双相不锈钢的制造实用指南(二)

4  双相不锈钢的冶金学

Pe?Cr?Ni合金三元相图可说是双相 不锈钢冶金行为的指路图。从含68％Fe的 三元截面图可看出：这些合金的凝固 态是铁素体，当温度下降至1000℃左右时， 部分铁素体会转变成奥氏体，转变的多少取 决于合金的成分。在较低温度下，处于平衡 态时的铁素体和奥氏体，两相的比例改变较 少。从还可看出加氮后相图的变化。从 热力学观点看，因这部分奥氏体是由铁素体 转变成的，它不可能在短时就达到平衡态，那 么，当继续冷却至较低温度时，碳化物、氮化 物、σ相以及其他金属间相都有可能析出。

冶金产品中铁素体和奥氏体的相对数量与其化学成分和热处理过程有关。如相图所 指，较小的成分变化即会带来两相相对数量 (体积分数)的较大变化。为达到使双相不锈 钢具有理想的两相比例的目的，首先要注意 调整铬、钼、镍和氮的含量，其次要注意热处 理过程的控制。由于能转变成奥氏体的铁素 体数量取决于冷却速度，高温下的冷却速度 将会影响两相间数量的变化。快速冷却有利 于保留铁素体，因此，有可能比平衡状态下更 多的铁素体被保留下来。例如，采用低热输 入来焊接大截面的产品，在HAZ(热影响区) 即可能得到过量的铁素体。

氮的另一有效作用是提高了奥氏体开始 转变成铁素体的温度，因此，即使在快速冷却条件下，奥氏体量也几乎能达到平衡状态时的水平。对第二代双相不锈钢而言，这将会减少HAZ的过量铁素体问题。

因为σ相的形成温度低于冷却时铁素体再转变成奥氏体的温度，为避免冶金产品中出现口相，可选择居中的冷却速度，它既能有利于高温下奥氏体的再形成，也能有利于阻止较低温度下σ相的形成。有幸，采用水淬可达到这一目的。仅仅当采用低热输入焊接有较悬殊的变截面或大截面的产品时，以及在实际制造中，过快的淬火有可能会带来问题。

双相不锈钢中的α'相也是一个稳定相，它在低于525℃的铁素体相中形成，其形成机制同于全铁素体不锈钢中的α'相。在 475℃左右的温度长期保温后α'相能引起铁素体不锈钢的常温韧性丧失；这就是已知的 475℃脆性。

在不锈钢中，氮作为一个合金元素意味着在焊件的热影响区沿铁素体一铁素体的晶界和奥氏体一铁素体的相界可能出现铬的氮化物。它的数量很大，尤其退火时间短，贫铬区来不及补偿失去的铬的时候，氮化铬的出现可使钢的耐蚀性下降。不过，由于较高的氮能促使奥氏体的形成，氮在奥氏体中的溶解度高，第二代双相不锈钢很少含有较大量的氮化铬。此外，第二代双相不锈钢都有很低的含碳量，因此，碳化物的有害影响在实际当中并不是要考虑的问题。

在某一温度时，有害的σ相、α'相以及碳化物和氮化物相在数分钟内即可形成，因此，加工和制造以及使用时的热处理必须要考虑铁素体分解的动力学曲线以保证获得所需要的耐蚀性和力学性能。现已开发的一些牌号都力求有最好的耐蚀性和阻止有害相的析出，并能够顺利地进行制造。

图4为2304、2205、2507双向不锈钢的等温析出图（即铁素体分解的动力学曲线）。铬的碳化物和氮化物在某一温度(即曲 线的“鼻子尖”处的温度)开始析出的时间是 相对较慢的，也就1～2分钟。双相不锈钢比 铁素体不锈钢或高合金奥氏体不锈钢析出要 慢，这部分可归结于碳和氮元素在低镍奥氏 体相中的溶解度高，有可能氮延缓了碳化物 的析出。得出的结论是：双相不锈钢牌号相 对地抗敏化能力要强。这些牌号中碳化物和 氮化物的形成不同程度地受到铬、钼及镍诸元素的影响，因此，所有双相不锈钢牌号的动力学曲线都与2205钢的曲线相类似。σ相和χ相几乎与碳化物和氮化物在相同的时间内析出，只是析出的温度略高。在铁素体相内α'相的析出量大，它使铁素体相硬化和脆化，幸而双相不锈钢中含有50％的奥氏体，它所带来的危害远不及对铁素体钢的影响。α'相析出造成韧性的损失要慢于硬化的速度。另一结论是：在制造时很少考虑。α'相脆性问题。然而，使用的上限温度要受到α'相析出的控制。

