雙相不銹鋼(duplex stainless steel)

　　一種在固溶組織中鐵素體相和奧氏體相約各占一半的不銹鋼。在雙相不銹鋼中，較少相的含量應(yīng)在30%以上。由于兩相組織的特點，通過正確控制化學(xué)成分和熱處理工藝，雙相不銹鋼能兼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優(yōu)點，它將奧氏體不銹鋼所具有的優(yōu)良韌性和焊接性，與鐵素體不銹鋼所具有的較高強度和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能結(jié)合在一起，使雙相不銹鋼作為可焊接的結(jié)構(gòu)材料發(fā)展十分迅速，80年代以來已成為和馬氏體型、奧氏體型、鐵素體型不銹鋼并列的一個鋼類。

　　簡史 雙相不銹鋼的發(fā)展開始于20世紀(jì)30年代，法國人在1935年獲得第一個專利。雙相不銹鋼已發(fā)展了三代，第一代雙相不銹鋼以美國40年代開發(fā)的329鋼為代表，含高鉻、鉬，耐局部腐蝕性能好，但含碳量較高(≤0.1%碳)，因此焊接時失去相的平衡及沿晶界析出碳化物導(dǎo)致耐蝕性及韌性下降，焊后必須經(jīng)過。726熱處理，一般用于鑄鍛件，在應(yīng)用和發(fā)展上受到限制。50年代蘇聯(lián)發(fā)展了含穩(wěn)定元素鈦的08×21H5T和08×21H6M2T鋼，德國也有1.4582，法國有Uranus50，英國有Ferralium255，日本在美國329基礎(chǔ)上降碳，提出了，這些鋼都可作為可焊接的結(jié)構(gòu)件使用，隨后至60年代中期瑞典開發(fā)了著名的3RE60鋼，他是第一代雙相不銹鋼的代表鋼種，特點是超低碳，含鉻量為18%，焊接及成型性能良好，廣泛代替AISl304L、316L用作耐氯離子應(yīng)力腐蝕的材料，該鋼的問題是在焊接熱影響區(qū)易出現(xiàn)單相鐵素體組織，導(dǎo)致耐應(yīng)力腐蝕及晶間腐蝕性能下降。70年代以來，隨著二次精煉技術(shù)AOD和VOD等方法的出現(xiàn)與普及，容易煉出超低碳(碳≤0.03%)的鋼，同時發(fā)現(xiàn)氮作為奧氏體形成元素對雙相不銹鋼有重要作用，在焊接接頭熱影響區(qū)快速熱循環(huán)冷卻時，氮促進(jìn)了高溫下形成的鐵素體逆轉(zhuǎn)變?yōu)樽銐蛄康亩螉W氏體以維持必要的相平衡，提高了焊接接頭的耐蝕性，氮還可以提高富氮奧氏體相的耐孔蝕能力，與富鉻、鉬的鐵素體相取得平衡，提高了材料整體的耐孔蝕性能。此外，氮還能減輕鉻、鎳等元素在兩相中分布的差異，降低選擇腐蝕的傾向性，正是利用氮元素的獨特效果，以及較容易獲得超低碳鋼，改進(jìn)了第一代雙相不銹鋼的缺點，從而開創(chuàng)了第二代新型的含氮雙相不銹鋼，開發(fā)了新的應(yīng)用領(lǐng)域。第二代雙相不銹鋼，不論是18Cr型，還是22Cr和25Cr型大多數(shù)屬于超低碳型，并且含有鉬、銅或硅等提高耐蝕性的元素。針對酸性油井井管及管線用鋼瑞典開發(fā)出了SAF2205，此鋼已納入美國的ASTMA’789和A790標(biāo)準(zhǔn)。日本有近10個廠家都在生產(chǎn)雙相不銹鋼，應(yīng)用范圍很寬，包括工業(yè)用水及海水熱交換器，尿素高壓設(shè)備，硝酸設(shè)備等。法國有URANus系列，英國有ZE-RON鑄鋼系列，德國也有納標(biāo)的系列牌號。80年代后期發(fā)展的超級雙相不銹鋼(Super DSS)是屬于第三代雙相不銹鋼，牌號有SAF2507，uR52N+，Zeron100等，這類鋼的特點是含碳量低(碳0.01%～0.02%)，含高鉬和高氮(鉬約4%，氮約0.3%)，鋼中鐵素體含量40%～45%，此類鋼具有優(yōu)良的耐孔蝕性能，孔蝕抗力當(dāng)量值(PRE=Cr%+3.3×Mo%+16×N%)大于40。中國自70年代中期開始發(fā)展雙相不銹鋼，冶金部鋼鐵研究總院最早從事這方面的工作，以發(fā)展含氮雙相不銹鋼為主，至今已有耐應(yīng)力腐蝕，耐孔蝕與縫隙腐蝕，耐腐蝕疲勞和耐磨損腐蝕的簡單系列牌號。

