2205双相不锈钢的知识
双相不锈钢的知识
※双相不锈钢(Duplex stainless steel)※
双相不锈钢是一种铁素体相和奥氏体相共存的不锈钢，同时也是集优良的耐蚀性能、高强度和易于加工制造等诸多优异性能于一身的钢种。
双相不锈钢已经有60多年的历史，世界上第一批双相不锈钢于1930年在瑞典生产出来并用于亚硫酸盐造纸工业。
1968年不锈钢精炼工艺——氩氧脱碳工艺(AOD)的发明，使一系列新的不锈钢的产生成为可能。AOD工艺带来的诸多进步之一就是合金元素N的添加。双相不锈钢添加N元素可以使焊接状态下热影响区的韧性和耐蚀性能接近于基体金属的性能，还可以降低有害金属间相的形成速率。
双相不锈钢同奥氏体不锈钢一样，是一种按腐蚀性能排序的钢种，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，现代的双相不锈钢可以分为四种类型：
1、不含Mo的低级双相不锈钢2304；
2、标准双相不锈钢2205，占双相钢总量的80%以上；
3、25%Cr的双相不锈钢，典型代表合金255，可归为超级双相不锈钢；
4、超级双相不锈钢，含25-26%Cr,与255合金相比Mo和N的含量增加。典型代表钢种2507。
双相不锈钢中的合金元素主要是Cr、Mo、N、Ni，它们在双相钢中的作用如下：
1、Cr
钢中最少含有10.5%的Cr才能形成保护钢不受大气腐蚀的稳定的钝化膜。不锈钢的耐蚀性能随Cr的含量提高而增强。Cr是铁素体元素，它可以使具有体心立方晶格的铁组织稳定，也可以提高钢在高温下的抗氧化能力。
2、Mo
Mo与Cr协同作用能提高不锈钢的抗氯化物腐蚀的能力。Mo在氯化物环境下的抗点蚀和缝隙腐蚀的能力是Cr的3倍(参见CPT公式)。Mo是铁素体形成元素，同样能促进形成金属间相。因此，通常奥氏体不锈钢中Mo含量小于7.5%，双相钢中小于4%。
3、N
N元素可增加奥氏体和双相不锈钢的抗点蚀和缝隙腐蚀的能力，并可以显著地提高钢的强度，它是固溶强化最有效的一个元素。在提高钢强度的同时，N元素还可以增加奥氏体不锈钢和双相不锈钢的韧性，延缓金属间相的形成，使双相不锈钢有足够的时间进行加工和制造，还可以抵消因高Cr、Mo所带来的易于形成σ相的倾向，
N是强烈的奥氏体元素，在奥氏体不锈钢中能部分取代Ni。双相不锈钢中一般加入几乎接近溶解度极限的N和用以调整达到相平衡的Ni。铁素体元素Cr和Ni与奥氏体形成元素Ni和N需要达到平衡，才能获得期望的双相组织。
4、Ni
Ni是稳定奥氏体组织的元素。铁基合金中添加Ni可促使不锈钢从体心立方晶体结构(铁素体)转化为面心立方晶体结构(奥氏体)。
Ni可以延缓金属间相的形成，但效果远不如N有效。
下面介绍两种双相不锈钢，帮助了解其性能。
1：2205标准双相不锈钢（00Cr22Ni5Mo3N）
一、引言
2205是一种加N双相不锈钢。N的加入明显地改善了2205的耐腐蚀性能，尤其是焊接的情况。早期的双相不锈钢可以耐中等强度的均匀腐蚀和氯应力腐蚀断裂，但是在焊接情况下使用时，其性能就会大大下降。为了改善这种情况，N元素就加入了2205双相不锈钢，这样不仅使耐腐蚀性能上升，而且焊接使用情况也很良好。ASTM标准对2205双相钢的含N量要求是0.08-0.2%，Cr、Mo、Ni的含量也有要求，所以2205双相钢的点蚀当量PREN值达到了35.8，进一步提高了耐蚀性能。
当有恰当的热处理时，2205中22%的Cr和3.5%的Ni、3%的Mo、0.16%的N就会产生包括奥氏体相和铁素体相平衡的显微组织结构，这种结构和化学成分让2205不锈钢有比316和317不锈钢更好和更广泛的耐蚀性能，同时还有比普通奥氏体不锈钢两倍还高的屈服强度。
2205是使用最广泛的双相不锈钢材料，在出厂前的所有2205不锈钢都要金相检验，以防止加工过程中产生σ相。2205最常见的应用形式是焊管和管件，在有较强的均匀腐蚀和应力腐蚀的情况下，板材应用也很广泛。
二、化学成分和产品标准
2205双相钢的化学成分如下表所示。
化学成分
元素
典型成分
ASTM标准
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ASTM和ASME标准如下表所示
产品形式
ASTM标准
ASME标准
棒
A276
--
A479
板、带
A240
SA240
管(焊管和无缝管)
A790
SA790
管件(焊接管件和无缝管件)
A789
SA789
三、耐蚀性能
1、氯化物应力腐蚀断裂
不含镍的铁素体钢对氯化物的应力腐蚀断裂有天生的免疫力，即使在苛刻的42%的MgCl2溶液中也是如此，从另一方面来说，含镍的奥氏体不锈钢则很容易受到氯离子应力腐蚀断裂的影响。奥氏体和铁素体不锈钢对氯离子的应力腐蚀断裂的抵抗取决于合金中镍的含量。
从某种意义上说，双相合金是奥氏体相和铁素体相的合成，但在双相合金中的成分都会倾向于某一相。例如，铁素体相中的Ni要比奥氏体相中的Ni含量少的多，因此，双相合金对氯离子的应力腐蚀断裂的抵抗性要比传统300系列不锈钢好的多。
下表是是304和2205在几种沸腾溶液中的腐蚀性能试验结果。
应力腐蚀断裂试验情况
合金
沸腾42%MgCl2
沸腾33%LiCl
沸腾26%NaCl
304L(8%Ni)
失败(20h)
失败(96h)
失败(850h)
439(铁素体型)
