雙相不銹鋼的性能與應用

雙相鋼--基本組織性能及用途

奧氏體+鐵素體雙相不銹鋼是指不銹鋼中既有奧氏體（γ相）又有鐵素體（α相）組織結構的鋼種，而且此二相組織要獨立存在，含量都較大，一般認為最少相的含量應大于15%。而實際工程中應用的奧氏體+鐵素雙相不銹鋼（習慣稱α+γ雙相不銹鋼或雙相不銹鋼）多以奧氏體為基并含有不小于30%的鐵素體，最常見的是兩相各約占50%的雙相不銹鋼。在含C較低的情況下，Cr含量在18%~28%，Ni含量在3%~10%。有些鋼還含有Mo、Cu、Nb、Ti，N等合金元素。該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點，與鐵素體相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時還保持有鐵素體不銹鋼的475℃脆性以及導熱系數(shù)高，具有超塑性等特點。與奧氏體不銹鋼相比，強度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應力腐蝕有明顯提高。雙相不銹鋼具有優(yōu)良的耐孔蝕性能，也是一種節(jié)鎳不銹鋼。雙相不銹鋼英文簡寫是DSS(Duplex Stainless Steel)。

由于具有α+γ雙相組織結構，雙相不銹鋼兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特點。與鐵素體不銹鋼相比，α+γ雙相不銹鋼的韌性高，脆性轉變溫度低。耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高；同時又保留了鐵素體不銹鋼的一些特點，如475℃脆性、導熱系數(shù)高、線膨脹系數(shù)小、具有超塑性、有磁性等。與奧氏體不銹鋼相比，α+γ雙相不銹鋼的強度高，特別是屈服強度顯著提高，且耐晶間腐蝕、耐應力腐蝕、耐腐蝕疲勞等性能有明顯的改善。

α+γ雙相不銹鋼又分為Cr-Ni型和Cr-Mn-N型。目前實際工程最常用的α+γ雙相不銹鋼是Cr-Ni型，可分為四類，低合金型（如SAF2304）、中合金型(如ASF2205、A903)、高合金型（如255、UR52N）及超級雙相不銹鋼型（如Zeron 100、SAF2507）。

α+γ雙相不銹鋼的性能主要受α和γ相比例影響，研究結果表明：α和γ相各占50%時，α+γ雙相不銹鋼具有良好的耐腐蝕性能和焊接性能。在平衡狀態(tài)下，α+γ雙相不銹鋼兩相比例主要是由鋼中合金元素的含量來決定的即由鉻當量（Creq ）和鎳當量（Nieq ）來決定的。當雙相不銹鋼加熱溫度足夠時，就會發(fā)生γ-α轉變，當達到1200~1300℃時，，急冷時某些鋼種可以呈現(xiàn)單相鐵素體，冷卻速度較慢時，析出的奧氏體量仍有可能不完全。在重新熱處理后，新析出的奧氏體稱為二次奧氏體γ2,析出速度相當快，其形態(tài)呈針狀或羽毛狀。二次奧氏體量隨回火溫度的提高和保溫時間的延長而逐漸增加，而且體積也長大，這種狀態(tài)的α+γ雙相組織一般比較粗大，性能不好。
       當加熱溫度低于1050℃時，碳化物可在α-γ相界上形成，由于有相對高鉻的鐵素體供鉻，相對高碳的奧氏體供碳，最易形成Cr23C6 型碳化物。碳化物的長大消耗了相鄰區(qū)域的鉻量，加之鉻在鐵素體中的擴散速度很快，于是，這部分原來為鐵素體隨即轉變?yōu)閵W氏體，這樣便形成了碳化物和奧氏體的聚集區(qū)。由于雙相不銹鋼絕大部分為超低碳，所以能析出的碳化物有限，尚不足以在α-γ晶間（相界）上形成網狀碳化物。因此，對超低碳雙相不銹鋼而言，一般不必擔心碳化物析出帶來的危害。合金元素的含量直接影響到雙相不銹鋼的相比例和有關性能。Ni的主要作用是調整雙相不銹鋼有一個合理的相比例。N是強烈形成奧氏體的元素，在雙相不銹鋼中，高溫時N穩(wěn)定奧氏體的能力也比Ni大，N還能提高雙相不銹鋼的耐孔蝕和縫隙腐蝕性能。Cr是保證雙相不銹鋼有合理相比例的主要鐵素體形成元素，隨著Cr含量的增加，雙相不銹鋼耐蝕性也提高.Mo是鐵素體形成元素，Mo能提高雙相不銹鋼的耐孔蝕和縫隙腐蝕性能，但Mo含量較高時，會增加鋼的脆性。W是鐵素體形成元素，W能提高雙相不銹鋼的耐孔蝕和縫隙腐蝕性能。Cu能提高鋼在還原性介質中的耐蝕性。在氯化物環(huán)境中影響孔蝕主要合金元素是Cr、Mo和N，為了描述合金元素含量與腐蝕性能之間的關系，學者們建立了數(shù)學關系式，其中應用最普遍的是稱之為孔蝕當量值（PRE）或稱孔蝕指數(shù)的數(shù)學關系式：  PRE(PREN)=%Cr+3.3x%Mo+Xx%N
（其中 x =10~30，通常 X=16）
只考慮Cr、Mo和N的影響時，可表示為PREN?？紤]W的影響時，表示為PREW；考慮Mn的影響時，表示為PRE Mn；考慮S P 的影響時，表示為PRE(S+P)。
PREW=%Cr+3.3x(%Mo+0.5%w)+16x%N
PRE Mn=%Cr+3.3x%Mo+30x%N-%Mn
PRE(S+P)=%Cr+3.3x%Mo+30x%N-123 x%(S+P)