　　雙相不銹鋼主要代表牌號如表1所示，各雙相不銹鋼牌號之間的發(fā)展關(guān)系如圖1所示。

　　性能特點　(1)雙相不銹鋼在低應(yīng)力下有良好的耐中性氯化物應(yīng)力腐蝕性能。一般應(yīng)用在70℃以上中性氯化物溶液中的18-8型奧氏體不銹鋼容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂，像在微量氯化物及硫化氫的工業(yè)介質(zhì)中使用的這類不銹鋼的熱交換器、蒸發(fā)器等都存在著產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的傾向，而雙相不銹鋼卻能耐蝕。例如含18%Cr的00Cr18Ni5M03Si2鋼耐應(yīng)力腐蝕的典型介質(zhì)條件是：Cl<1000×10-6，<150℃，pH≥7;H2s～5000ppm，Cl-約30×10-6，<150℃，pH≥7。(2)含鉬雙相不銹鋼有良好的耐孔蝕性能。含18%Cr的雙相不銹鋼與AISl316L相當(dāng)。含25%鉻的、尤其是含氮的高鉻雙相不銹鋼的耐孔蝕和縫隙腐蝕性能超過了AISl316L。(3)有較高的強度和韌性，綜合力學(xué)性能好，屈服強度是18-8型奧氏體不銹鋼的2倍。(4)焊接性良好，熱裂傾向小，焊前不需預(yù)熱，焊后不需熱處理。(5)熱加工溫度范圍比18-8型奧氏體不銹鋼寬，抗力小，采用8t錠型可順利生產(chǎn)大鍛件，含低鉻(18%鉻)的雙相不銹鋼可不經(jīng)過鍛造，直接軋制開坯生產(chǎn)鋼板。(6)冷加工時比18-8型奧氏體不銹鋼加工硬化效應(yīng)大，在管、板承受變形初期抗力較大，需施加較大應(yīng)力才能變形。(7)仍有高鉻鐵素體不銹鋼的各種脆性傾向，不宜用在高于350℃的工作條件下。雙相不銹鋼中鉻含量愈低，a相脆性的危害性也愈小。(8)與奧氏體不銹鋼相比，導(dǎo)熱系數(shù)大，線膨脹系數(shù)小，易進(jìn)行設(shè)備的襯里和生產(chǎn)復(fù)合板。

　　顯微組織和二次相的析出 雙相不銹鋼常規(guī)固溶處理(1000～1100C)后的組織是α+γ相隨熱處理溫度升高，a相數(shù)量增多，至1300～1350℃，將成為單一的n相組織。圖2是幾個典型牌號的固溶溫度與鋼中鐵素體含量的關(guān)系。因此，在焊接時，近焊縫的熱影響區(qū)瞬時會出現(xiàn)單一鐵素體組織，引起晶粒長大，但是如果雙相不銹鋼的成分能夠得到很好的平衡，有可能在a/a晶界在焊后冷卻過程中出現(xiàn)部分a相的逆轉(zhuǎn)變成y相，從而使熱影響區(qū)保持與母材相匹配的性能。

