双相不锈钢加工制造实用指南(一）(不锈钢工业焊管焊管模具)
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本文导读目录：
双相不锈钢加工制造实用指南(一）
原标题：双相不锈钢加工制造实用指南(一）。
双相不锈钢的应用日益广泛，用户对这类不锈钢也越来越熟悉。
本文围绕双相不锈钢应用的难点之一加工和焊接，介绍了双相不锈钢的各种特性，给出了加工和焊接双相不锈钢的基本原则和实用信息。
双相不锈钢的制造加工与奥氏体不锈钢的制造加工有许多相似之处，但也有重要区别。
双相不锈钢的高合金含量和高强度等要求在制造工艺上作某些改变。
本文面向加工制造商和承担制造任务的最终用户，它提供了关于双相不锈钢加工制造的实用信息。
本文假定读者已具备不锈钢的加工制作经验，因此，给出了双相不锈钢和300系列奥氏体不锈钢及碳钢之间的性能和加工工艺的对比数据。
第一代双相不锈钢有良好的性能表现，但在焊接状态下有局限性。
焊缝的热影响区（HAZ）由于铁素体过多而韧性低，并且耐腐蚀性明显低于母材。
这些局限性使第一代双相不锈钢的应用，仅限于非焊接状态下的一些特定应用。
1968年不锈钢精炼工艺，即氩氧脱碳(AOD)的发明，使一系列新不锈钢钢种的产生成为可能。
AOD所带来的诸多进步之一便是合金元素氮的刻意添加。
双相不锈钢添加氮可以使焊接状态下HAZ的韧性和耐腐蚀性接近于母材的性能。
随着奥氏体稳定性的提高，氮还降低了有害金属间相的形成速率。
如同奥氏体不锈钢一样，双相不锈钢是一类按腐蚀特性排列的钢种，腐蚀性能取决于它们的合金成分。
双相不锈钢一直在不断发展，现代双相不锈钢可分为5种类型：。
标准双相不锈钢如2205，是主要的钢种，占双相钢用量的80%以上；。
超级双相不锈钢（PREN值40～45），含25％～26%Cr，与含25%Cr双相不锈钢如2507相比，钼和氮的含量增加；。
PREN点蚀当量数%Cr+3.3(%Mo+0.5%W)+16%N。
表1锻轧和铸造双相不锈钢的化学成分（重量％）。
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。
相和相在高铬、高钼不锈钢中形成，并优先在铁素体相内析出，氮的添加大大延迟了这些相的形成。
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。
2205双相钢（UNSS31803，表1）最初设定的成分范围过宽，经验表明，为了得到最佳的耐腐蚀性能及避免金属间相的形成，S31803的铬、钼和氮含量应保持在含量范围的中上限，由此引出了成分范围较窄的改进型2205双相钢UNSS32205（表1）。
S32205的成分就是今天商品化的2205双相不锈钢的典型成分。
在本文中，除非另有说明，通常2205指的就是S32205。
以下简单介绍几个最重要的合金元素对双相不锈钢的力学性能、物理性能和腐蚀特性的影响。
钼与铬的协同作用能提高不锈钢的耐点蚀的能力。
当不锈钢中铬含量至少为18％时，钼在含氯化物的环境中耐点蚀和缝隙腐蚀的能力是铬的三倍。
钼是铁素体形成元素，同时也增大了不锈钢形成金属间相的倾向。
因此，奥氏体不锈钢的钼含量通常小于约7.5％，双相不锈钢的钼含量小于4％。
氮是强奥氏体形成元素，在奥氏体不锈钢中能代替部分镍。
镍是稳定奥氏体的元素，镍促使不锈钢的晶体结构从体心立方结构（铁素体）转化为面心立方结构（奥氏体）。
铁素体不锈钢含极少的镍或不含镍，双相不锈钢含镍量为低至中等，如1.5%～7％，300系奥氏体不锈钢至少含有6％的镍（见图1、2）。
添加镍延缓了奥氏体不锈钢中有害金属间相的形成，但是在双相不锈钢中镍的延缓作用远不如氮有效。
面心立方结构使得奥氏体不锈钢具有极佳的韧性。
双相不锈钢中有近一半是奥氏体组织，因此双相钢的韧性比铁素体不锈钢显著提高。
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）可看出：这些合金以铁素体(a)凝固，当温度下降至1000℃（1832℉）左右时，部分铁素体转变成奥氏体(g)（取决于合金成分）。
在更低温度下，处于平衡态的铁素体和奥氏体几乎没有进一步的改变。
从热力学观点看，因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、相以及其他金属间相都可能成为显微组织的成分。
Creq%Cr+1.73%Si+0.88%Mo。
%铁素体-20.93+4.01Creq–5.6Nieq+0.016T。
为达到使双相不锈钢具有理想相平衡的目的，主要通过调整铬、钼、镍和氮的含量，并控制好加热操作。
