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普及2205雙相不鏽鋼的知識
2014/8/12 12:36:03 | 不鏽鋼板 | 關注:2685 次

 雙相不鏽鋼是一種鐵素體相和奧氏體相共存的不鏽鋼,同時也是集優良的耐蝕性能、高強度和易于加工制造等諸多優異性能于一身的鋼種。

雙相不鏽鋼已經有60多年的曆史,世界上第一批雙相不鏽鋼于1930年在瑞典生産出來並用于亞硫酸鹽造紙工業。
1968年不鏽鋼精煉工藝——氩氧脫碳工藝(AOD)的發明,使一系列新的不鏽鋼的産生成爲可能。AOD工藝帶來的諸多進步之一就是合金元素N的添加。雙相不鏽鋼添加N元素可以使焊接狀態下熱影響區的韌性和耐蝕性能接近于基體金屬的性能,還可以降低有害金屬間相的形成速率。
雙相不鏽鋼同奧氏體不鏽鋼一樣,是一種按腐蝕性能排序的鋼種,腐蝕性能取決于它們的合金成分。雙相不鏽鋼一直在不斷發展,現代的雙相不鏽鋼可以分爲四種類型:
1、不含Mo的低級雙相不鏽鋼2304
2、標准雙相不鏽鋼2205,占雙相鋼總量的80%以上;
325%Cr的雙相不鏽鋼,典型代表合金255,可歸爲超級雙相不鏽鋼;
4、超級雙相不鏽鋼,含25-26%Cr,255合金相比MoN的含量增加。典型代表鋼種2507 
雙相不鏽鋼中的合金元素主要是CrMoNNi,它們在雙相鋼中的作用如下:
1Cr
鋼中最少含有10.5%Cr才能形成保護鋼不受大氣腐蝕的穩定的鈍化膜。不鏽鋼的耐蝕性能隨Cr的含量提高而增強。Cr是鐵素體元素,它可以使具有體心立方晶格的鐵組織穩定,也可以提高鋼在高溫下的抗氧化能力。
2Mo
MoCr協同作用能提高不鏽鋼的抗氯化物腐蝕的能力。Mo在氯化物環境下的抗點蝕和縫隙腐蝕的能力是Cr3(參見CPT公式)Mo是鐵素體形成元素,同樣能促進形成金屬間相。因此,通常奧氏體不鏽鋼中Mo含量小于7.5%,雙相鋼中小于4%
3N
N元素可增加奧氏體和雙相不鏽鋼的抗點蝕和縫隙腐蝕的能力,並可以顯著地提高鋼的強度,它是固溶強化最有效的一個元素。在提高鋼強度的同時,N元素還可以增加奧氏體不鏽鋼和雙相不鏽鋼的韌性,延緩金屬間相的形成,使雙相不鏽鋼有足夠的時間進行加工和制造,還可以抵消因高CrMo所帶來的易于形成σ相的傾向,
N是強烈的奧氏體元素,在奧氏體不鏽鋼中能部分取代Ni。雙相不鏽鋼中一般加入幾乎接近溶解度極限的N和用以調整達到相平衡的Ni。鐵素體元素CrNi與奧氏體形成元素NiN需要達到平衡,才能獲得期望的雙相組織。
4Ni
Ni是穩定奧氏體組織的元素。鐵基合金中添加Ni可促使不鏽鋼從體心立方晶體結構(鐵素體)轉化爲面心立方晶體結構(奧氏體)
Ni可以延緩金屬間相的形成,但效果遠不如N有效。

下面介紹兩種雙相不鏽鋼,幫助了解其性能。
12205標准雙相不鏽鋼(00Cr22Ni5Mo3N)
一、引言
2205是一種加N雙相不鏽鋼。N的加入明顯地改善了2205的耐腐蝕性能,尤其是焊接的情況。早期的雙相不鏽鋼可以耐中等強度的均勻腐蝕和氯應力腐蝕斷裂,但是在焊接情況下使用時,其性能就會大大下降。爲了改善這種情況,N元素就加入了2205雙相不鏽鋼,這樣不僅使耐腐蝕性能上升,而且焊接使用情況也很良好。ASTM標准對2205雙相鋼的含N量要求是0.08-0.2%CrMoNi的含量也有要求,所以2205雙相鋼的點蝕當量PREN值達到了35.8,進一步提高了耐蝕性能。
當有恰當的熱處理時,220522%Cr3.5%Ni3%Mo0.16%N就會産生包括奧氏體相和鐵素體相平衡的顯微組織結構,這種結構和化學成分讓2205不鏽鋼有比316317不鏽鋼更好和更廣泛的耐蝕性能,同時還有比普通奧氏體不鏽鋼兩倍還高的屈服強度。
2205是使用最廣泛的雙相不鏽鋼材料,在出廠前的所有2205不鏽鋼都要金相檢驗,以防止加工過程中産生σ相。2205最常見的應用形式是焊管和管件,在有較強的均勻腐蝕和應力腐蝕的情況下,板材應用也很廣泛。