　　雙相不銹鋼的相變復(fù)雜，尤其是含鉻、鉬都較高的鋼，在350～1000℃進(jìn)行等溫時效或不正確熱處理時，除a和7兩相外，還有各種其他的二次相析出，這些相主要由不穩(wěn)定的a相中析出或轉(zhuǎn)變來的，有σ相、Cr2N、x相、R相、π相、M7C3、M23C6等，在350～550℃還有鐵素體的調(diào)幅分解，變成富鉻和貧鉻的α‘+α區(qū)。這些相中以σ相最為重要，它嚴(yán)重影響鋼的韌性和耐蝕。

　　力學(xué)性能 固溶態(tài)雙相不銹鋼典型牌號的常溫力學(xué)性能列于表2。

　　雙相不銹鋼的屈服強度一般為奧氏體不銹鋼的2倍，隨鋼中合金元素的增加，強度也增高，主要是由于鉻、鉬，還有氮的固溶強化作用。雙相不銹鋼的強度取決于a相，較好的塑、韌性來自γ相。

　　雙相不銹鋼的各向異性明顯，縱、橫向的σb、σs相同，但橫向的δ值，尤其是Ak值卻大大下降。

　　固溶態(tài)雙相不銹鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度一般發(fā)生在-60℃或更低溫度，這一點可滿足實際應(yīng)用的需要。

　　如前所述，溫度高于300℃由于a相的分解產(chǎn)生眾多的脆性相。在600～900℃范圍主要是σ相使鋼沖擊韌性嚴(yán)重下降，σ相達(dá)到4%時，Ak值就可降到臨界沖擊值27J。低于500℃屬于475℃脆性區(qū)，即使在300℃左右也會產(chǎn)生長時低溫脆性。

　　耐腐蝕性能 雙相不銹鋼不僅有良好的綜合力學(xué)性能，更有吸引力的是它的耐蝕性，例如耐孔蝕、應(yīng)力腐蝕和晶間腐蝕等局部腐蝕性能，在許多腐蝕環(huán)境中，在鋼中鉻、鉬含量相同的條件下，雙相不銹鋼有著和奧氏體不銹鋼相當(dāng)?shù)?，甚至更?yōu)良的耐蝕性。

　　(1)孔蝕。雙相不銹鋼的孔蝕抗力首先與鋼中鉻、鉬含量有關(guān)，現(xiàn)代雙相不銹鋼中一些牌號含氮元素，特別在含氯化物環(huán)境中進(jìn)一步提高了鋼的耐孔蝕性能?？孜g抗力當(dāng)量值(PRE)與鉻、鉬、氮含量關(guān)系式如下：PRE=Cr%+3.3×Mo%+16×N%PRE值與臨界孔蝕溫度(CPT)之間存在線性關(guān)系，見圖3。

　　這里需要說明的是，PRE只考慮了元素的影響，沒有考慮顯微組織的不均勻性。如果鐵素體和奧氏體相的PRE不相同，必然造成弱相的優(yōu)先侵蝕，因此，像對超級SAF2205鋼必須進(jìn)行合適的熱處理以求得兩相間熱力學(xué)的平衡和得到相同的PRE值。此外，在α/γ相界優(yōu)先析出的γ’相和σ相等，或由于如γ’相本身鉻含量偏低，或由于析出相本身鉻、鉬含量高，造成周圍基體的鉻、鉬元素貧化，容易出現(xiàn)孔蝕。

　　(2)應(yīng)力腐蝕破裂(SCC)。雙相不銹鋼的耐SCC性能與鋼的化學(xué)成分和兩相組織有關(guān)。一般奧氏體不銹鋼在含氯環(huán)境中高于70℃時對應(yīng)力腐蝕破裂敏感，但是雙相不銹鋼卻較少敏感。實驗表明，既使是低合金含量的23Cr-4Ni鋼也要優(yōu)于AISl316L和AISl304L，并且隨鋼中含鉻、鉬量提高，雙相不銹鋼的應(yīng)力腐蝕抗力也增加。

