這里所說(shuō)的雙相不銹鋼是指在固溶化熱處理后，具有奧氏體和鐵素體兩相組織，并且，其中一相含量不低于25%的不銹鋼。不包括奧氏體不銹鋼中含有少量鐵素體或鐵素體不銹鋼中含有少量奧氏體的不銹鋼。

在不銹鋼家族中，雙相不銹鋼雖然是最年輕的成員，但是，由于在含Cl－介質(zhì)中抗點(diǎn)腐蝕、抗縫隙腐蝕，特別是抗應(yīng)力腐蝕的高能力及良好的力學(xué)性能和工藝性能，越來(lái)越得到重視和應(yīng)用。盡管在我國(guó)的不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)中所列的鋼號(hào)不是很多，但在石油、化工，特別是海洋事業(yè)中已被廣泛應(yīng)用。

一、雙相不銹鋼的分類

雙相不銹鋼通常分為四類。

1．低合金型雙相不銹鋼

這類鋼的合金成分以鉻、鎳為主，且含量偏低。點(diǎn)蝕當(dāng)量指數(shù)PRE不大于25。

我國(guó)冷軋鋼板材料0Cr21Ni5Ti屬此類。

2．中合金型雙相不銹鋼

與低合金型雙相不銹鋼相比，加入了鉬或銅。點(diǎn)蝕當(dāng)量指數(shù)PRE在25～35之間。

雙相不銹鋼軋材00Cr18Ni5Mo3Si2屬此類。

3．高合金型雙相不銹鋼

這類鋼有較高含量的鉻、鎳及鉬、銅等合金元素，點(diǎn)蝕當(dāng)量指數(shù)PRE在35～40之間。

我國(guó)已大量使用的0Cr25Ni6Mo3CuN屬此類。

4．超級(jí)雙相不銹鋼

這類鋼除含有較高量的鉻、鎳、鉬、氮合金元素外，有的還加入鎢、銅元素。點(diǎn)蝕當(dāng)量指數(shù)PRE大于40。

我國(guó)一些行業(yè)已開(kāi)始應(yīng)用的00Cr25Ni7Mo3.5WCuN即屬此類。

目前，在我國(guó)一些標(biāo)準(zhǔn)里列入的雙相不銹鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表6－2，機(jī)械性能見(jiàn)表6－3。

雙相不銹鋼與其他不銹鋼一樣，為滿足使用的機(jī)械性能和耐腐蝕性能的要求，應(yīng)當(dāng)依靠正確的熱處理來(lái)保證。

雙相不銹鋼機(jī)械性能和耐腐蝕性能的改善，是通過(guò)改變雙相不銹鋼兩相的比例、兩相中合金成分及消除其他析出相來(lái)實(shí)現(xiàn)的。雙相不銹鋼在不同的加熱溫度和不同的冷卻條件下，對(duì)兩相比例、兩相中合金成分和析出相均產(chǎn)生重要的影響。這就是確定雙相不銹鋼正確熱處理的主要依據(jù)。

二、雙相不銹鋼的基本特點(diǎn)

1．雙相不銹鋼的成分特點(diǎn)

雙相不銹鋼中合金成分的確定考慮了以下幾個(gè)因素。

①保證耐腐蝕，特別是耐點(diǎn)腐蝕、耐縫隙腐蝕、耐應(yīng)力腐蝕破裂的能力。

②保證雙相鋼的特征，即固溶處理后能具備兩相，且其中一相不少于25%。

③具有一定的強(qiáng)度、塑韌性。

④考慮不同合金元素之間的相同或不同的作用。

⑤考慮材料鑄造、熱處理及加工可行性。

依據(jù)上述原則，雙相不銹鋼中的主要合金元素有鉻、鎳、鉬、氮、鎢等。

(1)鉻。鉻是保證耐腐蝕的最主要元素。鉻能形成鈍化膜，并對(duì)被破壞的鈍化膜有良好的自修復(fù)能力，隨著鉻含量的提高，鋼的鈍化能力增強(qiáng)。

鉻對(duì)基體有明顯的固溶強(qiáng)化作用，隨含鉻量的增加，鋼的屈服強(qiáng)度提高。但會(huì)引起σ相等析出，會(huì)使塑性、韌性降低，見(jiàn)圖6－1和圖6－2。