二、化學成分和産品標准
2205雙相鋼的化學成分如下表所示。

化學成分

元素

典型成分

ASTM標准

C

0.02

0.030max

Mn

0.07

2.0 max

P

0.025

0.030 max

S

0.001

0.020 max

Si

0.40

1.0 max

Cr

22.4

21.0-23.0

Ni

5.8

4.5-6.5

Mo

3.3

2.5-3.5

N

0.16

0.08-0.20

Fe

余量

余量


2205材料的ASTMASME標准如下表所示

産品形式

ASTM標准

ASME標准

A276

--

A479

板、帶

A240

SA240

管(焊管和無縫管)

A790

SA790

管件(焊接管件和無縫管件)

A789

SA789


三、耐蝕性能
1、氯化物應力腐蝕斷裂
不含鎳的鐵素體鋼對氯化物的應力腐蝕斷裂有天生的免疫力,即使在苛刻的42%MgCl2溶液中也是如此,從另一方面來說,含鎳的奧氏體不鏽鋼則很容易受到氯離子應力腐蝕斷裂的影響。奧氏體和鐵素體不鏽鋼對氯離子的應力腐蝕斷裂的抵抗取決于合金中鎳的含量。
從某種意義上說,雙相合金是奧氏體相和鐵素體相的合成,但在雙相合金中的成分都會傾向于某一相。例如,鐵素體相中的Ni要比奧氏體相中的Ni含量少的多,因此,雙相合金對氯離子的應力腐蝕斷裂的抵抗性要比傳統300系列不鏽鋼好的多。
下表是是3042205在幾種沸騰溶液中的腐蝕性能試驗結果。

 

應力腐蝕斷裂試驗情況

合金

沸騰42%MgCl2

沸騰33%LiCl

沸騰26%NaCl

304L(8%Ni)

失敗(20h)

失敗(96h)

失敗(850h)

439(鐵素體型)

通過(2000h)

通過(2000h)

通過(1000h)

2205

失敗(89h)

通過(1000h)

通過(1000h)

2205(焊接)

失敗(89h)

通過(1000h)

通過(1000h)

2、點蝕和縫隙腐蝕
對氯離子的點蝕和縫隙腐蝕的評定可以使用ASTM標准G-48試驗方法(10%FeCl3-6H2O),並且逐漸提高溫度直到發現縫隙腐蝕發生爲止。則首先發現縫隙腐蝕發生的溫度稱爲臨界縫隙腐蝕溫度,可以用來衡量材料耐縫隙腐蝕的能力,但在氯化溶液中不必要標明合金的限制使用溫度。
下表是退火2205鋼板材和316L317L等合金的縫隙腐蝕溫度試驗對比情況。

10%FeCl3溶液中的縫隙腐蝕數據

合金

縫隙腐蝕發生溫度(℃)

典型316

-3

典型317

2

2205

20

E-BRITE26-1

24

AL-6XN

45

Inconel625

45

AL 29-4C

52

3、均勻腐蝕
2205對稀的還原性酸和高濃度的氧化性酸有抵抗性,對低濃度的有機酸也有抵抗性,但在高溫高濃度下要小心使用。下表是3162205普通狀態和焊接狀態的腐蝕試驗對比情況。

腐蝕對比試驗數據

試驗溶液(沸騰)

腐蝕率(mm/a)

典型316L

2205

基材

焊接材料

基材

焊接材料

20%醋酸

<0.01

<0.01

<0.01

<0.01

45蟻酸

0.60

0.53

0.01

0.01

1%鹽酸

0.02

1.61

0.02

0.02

65%硝酸

0.56

0.46

0.52

0.49

10%草酸

1.22

1.13

0.20

0.13

20%磷酸

0.02

0.03

0.02

0.03

10%硫酸氫鈉

1.82

1.43

0.65

0.51

50%氫氧化鈉

1.97

2.17

0.61

0.57

10%氨基磺酸

3.15

3.03

0.56

0.44

10%硫酸

16.1

16.7

5.23

5.08

硫酸鐵+50%硫酸(A262B)

