雙相不鏽鋼化學成分及合金元素的作用
雙相不鏽鋼化學成分及合金元素的作用
雙相不鏽鋼的化學成分
一般認為，雙相不鏽鋼中鐵素體相與奧氏體相的比例為30％～70%時，可以獲得良好的性能。但雙相不鏽鋼常常被認為是鐵素體和奧氏體大致各占一半，在目前的商品化生產中，為了獲得佳的韌性和加工特性，傾向於奧氏體的比例稍大一些。主要的合金元素尤其是鉻、鉬、氮和鎳之間的相互作用是非常複雜的。為了獲得穩定的有利於加工和製造的雙相組織，必須注意使每種元素有適當的含量。
除了相平衡以外，有關雙相不鏽鋼及其化學組成的**個主要問題是溫度升高時有害金屬間相的形成。σ相和χ相在高鉻、高鉬不鏽鋼中形成，並優先在鐵素體相內析出。氮的添加大大延遲了這些相的形成。因此在固溶體中保持足夠量的氮非常重要。隨著雙相不鏽鋼製造經驗的增加，人們越來越認識到控製較窄的成分範圍的重要性。2205雙相不鏽鋼初設定的成分範圍過寬，經驗表明，為了得到佳的耐腐蝕性能及避免金屬間相的形成，S31803的鉻、鉬和氮含量應保持在含量範圍的中上限，由此引出了成分範圍較窄的改進型2205雙相鋼UNS S32205。S32205的成分就是今天商品化的2205雙相不鏽鋼的典型成分。在本文中，除非另有說明，通常2205指的就是S32205。
合金元素的作用
以下簡單介紹幾個重要的合金元素對雙相不鏽鋼的力學性能、物理性能和腐蝕特性的影響。
鉻：
鋼中鉻含量必須不低於10.5％才能形成穩定的含鉻鈍化膜，保護鋼不受大氣腐蝕。不鏽鋼的耐腐蝕性能隨鉻含量的增加而增加。鉻是鐵素體形成元素，鋼中加鉻可促使體心立方結構的鐵素體形成。鋼中鉻含量較高時，需要加入更多的鎳才能形成奧氏體或雙相（鐵素體－奧體）組織。較高的鉻量也會促進金屬間相的形成。奧氏體不鏽鋼鉻含量至少為16％，雙相不鏽鋼鉻含量至少為20％。鉻還能增加鋼在高溫下的抗氧化能力，鉻的這一作用很重要，它影響熱處理或焊接後氧化皮或回火色的形成和去除。雙相不鏽鋼的酸洗和去除回火色要比奧氏體不鏽鋼困難。
鉬：
鉬能提高不鏽鋼耐點蝕和縫隙腐蝕的能力。當不鏽鋼中鉻含量至少為18％時，鉬對改善耐氯化物點蝕和縫隙腐蝕能力的有效作用是鉻的三倍。鉬是鐵素體形成元素，同時也增大了不鏽鋼形成金屬間相的傾向。因此，奧氏體不鏽鋼的鉬含量通常小於約7％，雙相不鏽鋼的鉬含量小於4％。
氮：
氮提高奧氏體和雙相不鏽鋼的耐點蝕和縫隙腐蝕的能力，它還能顯著地提高鋼的強度。事實上它是有效的固溶強化元素。它是低成本合金元素和強奧氏體形成元素，能夠代替部分鎳，起到穩定奧氏體的作用。含氮雙相不鏽鋼韌性的改善得益於其較高的奧氏體含量和較少的金屬間相。氮並不能阻止金屬間相的析出，但可推遲金屬間相的形成，這樣便留出足夠的時間進行雙相不鏽鋼的加工和製造。氮被添加到鉻和鉬含量高的高耐蝕性奧氏體和雙相不鏽鋼中，以抵消它們形成σ相的傾向。