圖6－1　鉻對(duì)鋼力學(xué)性能的影響

從圖6－2可見(jiàn)，含鉻量超過(guò)30%時(shí)，沖擊韌性急劇下降。且含量越高，韌性越低，所以，從機(jī)械性能考慮，雙相不銹鋼中的鉻含量一般不大于30%。

鉻又是鐵素體形成元素，其含量的多少影響著兩相中鐵素體的比例。

圖6－2　鉻對(duì)鋼沖擊韌性的影響

考慮鉻在上述各方面的作用，雙相不銹鋼中的鉻含量通?？刂圃?8%～30%之間。

(2)鎳。鎳在雙相不銹鋼中的主要作用是調(diào)整兩相的比例，從而調(diào)整雙相不銹鋼的機(jī)械性能和耐腐蝕性能。

鎳對(duì)雙相不銹鋼機(jī)械性能的影響見(jiàn)圖6－3。

鎳含量過(guò)低，鋼中的鐵素體相含量多，易使脆性增大，鎳含量過(guò)高，鐵素體量少，則會(huì)因鐵素體中更富集鉻、鉬等合金元素，會(huì)促使脆相析出，同樣降低鋼的韌性，鐵素體含量少即奧氏體含量多，又會(huì)影響鋼的屈服強(qiáng)度。所以，考慮機(jī)械性能，鎳含量在4.5%～7.5%之間合適。

同樣的道理，為保證雙相不銹鋼有較好的耐點(diǎn)腐蝕能力，使組織中兩相力求接近平衡，也應(yīng)用鎳含量來(lái)調(diào)整。

綜合考慮上述因素，依據(jù)鉻等其他元素含量情況，雙相不銹鋼中鎳的含量一般控制在4.0%～8.0%的范圍內(nèi)。

(3)鉬。鉬在雙相不銹鋼中有與鉻相似的作用，且可以提高鈍化膜的穩(wěn)定性，從而提高抗腐蝕能力。但鉬含量太高時(shí)，會(huì)促進(jìn)σ相析出，增加鋼的脆性，所以，在雙相不銹鋼中，控制鉬的含量在4%以內(nèi)。

圖6－3　鎳對(duì)25%鉻鋼組織和力學(xué)性能的影響

1．Rm　2．Rp0.2　3．AK

(4)氮。氮對(duì)雙相不銹鋼中奧氏體的穩(wěn)定作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鎳的作用，盡管對(duì)氮在雙相不銹鋼中提高抗點(diǎn)腐蝕性能的原因有不同的解釋，但其明顯提高抗點(diǎn)腐蝕性能的效果是可以充分肯定的。合適的氮含量還可以通過(guò)質(zhì)點(diǎn)析出，使雙相不銹鋼強(qiáng)化，提高鋼的強(qiáng)度。見(jiàn)圖6－4。

氮含量過(guò)高可能引起材料的脆化和影響冶金質(zhì)量，所以，在雙相不銹鋼中，控制氮的含量不大于0.3%。

(5)鎢。鎢加入雙相不銹鋼中，是因?yàn)殒u能提高鋼的點(diǎn)蝕電位，從而提高鋼的抗點(diǎn)腐蝕能力。而從機(jī)械性能方面考慮，鎢可延緩25%鉻鋼中的脆相析出，降低鋼的脆化傾向。但當(dāng)鎢含量超過(guò)4%時(shí)，反而會(huì)促進(jìn)脆相析出，所以，在雙相不銹鋼中，鎢的含量不超過(guò)1%。

