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双相不锈钢的使用指南

焊割在线 2020-09-08 15:02:54
1、双相不锈钢的原理


双相不锈钢的概念可追溯到上世纪20年代,第一炉双相不锈钢是1930年在瑞典的阿维斯塔生产的。但是,真正意义上的大量生产双相不锈钢是近30年的事情。这主要是得益于炼钢技术,特别是氮含量控制技术的进步。相对来说,像304(1.4301)这种标准奥氏体钢和430铁素体不锈钢的生产和加工容易。这些不锈钢正如其名称所示,结构主要为一个相,奥氏体或铁素体。虽然这两种钢的用途很广,但在技术上有重大缺陷:


奥氏体——强度低(在固溶条件下屈服强度200MPa),耐应力腐蚀裂纹性能差。

铁素体——强度低(强度稍高于奥氏体,屈服强度250MPa ),厚断面时焊接性能差,低温韧性差。

另外,奥氏体不锈钢中的镍含量高,导致价格波动大,不受最终用户欢迎。双相不锈钢的基本理念是找出一种化学成分,使钢中的铁素体和奥氏体含量大致相等。这种相平衡的好处有:


•  强度更高——当代双相不锈钢的屈服强度范围从400MPa到550MPa。由于强度高,可降低材料的断面厚度,因此可降低材料的使用重量。这对压力容器、存储罐以及桥梁等的结构用途特别有意义。


•  厚断面的焊接性能良好——尽管双相不锈钢的焊接性能比不上奥氏体不锈钢,但比铁素体不锈钢好得多。


•  韧性好——双相不锈钢的韧性远优于铁素体,特别是在-50℃到-80℃的低温条件下更是如此。


•  耐应力腐蚀裂纹——标准奥氏体不锈钢非常易于产生这种腐蚀。需要这种性能的用途有:热水箱、酿酒罐、工艺装置、游泳池结构。



2、奥氏体和铁素体的平衡如何达到


要了解双相不锈钢是如何达到预期的效果的,首先就要比较一下大家所熟悉的两种不锈钢,奥氏体304(1.4301)和铁素体430(1.4016)不锈钢(见表1所示)。


不锈钢中的重要元素可分为铁素体促进剂和奥氏体促进剂。每种元素都有助于一种组织形成。铁素体促进剂——Cr(铬),Si(硅),Mo(钼),W(钨),Ti(钛),Nb(铌)。奥氏体促进剂——C(碳),Ni(镍),Mn(锰),N(氮),Cu(铜)。


430钢种的成分以铁素体促进剂为主,所以组织为铁素体。由于304中含8%左右的镍,所以主要为奥氏体。要使双相不锈钢中的铁素体和奥氏体各占50%左右,那么,奥氏体促进剂和铁素体促进剂之间就要达到平衡。这就是为什么双相不锈钢中的镍含量比奥氏体不锈钢中的镍含量要低的原因。双相不锈钢的典型化学成分见表2所示。


为了把钢种的镍降到非常低的水平,在最近开发的新双相不锈钢钢种的成分中添加了氮和锰。这可以显著地降低双相不锈钢的销售价格。目前,人们仍在大力开发双相不锈钢。因此,各钢铁生产公司都在推出自己品牌的双相不锈钢。大家都认为,目前市场上的双相不锈钢种类非常多。当然,在“霸主”出现前这种情况会持续下去。



3、双相不锈钢的耐腐蚀性


双相不锈钢的耐腐蚀性能与奥氏体和铁素体不锈钢相当。现在没有衡量耐腐蚀性能的单一标准。然而,人们常用耐点蚀当量(PREN)来对钢种进行分类。


PREN=%Cr+3.3×%Mo+16×%N


表3所示为双相不锈钢与一些奥氏体和铁素体不锈钢的比较。这里要强调指出的是,该表仅是选择材料的指南。重要的是根据腐蚀环境的情况来评估特定钢种的适用性。


4、应力腐蚀裂纹(SCC)


应力腐蚀裂纹是腐蚀的一种,是由于下列综合原因产生的:


•  拉伸应力

•  腐蚀环境

•  高温


一般50℃,但是在特定环境下,在温度较低(25℃)的情况下,如游泳池中,也产生应力腐蚀裂纹。不幸的是,标准奥氏体不锈钢如304(1.4301)和316(1.4401)特别易产生应力腐蚀裂纹。


下列材料不易产生应力腐蚀裂纹:


•  铁素体不锈钢

•  双相不锈钢

•  高镍奥氏体不锈钢


由于双相不锈钢具有良好的耐应力腐蚀裂纹性能,是许多用途的首选材料,主要用途有:


•  热水箱

•  酿酒罐

•  海水淡化装置游泳池的不锈钢结构易产生应力腐蚀裂纹


游泳池的不锈钢结构严禁使用304和316。建造游泳池钢结构最好使用高镍奥氏体不锈钢,如6%Mo钢种。然而在有些情况下,可考虑使用双相不锈钢2205(1.4462)和超级双相不锈钢。


5、使用双相不锈钢的障碍


双相不锈钢具有强度高,耐腐蚀性能范围广,中等焊接性能的完善结合,似乎增加市场份额的潜力巨大。但是,充分理解双相不锈钢的局限性,清楚为什么总是小厂商参与双相不锈钢是相当重要的。在谈到成型和机加工时,高强度这种优点就成为了缺点。双相不锈钢的强度高,这使其韧性比奥氏体钢种低。因此,对成型性能要求高的用途,如制造洗涤槽就不能使用双相不锈钢。即使双相不锈钢的韧性足够,但材料的加工成型,如弯管,也需要更大的力。从冶金学角度来说,双相不锈钢比奥氏体和铁素体不锈钢复杂得多。


如果加工处理(主要是热处理)不正确,双相不锈钢除了奥氏体和铁素体外还会产生人们所不希望的其他的相。下图给出了两种最为重要的相。


图1 双相不锈钢转变曲线图


这两种相会导致脆裂, 也就是冲击韧性损失。在加工制造和焊接过程中,如果冷却速度不快的话,会形成σ相。钢的合金化程度越高,就越容易形成σ相。因此,超级双相不锈钢最易发生这种问题。475℃脆裂就是由于α′(Alpha prime)相的形成所致。虽然最坏的温度是475℃,但脆裂会从300℃的温度开始产生。这限制了双相不锈钢的最高使用温度。这也进一步限制了未来双相不锈钢的潜在使用范围。


6、双相不锈钢的性能总结


•  设计强度是奥氏体和铁素体不锈钢的两倍

•  耐腐蚀性能范围广

•  在-80℃时具有良好的韧性,但不适用于真正的低温用途

•  耐应力腐蚀性能佳

•  焊接厚断面时要小心谨慎

•  相对于奥氏体,双相不锈钢的成型和机加工困难

•  仅能用于300℃以下的温度



本文编辑:糖糖

◎本文来源于网络,由焊割在线整理发布。


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