1、双相不锈钢简介 

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。

双相不锈钢的研究与未来发展方向

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。
双相不锈钢从20世纪40年代在美国诞生以来,已经发展到第三代。它的主要特点是屈服强度可达400-550MPa,是普通不锈钢的2倍,因此可以节约用材,降低设备制造成本。在抗腐蚀方面,特别是介质环境比较恶劣(如海水,氯离子含量较高)的条件下,双相不锈钢的抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳性能明显优于普通的奥氏体不锈钢,可以与高合金奥氏体不锈钢媲美。
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
双相不锈钢
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。
结构与类型
双相不锈钢由于具有奥氏体+铁素体双相组织,且两个相组织的含量基本相当,故兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点。屈服强度可达400Mpa ~ 550MPa,是普通奥氏体不锈钢的2倍。与铁素体不锈钢相比,双相不锈钢的韧性高,脆性转变温度低,耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高;同时又保留了铁素体不锈钢的一些特点,如475℃脆性、热导率高、线膨胀系数小,具有超塑性及磁性等。与奥氏体不锈钢相比,双相不锈钢的强度高,特别是屈服强度显著提高,且耐孔蚀性、耐应力腐蚀、耐腐蚀疲劳等性能也有明显的改善。
双相不锈钢按其化学成分分类,可分为Cr18型、Cr23(不含Mo)型、Cr22型和Cr25型四类。对于Cr25型双相不锈钢又可分为普通型和超级双相不锈钢,其中应用较多的是Cr22型和Cr25型。我国采用的双相不锈钢以瑞典产居多,具体牌号有:3RE60(Cr18型),SAF2304 (Cr23型),SAF2205 (Cr22型),SAF2507(Cr25型)。

双相是指金相组织的有两种,而非方向的“向”。

化学成分

钢号 C≤ Mn≤ Si≤ S≤ P≤ Cr≤ Ni Mo Cu≤ N
S32750(SAF2507)
00Cr25Ni7Mo4N
0.03 1.20 0.8 0.020 0.035 24.0/26.0 6.0/8.0 3.0/5.0 0.50 0.24/0.32
S31803(SAF2205)
00Cr22Ni5Mo3N
0.03 2.00 1.0 0.020 0.030 21.0/23.0 4.50/6.50 2.50/3.50
0.08/0.20
S31500(3RE60)
00Cr18Ni5Mo3Siz
0.03 1.2/2.00 1.4/2.00 0.030 0.030 18.0/19.0 4.25/5.25 2.50/3.00
0.05/0.10

机械性能

钢号 σb(Mpa)≥ σs(Mpa)≥ δ(%)≥ 硬度
布氏(HB) 洛氏(HRC)
S32750(SAF2507)
00Cr25Ni7Mo4N
800 550 15 310 32
S3180.(SAF2507)
00Cr22Ni5Mo3N
620 450 25 290 30.5
S31500(3RE60)
00Cr18Ni5Mo3Siz
630 440 30 290 30.5

2、双相不锈钢国外研究进展 
双相不锈钢的发展开始于20世纪30年代,1936年名为Uranus50的钢种在法国获得第一个双相不锈钢专利,至今双相不锈钢已发展了三代。 
第一代双相不锈钢以瑞典的3RE60,美国的AISI329为代表钢种。3RE60是专为提高耐氯化物应力腐蚀断裂性能而研制的双相不锈钢。AISI329型双相不锈钢广泛用于硝酸装置的热交换器管道。第一代双相不锈钢有良好的性能特点,但在焊接状态下有局限性。焊缝的热影响区由于铁素体过多而韧性低,并且耐腐蚀性明显低于基体金属。这些局限因素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–氩氧脱碳的发明,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添加。双相不锈钢添加氮可以使焊接状态下热影响区的韧性和耐腐蚀性接近于基体金属的性能,氮还降低了有害金属间相的形成速率。含氮的双相不锈钢被称为第二代双相不锈钢。2205是第二代双相钢的代表钢种并广泛应用于海上石油平台、化工、造纸等多个领域。 
20世纪80年代后期发展的超级双相不锈钢属于第三代双相不锈钢,代表牌号有SAF2507,UR52N,Zeron100等,这类钢的特点是含碳量低,含高钼和高氮。此类钢具有优良的耐孔蚀性能。孔蚀当量)大于40。 
从目前的研究和生产水平来看,欧美在双相不锈钢的研发和生产以及用户的认同程度上都处于领先水平,其代表公司有瑞典的Outokumpu,Sandvik,美国的KA,KL公司。在亚洲日本和韩国是双相不锈钢的主要生产国,其钢种生产的水平与欧美相比有一定的差距,以2205的生产为例,日本和韩国主要生产的主要牌号是S31803,而欧美生产的主要牌号为S32205。 
3、双相不锈钢的国内研究进展 
国内双相不锈钢的研究开始于20世纪70年代中期,北京钢铁研究总院最早开始这方面的研究工作,研制的00Cr18Ni5Mo3Si2已纳入国家标准。宝钢特钢公司曾生产过2507的超级双相不锈钢管材。宝钢浦钢公司曾生产过2205的板材。但其生产的批量很小,成材率较低,主要用于特殊用途。目前在国内能够以商品材供货的有太钢和宝钢。太钢从20世纪90年代末开始研发双相不锈钢2205,到2005年向市场推出其产品,太钢生产的2205达到S31803的标准要求水平。太钢的专利公开了一种低镍双相不锈钢,此双相不锈钢具有成本低、强度高的优点。宝钢一钢公司也于2006年开始研发Cr22型双相不锈钢,现在已经可以生产4~8mm的卷板和14~30mm的中板2205。宝钢的专利公开了一种高氮低镍双相不锈钢,其具有优良的室温冲击性能和抗腐蚀性能,可广泛的应用于沿海建筑、石油化工等领域。值的注意的是,一些中小不锈钢企业也开始双相不锈钢方面的研究。 
4、双相不锈钢的未来发展方向 
近年来,随着Ni价的不断上涨和大幅波动,双相不锈钢呈现出两头发展的趋势。其一,充分发挥双相不锈钢资源节约的优势,发展以2101等经济型双相不锈钢,其发展方向为代替传统的300系列奥氏体不锈钢,其设计思想以Mn、N元素代替Ni、Mo等贵金属。其二。是充分发挥双相不锈钢高强度、良好耐腐蚀性能的特点,发展以2507和2906为代表的超级双相不锈钢,以部分代替超级奥氏体不锈钢904L、254Mo等。 
从双相不锈钢国内外发展情况可以看出,双相不锈钢钢是一种资源节约型的高性能的不锈钢产品,它的生产和应用符合不锈钢未来发展的方向。同时,双相不锈钢又是一种高技术、高附加值的产品,它的开发和生产不仅体现了不锈钢生产企业的技术水平,同时也可为企业创造更多的经济效益。可以预料,双相不锈钢的使用比例在今后会进一步扩大,双相不锈钢的发展有着光明的前景。
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