1.4501欧洲标准EN10088-3耐腐蚀双相不锈钢盘条

历史发展

双相不锈钢从20世纪40年代在美国诞生以来，已经发展到第三代。它的主要特点是屈服强度可达400-550MPa，是普通不锈钢的2倍，因此可以节约用材，降低设备制造成本。在抗腐蚀方面，特别是介质环境比较恶劣（如海水，氯离子含量较高）的条件下，双相不锈钢的抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳性能明显优于普通的奥氏体不锈钢，可以与高合金奥氏体不锈钢媲美。

分类
双相不锈钢
类属低合金型，代表牌号UNS S32304（23Cr-4Ni-0.1N），钢中不含钼，PREN值为24-25，在耐应力腐蚀方面可代替AISI304或316使用。
第二类属中合金型，代表牌号是UNS S31803（22Cr-5Ni-3Mo-0.15N），PREN值为32-33，其耐蚀性能介于AISI 316L和6%Mo+N奥氏体不锈钢之间。
第三类属高合金型，一般含25%Cr，还含有钼和氮，有的还含有铜和钨，标准牌号UNSS32550（25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N），PREN值为38-39，这类钢的耐蚀性能22%Cr的双相不锈钢。
第四类属超级双相不锈钢型，含高钼和氮，标准牌号UNS S32750（25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N），有的也含钨和铜，PREN值大于40，可适用于苛刻的介质条件，具有良好的耐蚀与力学综合性 能，可与超级奥氏体不锈钢相媲美。

影响因素
影响双相不锈钢焊接质量的因素主要体现在以下几方面：含N量影响Gómez de Salazar JM等人研究了保护气体中 N2的不同含量对双相不锈钢性能的影响。结果表明，随着混合气体中 N2分压 PN2的增加，焊缝中氮的质量分数ω（N）开始迅速增加，然后变化很小，焊缝中的铁素体相含量φ（α）随ω（N）增加呈线性下降，但φ（α）对抗拉强度和伸长率的影响与ω（N）的影响刚好相反。同样的铁素体相含量φ（α），母材的抗拉强度和伸长率均焊缝。这是由于显微组织的不同所造成的。双相不锈钢焊缝金属中含 N 量提高后可以改善接头的冲击韧性，这是由于增加了焊缝金属中的γ相含量，以及减少了Cr2N 的析出。热输入影响与焊缝区不同，焊接时热影响区的ω（N）是不会发生变化的，它就是母材的ω（N），所以此时影响组织和性能的主要因素是焊接时的热输入。根据文献 ，焊接时应选择合适的线能量。焊接时如果热输入太大，焊缝热影响区范围增大，金相组织也趋于晶粒粗大、紊乱，造成脆化，主要表现为焊接接头的塑性指标下降。如焊接热输入太小，造成淬硬组织并易产生裂纹，对HAZ的冲击韧性同样不利。此外，凡影响冷却速度的因素都会影响到 HAZ 的冲击韧性，如板厚、接头形式等。σ相脆化国外文献介绍了再热引起的双相不锈钢及其焊缝金属的σ相脆化问题。母材和焊缝金属的再热过程中，先由α相形成细小的二次奥氏体γ*，然后析出σ相。结果表明，脆性开裂都发生于σ相以及基体与σ相的界面处，对母材断口观察表明，在σ相周围区域内都为韧窝，由于α相区宽，大量生成的σ相才会使韧性降低，然而在焊缝中α相区是细小的，断口仍表现为脆性断裂，只要少量的σ相生成就足以引起焊缝金属韧性的降低，因此，焊缝金属中的σ相脆化倾向比母材要大得多。氢致裂纹双相不锈钢焊接接头的氢脆通常发生于α相，且氢脆的敏感性随焊接时峰值温度的升高而增加。其微观组织的变化为：峰值温度增加，γ相含量减少，α相含量增加，同时由α相边界和内部析出的Cr2N 量增加，故极易发生氢脆。应力腐蚀开裂母材和焊缝金属中的裂纹都起始于α/γ界面的α相一侧，并在α相内扩展。奥氏体（γ）由于其固有的低氢脆敏感性，因此，可起到阻挡裂纹扩展的作用。由于DSS 中含有一定量的奥氏体，所以其应力腐蚀开裂倾向性较小。