圖6－4　氮對(duì)22%鉻鋼鐵素體和強(qiáng)度的影響

1．Rm　2．Rp0.2

除上述合金元素外，從提高耐腐蝕性，節(jié)約鎳元素，穩(wěn)定碳等要求考慮，有的雙相不銹鋼中還適當(dāng)加入錳、銅、鈦、鈮等合金元素。

在雙相不銹鋼中，各合金元素之間的作用有的相互促進(jìn)，有的相互制約。所以，每種雙相不銹鋼中，合金元素及其含量的確定應(yīng)滿足機(jī)械性能、耐腐蝕性能、工藝性能及兩相比例合理等條件。

2．雙相不銹鋼機(jī)械性能特點(diǎn)

雙相不銹鋼的兩相組織特征決定了其機(jī)械性能特征。與單相奧氏體不銹鋼和單相鐵素體不銹鋼相比，強(qiáng)度和硬度要高，塑性和韌性介于兩者之間。見(jiàn)圖6－5和表6－1。

圖6－5　三類不銹鋼機(jī)械性能對(duì)比

表6－1　三種不銹鋼機(jī)械性能對(duì)比(實(shí)測(cè)值)

雙相不銹鋼機(jī)械性能的這個(gè)特征是由其化學(xué)成分和兩相構(gòu)成的特點(diǎn)決定的。

雙相不銹鋼中的一些元素，如碳、鉻、鉬、銅、氮等都可對(duì)基體組織起到強(qiáng)化作用，各合金元素之間的比例調(diào)整合適，還可減少脆性相的析出，保證塑性和韌性。

由于兩相的存在，相互之間制約了晶粒的長(zhǎng)大，使雙相不銹鋼保持了細(xì)晶粒，而且，雙相不銹鋼的晶界總面積大于單相鋼，所以，雙相不銹鋼的強(qiáng)度，特別是屈服強(qiáng)度較高，并保證有一定的塑性和韌性。

雙相不銹鋼機(jī)械性能的另一特點(diǎn)是與兩相比例的變化有關(guān)。一般情況是隨鐵素體量的增加強(qiáng)度，特別是屈服強(qiáng)度升高;隨奧氏體量的增加，塑性和韌性升高，見(jiàn)圖6－6和圖6－7。

圖6－6　鐵素體含量對(duì)雙相不銹鋼屈服強(qiáng)度的影響

1．1 9 6℃　2．1 2 9℃　3．7 6℃　4．2 1℃

圖6－7　奧氏體含量對(duì)雙相不銹鋼性能的影響

(a)1120℃固溶水冷［1．Rm　2．Rp0. 2　3．A(%)］;(b)1120℃固溶［1．水冷　2．空冷］

當(dāng)然，雙相不銹鋼兩相的比例除與化學(xué)成分有關(guān)外，還與熱處理溫度有關(guān)，見(jiàn)圖6－8?？梢?jiàn)，隨加熱溫度升高，鐵素體含量比例增加。

3．雙相不銹鋼耐腐蝕性能特點(diǎn)

雙相不銹鋼具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，特別是在含Cl－介質(zhì)中的耐點(diǎn)腐蝕、耐縫隙腐蝕和耐應(yīng)力腐蝕的能力更是優(yōu)于其他類不銹鋼。雙相不銹鋼的這種耐腐蝕性能特點(diǎn)，與其化學(xué)成分和兩相結(jié)構(gòu)有關(guān)。

雙相不銹鋼中的各合金元素都具有良好的抗腐蝕能力。鉻是提高鋼耐腐蝕的基本元素，其能形成穩(wěn)定的鈍化膜，并對(duì)受到破壞的鈍化膜有強(qiáng)的自修復(fù)能力，在雙相不銹鋼中，鉻元素含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于13%。鉬可以提高鈍化膜的穩(wěn)定性，氮能夠促進(jìn)鈍化膜的均勻性，在提高點(diǎn)蝕指數(shù)能力上是鉻的20～30倍。