通过(2000h)
通过(2000h)
通过(1000h)
2205
失败(89h)
通过(1000h)
通过(1000h)
2205(焊接)
失败(89h)
通过(1000h)
通过(1000h)
2、点蚀和缝隙腐蚀
对氯离子的点蚀和缝隙腐蚀的评定可以使用ASTM标准G-48试验方法(10%FeCl3-6H2O)，并且逐渐提高温度直到发现缝隙腐蚀发生为止。则首先发现缝隙腐蚀发生的温度称为临界缝隙腐蚀温度，可以用来衡量材料耐缝隙腐蚀的能力，但在氯化溶液中不必要标明合金的限制使用温度。
下表是退火2205钢板材和316L、317L等合金的缝隙腐蚀温度试验对比情况。
10%FeCl3溶液中的缝隙腐蚀数据
合金
缝隙腐蚀发生温度(℃)
典型316
-3
典型317
2
2205
20
E-BRITE26-1
24
AL-6XN
45
Inconel625
45
AL 29-4C
52
3、均匀腐蚀
2205对稀的还原性酸和高浓度的氧化性酸有抵抗性，对低浓度的有机酸也有抵抗性，但在高温高浓度下要小心使用。下表是316和2205普通状态和焊接状态的腐蚀试验对比情况。
腐蚀对比试验数据
试验溶液(沸腾)
腐蚀率(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蚁酸
0.60
0.53
0.01
0.01
1%盐酸
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%硫酸氢钠
1.82
1.43
0.65
0.51
50%氢氧化钠
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
硫酸铁+50%硫酸(A262B)
0.66
0.59
0.51
0.45
4、2205焊接状态抗晶间腐蚀试验可以按ASTM A262E执行(16%H2SO4+CuSO4溶液)
四、物理性能
密度：7.88g/cm3
比热：420J/kg-k
热传导系数：(20-100℃)
19w/m-k
热膨胀系数：(20-100℃)
13.7×10 -6
/℃
平均弹性模量：190 Gpa
五、力学性能
典型室温下的力学性能如下表所示。
室温力学性能
项目
ASTM和ASME
最小性能值
板系列 ＞4.76mm
板系列 ＜4.76mm
0.2%屈服强度
450MPa
515 Mpa
585 MPa
抗拉强度
625 MPa
760 MPa
860 MPa
延伸率δ5(%)
25
35
30
硬度
32Rc/290HB(max)
235HB
27 Rc
高温下的拉力性能
2205双相钢在ASME锅炉与压力容器规范中被允许使用在316℃以下温度。其强度可以通过ASME锅炉与压力容器标准中的许用应力来表示。下表是典型316和2205的许用应力对比情况。焊接管件的焊缝系数取0.85。
如此大的许用应力可以和有很利地使用在过程装备设计中。
最大许用应力(依据ASME规范)
温度(℃)
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.
冲击性能
2205双相钢可以从高温塑性破坏向低温脆性断裂转变，此塑性-脆性的转变温度可以通过在343-538°C长时间的保温来充分地提高。不恰当的焊接工艺，例如使用纯粹的Cr不锈钢填料，可以提高焊缝向冲击脆性转变的敏感性。
高温对力学性能的影响
ASME锅炉与压力容器规范中明确规定2205双相钢的使用温度上限是316℃，因为双相钢有一个“475℃脆化”的问题，主要是由于铁素体相在343-538℃之间加热时会出现脆化现象。但这种脆化是可逆的，只要通过在593℃以上加热就可以还原。然而，另外一个脆化温度区间是538-1000℃，因为有有害于冲击性和腐蚀性的中间相析出。整体退火和快速冷却处理可以消除脆性相，同时也是消除成形应力和“475℃脆化”首选方案。
六、成形和热处理
2205可以很成功地冷弯和拉伸。相对于普通奥氏体不锈钢来说，2205有很高的强度，对成形设备要求有很高的要求。双相钢中铁素体相的延伸率比奥氏体相要小，所以2205在弯曲时其弯曲半径要比奥氏体不锈钢大。
此外，2205管材和管板胀接时，由于其弹性延伸率较低，所以其胀接程度要受到限制。2205相对于很多管板材料来说其强度是很高的，因此，2205管材和其它材料的管板胀接时要十分小心。
重度弯曲变形后要整体退火(不只是消应力退火)，以防止在使用环境中应力腐蚀开裂，消应力热处理的温度一般在316-927℃之间，至于对材料性能的影响不作考虑。
七、热处理
2205的退火温度一般在1020-1100℃并快速冷却，在1100℃附近热处理时，会让铁素体相含量大大增加。
八、焊接
2205双相钢中的铁素体相和奥氏体相含量基本相同，氧炔焊会让基材的焊缝和热影响区的铁素体含量上升，并行的退火处理可以恢复两相的平衡。然而退火处理后焊缝的铁素体含量还是要稍高一点。焊缝中的铁素体含量不可以过高。
匹配的填料金属对2205的焊接来说是有经济性的，象AWS 2209这样的填料金属有比基材金属更高的含Ni量，主要是为了使焊区域产生相平衡，让焊缝区域和基材金属有用样的化学成分。当2205和异种钢焊接时，填料金属中要含有一些奥氏体形成元素，以便可以形成一条奥氏体焊缝。焊缝区域如含有大量铁素体晶粒，就会让材料的室温冲击韧性大大降低。