然而，由于冷却速度决定了可转变成奥氏体的铁素体的数量，因此高温受热后的冷却速度将影响相平衡。
因为快速冷却有利于保留铁素体，所以可能得到比平衡状态下更多的铁素体。
例如，采用低热输入来焊接大截面的产品，会导致HAZ（热影响区）过量的铁素体。
因为相的形成温度低于冷却时铁素体转变成奥氏体的温度（图4），为避免冶金产品中出现相，可控制退火温度，确保钢从退火温度尽快淬火，防止冷却过程中形成相。
在实际制造中，只有当焊接截面尺寸相差悬殊或以很低的热输入焊接厚截面时，才会遇到过度的冷却速度。
在不锈钢中，氮作为一个合金元素意味着在焊缝的热影响区沿铁素体－铁素体晶界和奥氏体－铁素体相界可能出现氮化铬。
如果它的数量很大，退火时贫铬区来不及补偿失去的铬的时候，氮化铬会对钢的耐蚀性产生不利影响。
不过，由于较高的氮能促使奥氏体的形成，奥氏体对氮溶解度高，所以第二代双相不锈钢很少含有较大量的氮化铬。
此外，第二代双相不锈钢碳含量都很低，因此，通常无需考虑碳化物的有害影响。
图5为2304、2205和2507双相不锈钢的等温析出图。
碳化铬和氮化铬在析出温度开始析出的时间是相对较“慢”的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，部分原因是由于碳和氮元素在低镍奥氏体相中的溶解度高，以及氮对碳化物析出的延迟效应。
因此，双相不锈钢牌号在冷却时抗敏化能力相对较强。
这些牌号中碳化物和氮化物的形成动力学仅在一定程度上受到铬．钼及镍的影响，因此，所有含氮双相不锈钢牌号的析出动力学都与2205钢相似。
'相析出于铁素体相内，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，这种硬化和脆化所带来的危害不象在全铁素体不锈钢中那么大。
'相析出造成韧性的损失（脆性）要慢于硬化的速度（图5）。
由于发生脆化需要较长的时间，在加工制造时很少考虑'相脆性问题。
但材料的使用温度上限则受到'相形成的制约。
压力容器设计规范中规定的各种双相不锈钢的温度限值见表2。
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。
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。
在还原性环境有酸浓缩的湿/干界面，腐蚀尤其是铁素体的腐蚀就会开始并快速进展。
图7显示在沸点温度下，50％醋酸和不同含量甲酸混和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的工艺中占优势，而且由于它们耐点蚀和耐应力腐蚀，也可用于卤代烃工艺。
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。
为讨论不锈钢的耐点蚀和缝隙腐蚀的性能，引入临界点蚀温度这一概念。
对于某一氯化物环境，每一种不锈钢都可用一个温度来描述其特征，高于此温度点蚀开始出现，并且24小时之内可发展到肉眼可见的程度。
低于此温度则在无限长的时间内也不会产生点蚀。
由于点蚀的起始发生从统计学上看是随机的，而且CPT对牌号和产品的微小变化敏感，因此，对于不同牌号的CPT通常以一个温度范围来表示。
而采用ASTMG150标准介绍的研究工具，即采用电化学测量法可能可以准确和可靠地测定CPT。
双相不锈钢的高铬、钼和氮使其在含水环境中具有非常好的耐氯化物局部腐蚀性能。
根据合金含量，一些双相不锈钢牌号甚至跻身于性能最好的不锈钢之列。
双相不锈钢的铬含量相对高，所以耐蚀性好而且非常经济。
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双相钢在海水中没有足够的耐缝隙腐蚀能力。
然而，CCT高于2205的高合金化双相不锈钢如超级双相不锈钢，已经用于许多既要求高强度又要求耐氯离子腐蚀的苛刻海水条件。
CPT常数+%Cr+3.3(%Mo+0.5%W)+16%N。
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，金属处于高温并暴露于加压含水氯化物系统的液滴蒸发试验（系统中的温度可能高于常压下的温度）。
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而条件苛刻。
钼含量小于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中等试验条件。
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