 Uranus 50的钢种在法国获得专利；3RE60 是第一代专为提高耐氯化物应力腐蚀断裂性能而研制的双相不锈钢钢种之一；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。后来，锻造和铸造双相不锈钢钢种均用于各种加工工业的应用，包括容器、热交换器和泵。

这些第一代双相不锈钢有良好的性能特点，但在焊接状态下有局限性。焊缝的热影响区由于铁素体过多而韧性低，并且耐腐蚀性明显低于基体金属。这些局限因素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―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添加。双相不锈钢添加氮可以使焊接状态下热影响区的韧性和耐腐蚀性接近于基体金属的性能，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化物腐蚀性能、良好的加工性和高强度不锈钢的需求相吻合。2205成为第二代双相不锈钢的主要钢种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，管的壁厚减薄，可以减轻平台上的重量，使这种不锈钢的应用有很大的吸引力。

双相不锈钢同奥氏体不锈钢一样，是一族按腐蚀性能排序的钢种，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，现代的双相不锈钢可分为四种类型：

● 不含钼的低级双相不锈钢如2304；

● 2205，主要的双相不锈钢钢种，占双 相钢总量的80％以上；

● 25Cr％的双相不锈钢如合金255和 DP一3；

● 超级双相不锈钢，含25％一26％Cr，与含25%Cr的双相不锈钢相比，钼和氮的含量增加。包括的钢种如2507、Zeron 100、UR52N+和DP-3W。

表1给出了第二代锻造双相不锈钢的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通常奥氏体不锈钢也包括在其中。

表1  锻造和铸造双相不锈钢及奥氏体不锈钢的化学成分（%）

* 最大值，除非指明范围或说明是最小值，重要的数据与ASTM A 751 标准一致。

* * 未指明。

* * * 这一种钢最初没有加氮，被认为是未加氮的第一代双相不锈钢。

3  化学成分和合金化元素的作用

3.1 双相不锈钢的化学成分

一般认为，双相不锈钢的相平衡比例为30%-70%的铁素体和奥氏体时，可以获得良好的性能。但双相不锈钢最常见的情形是铁素体的奥氏体大致各占一半，在目前的商品化生产中，为了获得最佳的韧性和加工特性，倾向于奥氏体的比例稍大一些。主要的合金元素尤其是铬、钼、氮和镍之间的相互作用是非常复杂的。为了获得稳定的有利于加工制造的双相组织，必须要注意使每种元素有适当的含量。

除了相平衡以外，有关双相不锈钢及其化学组成的第二个主要问题是温度升高时有害金属间相的形成。高铬高钼不锈钢中形成σ相和χ相，并优先在铁素体相内析出，氮的添加大大延迟了这些相的形成。因此在固溶组织中保持足够的氮是很重要的。随着双相不锈钢制造经验的增加，控制窄的成分范围的重要性变得越来越明显。2205双相钢（UNS S 31803，表1）最初设定的成分范围过宽，经验表明，为了得到最佳的耐腐蚀性能及避免金属间相的形成，S 31803 的铬、钼和氮含量应控制中上限，由此引出了成分范围较窄的改进型2205双相钢 UNS S 3305 （表1）。S 32205 的成分就是今天商品化的2205双相不锈钢的典型成分。在本文中，除非另有说明，通常2205指的就是S 32205。

3.2 双相不锈钢中合金元素的作用

以下简单介绍几个最重要的合金元素对双相不锈钢的力学性能、物理性能和腐蚀性能的作用。

铬：钢中最少含10.5％Cr才能形成保护钢不受大气腐蚀的稳定的含铬钝化膜。不锈钢的耐蚀性随含铬量的增加而增加。铬是铁素体形成元素，钢中加铬能使具有体心立方晶格的铁组织稳定。钢中含铬量较高时，需要加入更多的镍才能形成奥氏体或双相(铁素体一奥氏体)组织，较高的铬量也能促进形成金属间相。奥氏体不锈钢中通常含18％ Cr，第二代双相不锈钢中至少含22％Cr。铬还能增加钢在高温下的抗氧化能力。铬的这一作用很重要，它影响热处理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体不锈钢困难。

钼：钼与铬的协同作用能提高不锈钢的抗氯化物腐蚀的能力。当不锈钢中至少含 18％Cr时，钼在含氯化物的环境中抗孔蚀和缝隙腐蚀的能力是铬的三倍(见后CPT公式)。钼是一个铁素体形成元素，同样能促进形成金属间相。因此，通常奥氏体不锈钢中含钼量约小于7．5％，双相不锈钢中约小于 4％。

氮：氮增加奥氏体和双相不锈钢的抗孔蚀和缝隙腐蚀的能力。它能显著地提高钢的强度，它是固溶强化最有效的一个元素。氮在提高钢的强度的同时，还能增加奥氏体和双相不锈钢的韧性。氮延缓金属间相的形成，使得双相不锈钢有足够的时间进行加工和制造。氮加入至具有高耐蚀性的奥氏体和双相不锈钢中，这样也可抵消因含高铬和钼所带来的易形成σ相的倾向。

氮是强烈的奥氏体形成元素，在奥氏体不锈钢中能部分代镍。双相不锈钢中一般加入几乎接近溶解度极限的氮量，和用以调整达到相干衡的镍量。铁素体形成元素铬和钼与奥氏体形成元素镍和氮需达到平衡，才能获得期望的双相组织。

镍：镍是稳定奥氏体的元素。铁基合金中添加镍可促使不锈钢从体心立方晶体结构 (铁素体)转化为面心立方晶体结构(奥氏体)。铁素体不锈钢含较少或不含镍，双相不锈钢含居中的镍，例如4％一7％，而300系奥氏体不锈钢至少含有8％的镍。在奥氏体不锈钢中添加镍可延缓有害金属间相的形成，但是在双相不锈钢中镍的延缓作用远不如氮有效。奥氏体不锈钢具有极佳的韧性，双相不锈钢中有近一半是奥氏体组织，相对铁素体不锈钢而言，这显著地增加了钢的韧性。(未完待叙)