因为长时间高温下使用能使钢的室温韧性丧失，压力容器设计规范已确立了最大许用设计应力下的使用温度上限值。德国 TüV规范区别对待了焊接和非焊接结构件，它的温度上限值比ASME锅炉和压力容器规范中订的要保守。压力容器设计规范中制订的各种双相不锈钢的温度极限值见表2。

表3综合了双相不锈钢的一些重要析出反应和析出的温度范围。

表2 压力容器规范中双相不锈钢的上限温度极限（相对最大许用应力值）

表3 双相不锈钢中析出反应和其他特征反应的典型温度

5 耐蚀性能

双相不锈钢在绝大多数标准奥氏体不锈钢应用的场合都显示出高的耐蚀性能，值得注意的是它们在某些情况下具有非常明显的优势，这是由于它们含铬量高，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。双相不锈钢相对较高的铬、钼和氮含量也使它们具有很好的耐氯化物孔蚀和缝隙腐蚀性能，其双相结构在可能发生氯化物应力腐蚀断裂的场合是一个优势，如果双相不锈钢的显微组织中含有至少 25％或30％的铁素体，则其耐氯化物应力腐蚀断裂的性能远比304或316不锈钢强。但铁素体易发生氢脆，因此双相不锈钢在氢有可能进入金属的环境或应用中耐蚀性不高。

5．1  耐酸腐蚀性能

介质条件从低酸浓度的氧化性环境到高浓度的弱还原性环境及强还原性中等浓度范围的热溶液不等。2205和2507双相不锈钢在酸浓度最大约15％的溶液中，性能优于许多高镍奥氏体不锈钢，在酸浓度至少为40％的范围内，双相钢优于316或317不锈钢。双相不锈钢在含氯化物或氧化性组分的硫酸溶液中也很有用。双相不锈钢的含镍量不足以耐受中等浓度硫酸溶液或盐酸的强还原性腐蚀，如果存在酸浓缩的可能如在水管或飞溅区，则腐蚀尤其是铁素体的腐蚀就会开始并快速进展。双相不锈钢耐氧化性腐蚀的性能使它们成为硝酸和强有机酸装置优良的候选材料，50％醋酸和不同含量甲酸混合溶液中双相不锈钢和奥氏体不锈钢的腐蚀，尽管304和316不锈钢可用于室温和中等温度下的强有机酸介质，但2205和其他双相不锈钢在许多涉及高温有机酸介质的工艺中占优势，而且由于它们耐孔蚀和耐应力腐蚀，也可用于卤代烃(含卤族元素的碳氢化合物)工艺介质中。

5．2  耐碱腐蚀性能

双相不锈钢的高含铬量和铁素体相的存在使其在碱性介质中具有良好的性能。在中等温度下，其腐蚀速度低于标准奥氏体不锈钢的腐蚀速度。

5．3  耐孔蚀和耐缝隙腐蚀性能

讨论不锈钢的孔蚀和缝隙腐蚀的耐蚀性，引入腐蚀临界温度这一概念是有用的。在特殊的氯化物环境中，每一种不锈钢都可用一温度来描述其特征，高于此温度孔蚀开始出现，并且24小时之内可发展成肉眼可见的大小；低于此温度则在无限长的时间内不会产生孔蚀。这一温度即所谓的临界孔蚀温度(CPT)。由于孔蚀源的起点从统计学上看是无序的，又由于即使同一牌号内的或是产品内的微小变化都会使CPT改变，因此，对于不同牌号的CPT通常以一个温度范围来表示。现在在ASTM G 150标准中采用电位测量法可以准确和可靠地测量出CPT。

缝隙腐蚀也有一个类似的临界温度，称为临界缝隙腐蚀温度(CCT)。CCT与不锈钢不同试样、氯化物环境和缝隙的形状(缝隙宽度，深度等)有关。由于缝隙的几何形状以及实际中很难再现同样缝隙的尺寸，CCT的测量数据要比CPT更分散。通常对于同样的钢和在同样的腐蚀环境中CPT往往比 CPT低15?20℃。