雙相不銹鋼2205是一種鐵素體-奧氏不銹鋼。它綜合了鐵素體和奧氏體最有益的性能，具有很好的抗氯離子應力腐蝕開裂，比317L有更好的抗氯離子點蝕和縫隙腐蝕能力，很好的抗普通腐蝕的能力，很好的抗硫化物應力腐蝕能力。  
由于該鋼鉻和鉬的含量都很高，因此具有極好的抗點腐蝕和均勻腐蝕的能力。雙相頭微組織保證了該鋼具有很高的抗應力腐蝕破裂的能力，同時機械強度也很高。 
雙相不銹鋼2205的應用領域：造紙工業(yè)設備，食品工業(yè)加工設備，火電廠煙氣脫硫設備，海上石油平臺（熱交換器管，水處理和供水系統(tǒng)，消防系統(tǒng)，噴水系統(tǒng)，穩(wěn)水系統(tǒng)），脫鹽（淡化）設備（Ro設備中的高壓管，海水管）等特殊化工環(huán)境設備，油田管道和設備，其他化工設備。 用于煉油, 化肥,造紙,石油,化工 等耐海水耐高溫濃硝酸等 的熱交換器和冷淋器及器件。

雙相不銹鋼2205(00Cr22Ni5Mo3N,S31803)的化學成份% 

C≤0.023   Si≤0.4  Mn≤0.87   P≤0.023   S≤0.001    Cr:22~26     Ni: 5~5.94    N≤0.16

雙相不銹鋼2205(00Cr22Ni5Mo3N,S31803)的機械性能 

牌號 溫度/狀態(tài) 屈服強度σb≥(MPa) 

抗拉強度 σ0.2 ≥(MPa) 伸長率 δ

雙相不銹鋼的主要代表牌號

    一般可分為四類:

      低合金型--代表牌號是UNS S32304（23Cr-4Ni-0.1N）

                      PREN值24～25

      中合金型--代表牌號是UNS S31803（22Cr-5Ni-3Mo-0.15N）,

                      PREN 值32～ 33

      高合金型--標準牌號有UNS S32550（25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N）,

                      PREN 值38～39

      超級雙相不銹鋼型--標準牌號有UNS S32750（25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N）,

                      PREN值＞40      

    (※ PREN 耐孔蝕指數(shù)       PREN=Cr%+3.3×Mo%+16×N%) 

  低合金型UNS S32304不含鉬, 在耐應力腐蝕方面可代替AISI304或316使用.

  中合金型UNS S31803的耐蝕性能介于AISI 316L和6%Mo+N奧氏體不銹鋼之間.

  高合金型,一般含25%Cr,還含有鉬和氮,有的還含有銅和鎢,這類鋼的耐蝕性能高于22%Cr的雙相不銹鋼.

  超級雙相不銹鋼型,含高鉬和氮,有的也含鎢和銅 , 可適用于苛刻的介質條件,具有良好的

耐腐蝕與力學綜合性能,可與超級奧氏體不銹鋼相比美.

                    代表牌號的主要化學成分

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雙相不銹鋼化學成分,% 

類型       UNS 牌號    C        Cr    Ni    Mo    Cu         N  

低合金型   S32304     ≤0.03       23    4     5              0.05/0.20 

中合金型   S31803     ≤0.03       22    5     3              0.08/0.20 

中合金型   S32205     ≤0.03       22    5     3              0.14/0.20 

高合金型   S32550     ≤0.04       25    6     3    1.5-2.5    0.10/0.25 

超級DSS   S32750    ≤ 0.03        25    7    4    0.5最大   0.24/0.32 

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從表中可以看出: S 32205是由S31803派生出的鋼種, 在ASTM A 240/240M-99a標準中是在1999年才納標的,它的Cr、Mo和N元素的區(qū)間都比較窄,容易達到相的平衡(即兩相約各占一半), 改善了鋼的強度,耐腐蝕性和焊接性能,多用于性能要求較高和需要焊接的材料,如油氣管線等.