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双相不锈钢的种类/牌号、性能特点、及焊接特点介绍
2016-03-04 15:18:24
 

    双相不锈钢(Duplex Stainless Steel,简称DSS),指铁素体与奥氏体各约占50%,一般较少相的含量最少也需要达到30%的不锈钢。在含C较低的情况下,Cr含量在18%~28%,Ni含量在3%~10%。有些钢还含有Mo、Cu、Nb、Ti、N等合金元素。

    该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点,与铁素体相比,塑性、韧性更高,无室温脆性,耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高,同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高,具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比,强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能,也是一种节镍不锈钢。


双相不锈钢种类及牌号:

    第一类属低合金型,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,这类钢的耐蚀性能高于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。


双相不锈钢性能特点

    由于两相组织的特点,通过正确控制化学成分和热处理工艺,使双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点,它将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性和焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起,正是这些优越的性能使双相不锈钢作为可焊接的结构材料发展迅速,80年代以来已成为和马氏体型、奥氏体型和铁素体型不锈钢并列的一个钢类。双相不锈钢有以下性能特点:

(1)含钼双相不锈钢在低应力下有良好的耐氯化物应力腐蚀性能。一般18-8型奥氏体不锈钢在60°C以上中性氯化物溶液中容易发生应力腐蚀断裂,在微量氯化物及硫化氢工业介质中用这类不锈钢制造的热交换器、蒸发器等设备都存在着产生应力腐蚀断裂的倾向,而双相不锈钢却有良好的抵抗能力。

(2)含钼双相不锈钢有良好的耐孔蚀性能。在具有相同的孔蚀抗力当量值(PRE=Cr%+3.3Mo%+16N%)时,双相不锈钢与奥氏体不锈钢的临界孔蚀电位相仿。双相不锈钢与奥氏体不锈钢耐孔蚀性能与AISI 316L相当。含25%Cr的,尤其是含氮的高铬双相不锈钢的耐孔蚀和缝隙腐蚀性能超过了AISI 316L。

(3)具有良好的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能。在某些腐蚀介质的条件下,适用于制作泵、阀等动力设备。

(4)综合力学性能好。有较高的强度和疲劳强度,屈服强度是18-8型奥氏体不锈钢的2倍。固溶态的延伸率达到25%,韧性值AK(V型槽口)在100J以上。

(5)可焊性良好,热裂倾向小,一般焊前不需预热,焊后不需热处理,可与18-8型奥氏体不锈钢或碳钢等异种焊接。

(6)含低铬(18%Cr)的双相不锈钢热加工温度范围比18-8型奥氏体不锈钢宽,抗力小,可不经过锻造,直接轧制开坯生产钢板。含高铬(25%Cr)的双相不锈钢热加工比奥氏体不锈钢略显困难,可以生产板、管和丝等产品。

(7)冷加工时比18-8型奥氏体不锈钢加工硬化效应大,在管、板承受变形初期,需施加较大应力才能变形。

(8)与奥氏体不锈钢相比,导热系数大,线膨胀系数小,适合用作设备的衬里和生产复合板。也适合制作热交换器的管芯,换热效率比奥氏体不锈钢高。

(9)仍有高铬铁素体不锈钢的各种脆性倾向,不宜用在高于300°C的工作条件。双相不锈钢中含铬量愈低,σ等脆性相的危害性也愈小。

用途:用于炼油、化肥、造纸、石油、化工等耐海水耐高温浓硝酸等热交换器和冷淋器及器件。

 

双相不锈钢的焊接特点

    双相不锈钢其焊接特点如下:双相不锈钢在正常固溶处理(1020℃~1100℃加热并水冷)后,钢中含有大约50%~60%奥氏体和50%~40%铁素体组织。随着加热温度的提高,两相比例变化并不明显。

    双相不锈钢具有良好的低温冲击韧性,如20mm厚的板材横向试样在-80℃时冲击吸收功可达100J以上。在大多数介质中其耐均匀腐蚀性能和耐 点腐蚀性能均较好,但要注意,该类钢在低于950℃热处理时,由于σ相的析出,其耐应力腐蚀性能将显著变坏。由于该钢Cr当量与Ni当量比值适当,在高温 加热后仍保留有较大量的一次奥氏体组织,又可使二次奥氏体在冷却过程中生成,结果钢中奥氏体相总量不低于30%~40%因而使钢具有良好的耐晶间腐蚀性 能。

    另外,如前所述,在焊接这种钢时裂纹倾向很低,不须预热和焊后热处理。由于母材中含有较高的N,焊接近缝区不会形成单相铁素体区,奥氏体含量一般不低于30%。适用的焊接方法有钨极氩弧焊和焊条电弧焊等,一般为了防止近缝区晶粒粗化,施焊时,应尽量使用低的线能量焊接。


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 量的影响


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 长率均高于焊缝。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。


焊接热输入的影响

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。


焊缝的 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。


焊接头的氢致裂纹

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。


接头的应力腐蚀开裂

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。


焊接头的点蚀问题

耐点蚀是双相不锈钢的一个重要特性,与其化学成分和微观组织有着密切关系。点蚀一般产生于α/γ界面,因此被认为是产生于γ相和α相之间的γ* 相。这意味着γ*相中的含Cr量低于γ相。γ*相与γ相的成分不同,是由于γ* 相中 的Cr 和Mo含量低于初始γ相中的Cr、Mo含量。进一步研究表明,含N量较低的钢,其点蚀电位对冷却速度较为敏感。因此,在焊接含 N 量较低的双相不锈钢时,对冷却速度的控制要求更加严格。在双相不锈钢焊接过程中,合理控制焊接线能量是获得高质量双相不锈钢接头的关键。线能量过小,焊缝 金属及热影响区的冷却速度过快,奥氏体来不及析出,从而使组织中的铁素体相含量增多;如线能量过大,尽管组织中能形成足量的奥氏体,但也会引起热影响区内的铁素体晶粒长大以及σ相等有害相的析出。一般情况下,焊条电弧焊(Shieded Metal Arc Welding,SMAW)、钨极氩弧焊(Gas Tungsten Arc Welding,GTAW)、药芯焊丝电弧焊(Flux-Cored WireArc Welding,FCAW)和等离子弧焊(Plasma Arc Welding,PAW)等焊接方法均可用于双相不锈钢的焊接,且在焊前一般不需要采取预热措施,焊后也不需进行热处理


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