工艺提升
1）合金元素和冷却速度
实验和理论计算表明：临界区加热后获得双相组织所需的临界冷却速率与钢中锰含量具有一定关系。其根钢中存在的合金元素，就可估算获得双相组织所需要的临界冷却速率，为热处理双相钢生产时，选择适当的冷却方法提供依据。
当钢的化学成分一定时，应在获得双相组织的前提下，尽可能采用较低的冷却速度，使铁素体中的碳有充分的时间扩散到奥氏体中，从而降低双相钢的屈服强度，提高双相钢的延性。如果钢中合金元素含量较4，临界冷却速度过高，冷却后铁素体中含有较高的固溶碳，不利于获得优良性能的双相钢，这时应改变钢的化学成分，增加钢中的合金元素含量，从而降低临界冷却速度，或者在双相钢的生产工艺中，加入补充回火工序，降低铁素体中的固溶碳，改善双相钢的性能。如果钢中含有强的碳化物形成元素，当估算临界冷却速率时，应考虑到这些元素对临界区加热时所形的奥氏体淬透性和有利影响，V和Ti的碳化物粒子可以通过相界面的钉扎作用提高奥氏体的淬透性，降低临界冷却速度.
2）两阶段冷却工艺
当钢中合金元素含量较低时，冷却速度较慢会得到铁素体加珠光体组织；冷却速度较快时，则铁素体中保留固溶碳较高，不利于降低屈服强度和提高延性。采用两阶段冷却可以改善双相钢的性能，即从临界区加热温度缓冷到某一温度，然后快冷。缓冷可以使铁素体中的碳向未转变的奥氏体富聚。而快冷则可以避免未转变的奥氏体等温分解，获得所需的双相组织和性能。例如0.08%C-1.4%Mn钢，从800℃；加热到水冷的力学性能为：σ0.2=365PMa，σb=700MPa，σ0.2/σb=0.52，eu=18%，et=21%。如采用两阶段冷却工艺，即在800℃；加热后，空冷到600℃；，然后水冷，其性能为：σ0.2=280MPa，σb=600MPa，σ0.2/σb=0.47，eu=21%，et=29%。两阶段冷却使双相钢的屈服强度降低，延性提高。
3）双相钢板热轧后盘卷温度的影响
对于一个给定成分的钢，临界区加热时奥氏体的淬透性可以通过钢板热轧后高温卷来修正。高温盘卷可使碳、锰等合金元素在第二组（珠光体或贝氏体）中明显富集。有利提高随后临界区处理时双相钢的综合性能。以0.049%C-1.99%Mn-0.028%Al-0.0019%N钢的试验结果为例，采用两种工艺过程：一种为普通扎制工艺，终轧温度900℃；→油冷到600℃；盘卷→吹风冷到室温→冷轧70%→连续退火。两种盘卷工艺的碳和锰分布的分析结果可见高温盘卷可使碳和锰在第二相中明显富集，而普通的轧制工艺锰基本无富集趋势。
用高温盘卷以修正合金含量较低的钢在随后临界区处理时的淬透性，并降低热处理双相钢的屈服强度，提高其延性的技术，已在有关工厂用于热处理双相钢的生产，所得到的热处理双相钢板综合性能良好，板材各部位的性能均匀，纵向、横向性能一致。例如对0.09%C-0.44Si-1.54%Mn-0.023%Al钢。

焊材选用要求
焊材要求焊材包括：①填充金属；②保护气体和背面保护气体。分述如下。在焊态下使用的焊接结构，其焊缝金属与母材相比应是合金元素镍含量较高的。这是为了合适的铁素体和奥氏体的相比例。这一纯焊缝金属在焊态下，有这样的成分，即能在结晶后直接均匀地形成以奥氏体为主（30%～70%）的并含有铁素体的双相组织。当焊件可在1050～1100℃温度下退火时，应该选择与母材成分（Ni=55%～70%）相当的焊缝金属。在这种焊接工艺中，焊后占主要的铁素体基体转变形成了平衡的铁素体/奥氏体组织。焊接双相不锈钢和超级双相不锈钢的焊材均是配套设计的。手工焊用的涂药焊条既可以用钛型药皮焊条，也可以用碱性药皮焊条。碱性药皮的焊条对全位置的焊接更适宜一些，而铁型悍条工艺性优良，在几乎所有的实际应用中都可获得满意的效果。采用填充焊丝和其他焊接方法（GTAW、GMAW、SAW）熔敷的焊缝金属与焊丝有类似的化学成分。焊材要求示意图(3张)保护气体适用于各种气体保护焊方法。双相不锈钢的配套焊接材料背面保护气体用于单面焊的焊管内部气体保护，即可以用于工业纯氩气，也可以用于高纯度氩气（99.99%）。在所有情况下，气体都应该干燥（PrEN439：除CO2外，所有气体大不超过40ppm露点高-50℃，CO2中的水分大不超过200ppm，露点高为-35℃），因该采取各种措施避免水分侵入保护气体中。保护气体和背面保护气体对焊缝金属的含氮量有影响。由于保护气体中的N2分压低，可能从焊缝熔池中扩散出N2，从而使焊缝金属氮量降低，大可减少0.05%N2。存在这种危险时，在保护气体和背面保护气体中加入5%N2，以防止焊缝金属N2损失。
焊材选用
双相不锈钢用的焊材，其特点是焊缝组织为奥氏体占优的双相组织，主要耐蚀元素（铬、钼等）含量与母材相当，从而与母材相当的耐蚀性。为了焊缝中奥氏体的含量，通常是提高镍和氮的含量，也就是提高约2%~4%的镍当量。在双相不锈钢母材中，一般都有一定量的氮含量，在焊材中也希望有一定的含氮量，但一般不宜太高，否则会产生气孔。这样镍含量较高就成了焊材与母材的一个主要区别。根据耐腐蚀性、接头韧性的要求不同来选择与母材化学成分相匹配的焊条，如焊接Cr22型双相不锈钢，可选用Cr22Ni9Mo3型焊条，如E2209焊条。采用酸性焊条时脱渣优良，焊缝成形美观，但冲击韧性较低，当要求焊缝金属具有较高的冲击韧性，并需进行全位置焊接时，应采用碱性焊条。当根部封底焊时，通常采用碱性焊条。当对焊缝金属的耐腐蚀性能具有特殊要求时，还应采用超级双相钢成分的碱性焊条。对于实心气体保护焊焊丝，在焊缝金属具有良好耐腐蚀性与力学性能的同时，还应注意其焊接工艺性能，对于药芯焊丝，当要求焊缝成形美观时，可采用金红石型或钛钙型药芯焊丝，当要求较高的冲击韧度或在较大的拘束度条件下焊接时，宜采用碱度较高的药芯焊丝。对于埋弧焊宜采用直径较小的焊丝，实现中小焊接规范下的多层多道焊，以防止焊接热影响区及焊缝金属的脆化，并采用配套的碱性焊剂。