双相不锈钢中的高铬、钼和氮使其在水 的环境中具有非常好的耐氯化物局部腐蚀性 能。在这方面，即使是极低合金化的双相不 锈钢牌号也优于316型钢，一些牌号甚至跻 身于高性能不锈钢的行列，如图7所示。材 料焊接态的临界温度要低一些。较高的临界 孔蚀和缝隙腐蚀温度表明该钢对这种类型腐 蚀的成核具有较大的抗力。2205钢的CPT 和CCT都高于316型钢。这使2205钢成为 有多力面用途的材料，例如用在氯化物的蒸 发浓缩的环境，像在热交换器的蒸汽空间或 绝缘材料的下面。2205钢的CPT还表明它 可用在碱水和脱气盐水中。它还成功地用于 海水中，通过高流速的海水或用其他方法来 保持钢表面没有沉积物。在苛刻的海水使用 条件下，如薄壁热交换器管，或表面有沉积物 或有缝隙，2205钢在海水中则没有足够的耐缝隙腐蚀能力。然而，比2205钢具有更高 CCT高合金化的双相不锈钢，如超级双相不锈钢，已经在许多苛刻的海水条件下使用，它既需要钢的强度又要有耐氯化物的能力。

因为CPT是材料和特殊环境的函数，有可能进行单独组元作用的研究。采用回归分析法得出钢的成分与CPT(用ASTM G 48A 法测定)的关系式。结果显示只有铬、钼和氮对CPT有影响。关系式如下：

CPT=常数+(％Cr+3．3*％Mo+16 *％N)

式中三个元素乘以各自的回归常数之和 即通常称之为孔蚀抗力当量值(PRE)。

根据PRE的大小可以给本系列的钢种进行排队。但也不要对这关系式过分依赖，式中合金元素是按自变量来处理的，实际上并非完全如此，像元素的协同作用，如铬和钼，就被忽略。另外，此关系式只是针对理想状态的材料，没有涉及金属间相，非金属相或不恰当的热处理对耐蚀性有不利的影响。

5.4  耐应力腐蚀断裂性能

双相不锈钢最早期的某些应用是基于它们耐氯化物应力腐蚀断裂(SCC)的性能。与具有类似耐氯化物孔蚀和缝隙腐蚀性能的奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢表现出明显优越的耐应力腐蚀断裂性能。双相不锈钢在化学加工工业的许多应用都是在有很大的应力腐蚀断裂危险的场合，代替奥氏体不锈钢的使用。然而，和其他所有材料一样，双相不锈钢在特定条件下也会发生应力腐蚀断裂，这种情况可能发生于高温、含氯化物的环境或存在促使氢致断裂的介质条件。双相不锈钢可能会发生应力腐蚀断裂的环境条件如 42％的沸腾氯化镁溶液试验，金属处在高温下的液滴蒸发试验及加压状态下温度高于常压下温度的加压含水氯化物系统。

图8给出了若干轧制退火的双相不锈钢和奥氏体不锈钢在苛刻的氯化物介质中的相对耐氯化物应力腐蚀断裂性能。得出这些数据的液滴蒸发试验腐蚀条件很苛刻，因为试验进行的温度是120℃(248°F)的高温，并且氯化物溶液由于蒸发而浓缩。试验中两种双相不锈钢2205和2507最终在所受应力达到其屈服强度的某一百分比时发生断裂，但这一百分数比316不锈钢相应的百分比值高得多。由于双相钢在常压下能够耐氯化物水溶液的应力腐蚀断裂，例如耐隔层下腐蚀，所以在已知304和316不锈钢会发生断裂的氯化物介质中，可以考虑使用双相不锈钢。表4总结了在不同腐蚀程度的各类试验介质中，几种不锈钢的氯化物应力腐蚀断裂行为。表左右两侧介质分别由于含有酸性盐和温度高，介质条件苛刻。表中间的介质条件不那么苛刻。含钼量小于4％的标准奥氏体不锈钢在所有这些条件下均发生氯化物应力腐蚀断裂，而双相不锈钢能够耐受上述中间范围的温和介质条件。

表4 非焊接的双相不锈钢和奥氏体不锈钢在加速实验室试验中的耐应务腐蚀断裂性能比较

*?预计会发生断裂  /?可能发生断裂  - ?预计不会发生断裂  ?数据不足

耐氢诱生应力腐蚀是一个综合的功能，不仅与铁素体含量有关，而且与强度、充氢条件、温度、外加应力等有关。双相不锈钢尽管对氢断裂敏感，但只要仔细估计和控制操作条件，在含氢介质中仍可以利用其强度优势。这些应用中最著名的是输送盐水和略带酸性气体的混合物高强度管道。图9说明了2205双向不锈钢在含氯化钠的酸性介质中对腐蚀免疫和敏感的范围。（未完待叙）