圖6－8　00Cr22Ni5Mo3N鋼溫度與α相含量的關(guān)系

雙相不銹鋼的兩相結(jié)構(gòu)也有利于提高其耐腐蝕性。在雙相不銹鋼發(fā)展的最初階段，曾擔(dān)心由于鋼中兩相的成分不同和電位的差異而產(chǎn)生電偶腐蝕，但經(jīng)過(guò)研究和實(shí)踐證明，雙相不銹鋼中的兩相只要保證各自的腐蝕電位都處于鈍化區(qū)，兩相都達(dá)到鈍化狀態(tài)，就能保證鋼具有良好的耐腐蝕性能。兩相結(jié)構(gòu)使鋼的晶粒更細(xì)，晶界面積更多，降低了引起腐蝕的析出物在晶界處的濃度，并且，一旦有析出物產(chǎn)生，形成貧鉻區(qū)時(shí)，則會(huì)從高鉻的鐵素體相很快得到鉻的補(bǔ)充，恢復(fù)該處鉻的濃度。

雙相不銹鋼中的兩相可以理解為互為第二相，一旦在其中一相產(chǎn)生了應(yīng)力腐蝕微裂紋，當(dāng)這個(gè)微裂紋延伸到另一相的交界處就會(huì)受到阻礙而終止。另外，雙相不銹鋼的屈服強(qiáng)度比鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼高，當(dāng)然，抵抗應(yīng)力腐蝕的能力也高。

按化學(xué)成分評(píng)定雙相不銹鋼抗點(diǎn)腐蝕能力的常用標(biāo)準(zhǔn)是鋼的點(diǎn)蝕當(dāng)量PRE。PRE值越大，鋼的抗點(diǎn)蝕能力越強(qiáng)。

常見(jiàn)的雙相不銹鋼點(diǎn)蝕當(dāng)量計(jì)算公式為:

PRE(PREN)=Cr%+3.3×Mo%+16×N%

另外，還有考慮Mn、W、P+ S元素作用的公式，分別是:

　PREMn=Cr%+ 3. 3×Mo%+3 0×N%－Mn%

PRE W=Cr%+3.3×(Mo+0.5W)%+16×N%

　PREN(P+S)=Cr%+3. 3×Mo%+3 0×N%－

　　　　　　123×(P+S)%

此外，評(píng)定雙相不銹鋼抗點(diǎn)蝕能力的標(biāo)準(zhǔn)還有臨界點(diǎn)蝕溫度CPT，臨界點(diǎn)蝕溫度越高，說(shuō)明抗點(diǎn)蝕能力越強(qiáng)。

四、超級(jí)雙相不銹鋼的固溶處理

近年來(lái)，由于冶金技術(shù)水平的提高和實(shí)際需要，陸續(xù)發(fā)展了超低碳、高合金元素、低硫、低磷的超級(jí)雙相不銹鋼。超級(jí)雙相不銹鋼的PREN值一般大于40。

00Cr25Ni7Mo3.5W CuN是超級(jí)雙相不銹鋼的代表鋼號(hào)。最早由英國(guó)M＆P公司開(kāi)發(fā)，商業(yè)牌號(hào)為Zeron100。這種超級(jí)雙相不銹鋼在我國(guó)一些行業(yè)已廣泛應(yīng)用。

00Cr25Ni7Mo3.5W CuN鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表6－2，機(jī)械性能標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表6－3。

此鋼氮的加入量為0.20%～0.30%，高于其他含氮雙相不銹鋼中的氮含量。氮與銅的共同作用增加了鋼中奧氏體的穩(wěn)定性。所以，盡管00Cr25Ni7Mo3.5W CuN鋼中的鉻、鉬含量較高，其組織中的兩相比例仍能接近于50%。

鎢還能延緩脆性相的析出，降低鋼的脆化傾向，降低點(diǎn)腐蝕傾向，鎢與銅在400℃左右的溫度區(qū)間對(duì)鋼的基體有強(qiáng)化和硬化作用，提高了鋼的耐腐蝕性能。但鎢的含量不宜大于2%，過(guò)高的含鎢量將產(chǎn)生其他不利的影響。

由于00Cr25Ni7Mo3.5W CuN鋼中含有較高的合金元素，特別是鎢的加入，使其固溶溫度可適當(dāng)提高，在實(shí)際生產(chǎn)中，固溶加熱溫度可選用1100～1120℃的溫度區(qū)間，加熱保溫后水冷。