　　雙相不銹鋼在中性氯化物介質(zhì)中耐應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)良的原因，一是有比奧氏體鋼高的屈服強度。二是第二相對基體中的scc裂紋的擴(kuò)展有機(jī)械阻擋作用，例如以α相為基體時，γ相對裂紋起阻擋作用，裂紋在α相中發(fā)生和擴(kuò)展，遇到γ相時裂紋尖端或沿α/γ相界擴(kuò)展，或是中斷，或是改變方向，繞過γ相，在鄰近的α相中又復(fù)出現(xiàn);相反，以7相為基體時，a相也起相同的作用。這正是說明雙相不銹鋼的SCC裂紋往往分支多，擴(kuò)展無一定方向，走向彎曲，裂紋擴(kuò)展速度緩慢的原因，并且以沿晶與穿晶的混合形態(tài)出現(xiàn)為多數(shù)。當(dāng)兩相含量相當(dāng)，各占50%左右時，隨試驗介質(zhì)不同，α相或了相都可以阻擋scc裂紋擴(kuò)展。三是第二相的電化學(xué)保護(hù)作用，00Cr18Ni5Mo3Si2鋼經(jīng)Cacl2介質(zhì)進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗后通過斷口金相觀察，發(fā)現(xiàn)α相有陽極溶解的痕跡。這表明在裂紋擴(kuò)展過程中，伴隨α相的陽極溶解，.γ相從而得到了陰極保護(hù)，因此裂紋不易穿過7相，也就是說γ相抑制了裂紋的擴(kuò)展。四是在中性含Cl-的介質(zhì)中，SCC多以孔蝕為起點，雙相不銹鋼的孔蝕誘導(dǎo)期長，即使一旦形成由于第二相的屏障作用又不易擴(kuò)展成應(yīng)力集中系數(shù)較大的尖角形孔蝕坑，而且蝕坑分散度也較大，避免了外加應(yīng)力集中在個別少數(shù)裂紋上，從而減緩了SCC的擴(kuò)展速度。

　　需要指出的是在高應(yīng)力和苛刻的含氯環(huán)境中，雙相不銹鋼仍遭到SCC。

　　(3)晶間腐蝕。雙相不銹鋼碳含量低，化學(xué)成分平衡的優(yōu)化使鋼在高溫敏化冷卻時或焊后在近縫熱影響區(qū)形成二次奧氏體γ’。一方面γ’提高碳、氮的溶解度，另一方面γ’增加了相界面，從而減少了單位面積上碳化物(M23C6)的析出量。這使雙相不銹鋼不容易形成連續(xù)的貧鉻區(qū)，減輕了鋼的晶間腐蝕傾向，甚至不產(chǎn)生晶間腐蝕。

　　(4)腐蝕疲勞。雙相不銹鋼比奧氏體不銹鋼有更高的強度，所以它更耐疲勞，兩相的細(xì)晶組織也有助于疲勞強度的提高。在腐蝕介質(zhì)中腐蝕與疲勞的交互作用復(fù)雜，鋼的腐蝕疲勞抗力與孔蝕抗力有密切關(guān)系。腐蝕疲勞裂紋源往往出現(xiàn)在夾雜、滑移帶或相界等處，這些地方往往是優(yōu)先產(chǎn)生蝕坑處。

　　應(yīng)用在雙相不銹鋼沒有進(jìn)入市場前，對于AISl304和316不能適用的苛刻腐蝕環(huán)境使用的都是含高鎳的奧氏體不銹鋼。70年代中期以來的使用經(jīng)驗表明雙相不銹鋼不僅比一般奧氏體鋼更耐蝕，而且節(jié)鎳，以及具有好的綜合性能：強度、韌性和可焊性。因此，雙相不銹鋼適于多種用途，尤其在含氯的介質(zhì)中應(yīng)用更為廣泛。當(dāng)然，在某一單一性能方面，其他類型鋼種可能超過雙相不銹鋼，但是從綜合性能來考慮，雙相不銹鋼往往是最突出的。

　　在化工、石油化工、造紙、能源以及油、氣等工業(yè)中的應(yīng)用，雙相不銹鋼都贏得一席之地。近年發(fā)現(xiàn)高PRE值雙相不銹鋼的生物相容性好，可用于人體內(nèi)移植的不銹鋼材料。