一般认为，双相不锈钢的相平衡比例为30%~70%的铁素体比奥氏体时，可以获得良好的性能。但双相不锈钢常常被认为是铁素体和奥氏体大致各占一半，在目前的商品化生产中，为了获得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和制造的双相组织，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x相，并在铁素体相内析出，氮的添加大大延迟了这些相的形成。因此在固溶体中你持足够量的氮是很重要的。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。

双相不锈钢冶金学
Fe-Cr-Ni合金三元相图是双相不锈钢冶金行为的指路图。从铁含量为68%处的三元截面图(图3)可以看出:这些合金以铁素体(α)凝固，当温度下降至1000℃(1832°F)左右时，部分铁素体会转变成奥氏体(γ)(取决于合金成分)。在较低温度下，处于平衡态的铁素体和奥氏体几乎没有进一步的改变。从图3还可看出增加氮的影响。从热力学观点看，因这部分奥氏体是由铁素体转变而来的，合金不可能跳过奥氏体的平衡态。然而，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成为可能的显微结构组分。氮的另一有效作用是提高了奥氏体开始从铁素体转变的温度，见图3，提高了铁素体转变为奥氏体的比例。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，这效应会减少 HAZ 铁素体过量的问题,”

双相不锈钢的耐腐蚀性能
双相不锈钢在绝大多数标准奥氏体不锈钢应用的环境都显示出高的耐蚀性能，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点蚀和缝隙腐蚀性能，其双相结构在可能发生氯化物应力腐蚀断裂的环境是一个优势。如果双相不锈钢的显微组织中含有至少 25%到 30%的铁素体，则其耐氯化物应力腐蚀断裂的性能远比奥氏体不锈钢 304 或316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，会发生氢脆。

耐碱腐蚀

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。

耐点蚀和缝隙腐蚀

需要先了解的概念：

1）在特殊的氯化物环境中，每一种不锈钢都可用一个温度来描述其特征，此温度点蚀开始出现，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点蚀。这一温度即所谓的临界点蚀温度(CPT)，对于不同牌号的 CPT 通常以一个温度范围来表示。

2）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特性(紧度，长度等)有关。

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大大优于316型不锈钢。根据合金含量，一些双相不锈钢牌号甚至路身于不锈钢的行列。由于双相不锈钢的铬含量相对高，从而具有高耐蚀性而且非常经济。

图7给出了按照 ASTM G 48 (6%FeCl;)测定的一些不锈钢在固溶处理状态下的耐点蚀和缝隙腐蚀性能的比较。材料焊接态的临界温度要低一些。较高的临界点蚀或缝隙腐蚀温度表明该钢对这种类型腐蚀源具有较大的抗力。2205 钢的CPT和 CCT 都大大316 型钢。这使2205钢成为有多方面用途的材料，例如用在由于蒸发而使氯化物浓缩的环境，像在热交换器的蒸汽空间或隔热层的下面。2205 钢的CPT还表明它可用在碱水和脱气盐水中。它还成功地用于脱气海水中，在这些应用中，通过高流速的海水或用其他方法使钢的表面没有沉积物。在苛刻的应用中，如薄壁热交换器管，或表面有沉积物或有缝隙时，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的高合金化双相不锈钢，如超级双相不锈钢，已经在许多苛刻的海水条件下使用，在这些环境下，既需要钢的强度又要有耐氯化物的能力。