超級(jí)雙相不銹鋼因其優(yōu)良的耐腐蝕性能和較高的機(jī)械性能，越來(lái)越得到重視。00Cr25Ni7Mo3.5W CuN鋼鍛件熱處理后的機(jī)械性能實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(多件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))如下。

R: 800～845N/mm2; R: 640～730N/mm2; A: 37%～mp0.2?40%; A?ku2: 170～260J。

雙相不銹鋼固溶處理工藝比較簡(jiǎn)單，但是在實(shí)際熱處理時(shí)還應(yīng)注意以下問(wèn)題。

固溶加熱速度，特別是在低溫段的加熱速度應(yīng)予以控制，不宜過(guò)快。一方面是因?yàn)殡p相不銹鋼合金成分含量高，導(dǎo)熱慢，緩慢加熱有利于減少工件內(nèi)外溫差和保證合金元素充分溶解，另一方面的原因是雙相不銹鋼在前期熱加工過(guò)程中(鍛、軋或鑄造)，不可避免地有脆相析出，使材料變脆。如果工件尺寸大，截面變化明顯，形狀復(fù)雜又會(huì)存在較大應(yīng)力，而固溶加熱速度快又產(chǎn)生新的應(yīng)力，這些因素共同作用的結(jié)果可能造成工件熱處理裂紋。我們?cè)陔p相不銹鋼鑄件生產(chǎn)初期，對(duì)一些復(fù)雜大鑄件固溶加熱時(shí)，就因沒(méi)注意控制加熱速度，致使鑄件入爐后，在爐溫300℃左右便聽(tīng)到鑄件的爆裂聲，在鑄件變截面處產(chǎn)生多處大裂紋。后來(lái)采用鑄件低溫入爐(不大于150℃裝爐)，緩慢加熱(不大于40℃/h)至750℃，再隨爐升溫的加熱方式，防止了鑄件裂紋的再發(fā)生。

固溶處理的冷卻對(duì)雙相不銹鋼的耐腐蝕性能有明顯的影響，我們?cè)鴮?duì)雙相不銹鋼00Cr25Ni7Mo2N的鑄件和熱軋板材固溶冷卻對(duì)耐腐蝕性能的影響做過(guò)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表6－6。

表6－6　冷卻方式對(duì)00Cr25Ni7Mo2N腐蝕影響

腐蝕條件:(1.5% FeCl3·6H2O+ 3% NaCl+ 20mLHAC)/L 40℃×24h

從表6－6可見(jiàn)，雙相不銹鋼固溶處理的冷卻方式對(duì)耐腐蝕性能的影響很大。所以，不僅對(duì)鑄件、鍛件，就是對(duì)鑄件補(bǔ)焊或雙相不銹鋼的焊接構(gòu)件，為保證性能，也應(yīng)盡量采用固溶水冷處理。

五、雙相不銹鋼消除應(yīng)力處理

前面提到，雙相不銹鋼的最終熱處理以固溶處理為最好。但在有些情況下，如鑄件粗加工后的缺陷補(bǔ)焊、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)焊接件及施工現(xiàn)場(chǎng)不具備固溶處理?xiàng)l件等，這時(shí)，為減少工件應(yīng)力，可采用消除應(yīng)力處理。消除應(yīng)力處理的溫度和保溫時(shí)間應(yīng)慎重確定。應(yīng)以不產(chǎn)生或少產(chǎn)生對(duì)機(jī)械性能、耐腐蝕性能的不利影響為原則?；蛘哒f(shuō)，選擇在沒(méi)有碳化物、氮化物及金屬間相析出的區(qū)間。如對(duì)于00Cr25Ni7Mo4N雙相不銹鋼，根據(jù)其等溫轉(zhuǎn)變圖，見(jiàn)圖6－16，消除應(yīng)力的溫度或選擇在200～250℃區(qū)間，或選擇在550～600℃溫度區(qū)間，但保溫時(shí)間不應(yīng)大于10h。

圖6－16　00Cr25Ni7Mo4N等溫轉(zhuǎn)變圖

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