0.66

0.59

0.51

0.45

42205焊接狀態抗晶間腐蝕試驗可以按ASTM A262E執行(16%H2SO4+CuSO4溶液)

四、物理性能
密度:7.88g/cm3
比熱:420J/kg-k
熱傳導系數:(20-100℃) 
19w/m-k

熱膨脹系數:(20-100℃)
13.7×10 -6
/

平均彈性模量:190 Gpa

五、力學性能
典型室溫下的力學性能如下表所示。

室溫力學性能

項目

ASTM和ASME
最小性能值

板系列               >4.76mm

板系列               <4.76mm

0.2%屈服強度

450MPa

515 Mpa

585 MPa

抗拉強度

625 MPa

760 MPa

860 MPa

延伸率δ5(%)

25

35

30

硬度

32Rc/290HB(max)

235HB

27 Rc

高溫下的拉力性能
2205雙相鋼在ASME鍋爐與壓力容器規範中被允許使用在316以下溫度。其強度可以通過ASME鍋爐與壓力容器標准中的許用應力來表示。下表是典型3162205的許用應力對比情況。焊接管件的焊縫系數取0.85
如此大的許用應力可以和有很利地使用在過程裝備設計中。
 

最大許用應力(依據ASME規範)

溫度(℃)

2205(MPa)

典型316(MPa)

38

155

130

93

155

112

149

150

101

204

144

92

260

141

86

316

139

81

ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section II, Part D, Table 1A.
沖擊性能
2205雙相鋼可以從高溫塑性破壞向低溫脆性斷裂轉變,此塑性-脆性的轉變溫度可以通過在343-538°C長時間的保溫來充分地提高。不恰當的焊接工藝,例如使用純粹的Cr不鏽鋼填料,可以提高焊縫向沖擊脆性轉變的敏感性。
高溫對力學性能的影響
ASME鍋爐與壓力容器規範中明確規定2205雙相鋼的使用溫度上限是316℃,因爲雙相鋼有一個
475脆化的問題,主要是由于鐵素體相在343-538℃之間加熱時會出現脆化現象。但這種脆化是可逆的,只要通過在593℃以上加熱就可以還原。然而,另外一個脆化溫度區間是538-1000℃,因爲有有害于沖擊性和腐蝕性的中間相析出。整體退火和快速冷卻處理可以消除脆性相,同時也是消除成形應力和475脆化首選方案。

六、成形和熱處理
2205可以很成功地冷彎和拉伸。相對于普通奧氏體不鏽鋼來說,2205有很高的強度,對成形設備要求有很高的要求。雙相鋼中鐵素體相的延伸率比奧氏體相要小,所以2205在彎曲時其彎曲半徑要比奧氏體不鏽鋼大。
此外,2205管材和管板脹接時,由于其彈性延伸率較低,所以其脹接程度要受到限制。2205相對于很多管板材料來說其強度是很高的,因此,2205管材和其它材料的管板脹接時要十分小心。
重度彎曲變形後要整體退火(不只是消應力退火),以防止在使用環境中應力腐蝕開裂,消應力熱處理的溫度一般在316-927℃之間,至于對材料性能的影響不作考慮。


七、熱處理
2205的退火溫度一般在1020-1100℃並快速冷卻,在1100附近熱處理時,會讓鐵素體相含量大大增加。

八、焊接
2205雙相鋼中的鐵素體相和奧氏體相含量基本相同,氧炔焊會讓基材的焊縫和熱影響區的鐵素體含量上升,並行的退火處理可以恢複兩相的平衡。然而退火處理後焊縫的鐵素體含量還是要稍高一點。焊縫中的鐵素體含量不可以過高。
匹配的填料金屬對2205的焊接來說是有經濟性的,象AWS 2209這樣的填料金屬有比基材金屬更高的含Ni量,主要是爲了使焊區域産生相平衡,讓焊縫區域和基材金屬有用樣的化學成分。當2205和異種鋼焊接時,填料金屬中要含有一些奧氏體形成元素,以便可以形成一條奧氏體焊縫。焊縫區域如含有大量鐵素體晶粒,就會讓材料的室溫沖擊韌性大大降低。

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