氮通過固溶強化提高了奧氏體的強度，也提高了其加工硬化率。雙相不鏽鋼一般都添加氮並調整鎳含量以獲得理想的相平衡。鐵素體形成元素鉻和鉬與奧氏體形成元素鎳和氮相互平衡才能獲得雙相組織。
鎳：
鎳是穩定奧氏體的元素，促使不鏽鋼的晶體結構從體心立方結構（鐵素體）轉化為麵心立方結構（奧氏體）。鐵素體不鏽鋼含極少的鎳或不含鎳，雙相不鏽鋼含鎳量為低至中等，如1.5%～7％，300係奧氏體不鏽鋼至少含有6％的鎳。添加鎳延遲了奧氏體不鏽鋼中有害金屬間相的形成，但是在雙相不鏽鋼中鎳延遲金屬間相形成的效果遠不如氮。麵心立方結構使奧氏體不鏽鋼具有很好的韌性。與鐵素體不鏽鋼相比，雙相不鏽鋼中有近一半是奧氏體組織，因此雙相鋼的韌性比鐵素體不鏽鋼顯著提高。
雙相不鏽鋼因為其金相顯微組織由鐵素體和奧氏體兩種不鏽鋼晶粒組成，所以被稱為 “雙相”。下圖中，藍顏色的奧氏體相仿佛 “島嶼” 被淺色的鐵素體相海洋所包圍。當雙相不鏽鋼熔化後，它從液態凝固時首先凝固成完全的鐵素體結構，隨著材料冷卻到室溫，大約有一半的鐵素體晶粒轉變為奧氏體晶粒（“島嶼”）。其結果是，顯微組織中大約50%為奧氏體相，50%為鐵素體相。
雙相結構使得這類不鏽鋼集許多優異特性於一身，這種結合的優點是強度高：雙相不鏽鋼的強度大約是常規奧氏體不鏽鋼或鐵素體不鏽鋼強度的2倍。因此設計師在某些應用中就可減薄壁厚。下圖比較了室溫到300℃的溫度區間幾種雙相不鏽鋼與316L奧氏體不鏽鋼的屈服強度。
儘管雙相不鏽鋼強度高，但它們表現出良好的塑性和韌性。雙相不鏽鋼的韌性和延展性明顯優於鐵素體不鏽鋼和碳鋼，即使在很低的溫度如－40℃/F下仍保持良好的韌性。但還達不到奧氏體不鏽鋼的優異程度。
不鏽鋼的耐腐蝕性主要取決於其化學成分。在大多數應用環境中，雙相不鏽鋼都顯示出較高的耐蝕性能，這是由於它們鉻含量高，在氧化性酸中很有利，並且含有足夠量的鉬和鎳，能耐中等還原性酸介質的腐蝕。
雙相不鏽鋼耐氯離子點蝕和縫隙腐蝕的能力，取決於其鉻、鉬、鎢和氮含量。雙相不鏽鋼相對較高的鉻、鉬和氮含量使它們具有很好的耐氯化物點蝕和縫隙腐蝕性能。它們有一係列不同的耐腐蝕性能，既有相當於316不鏽鋼耐蝕性的牌號，如經濟型雙相不鏽鋼21011，也有相當於6%鉬不鏽鋼耐蝕性的牌號，如SAF 25077。
雙相不鏽鋼具有非常好的耐應力腐蝕開裂（SCC）性能，這個特性是從鐵素體這一方“繼承”來的。所有雙相不鏽鋼耐氯化物應力腐蝕開裂的能力均明顯優於300係奧氏體不鏽鋼。而標準的奧氏體不鏽鋼牌號如304和316，在有氯離子、潮濕空氣和溫度升高的條件下，可能會發生應力腐蝕開裂。因此，在有較大應力腐蝕風險的化工行業許多應用，常常采用雙相不鏽鋼來代替奧氏體不鏽鋼的使用。
而在物理物理性能方麵，介於奧氏體不鏽鋼和鐵素體不鏽鋼之間，但更接近於鐵素體不鏽鋼和碳鋼。與具有相同耐腐蝕性的奧氏體不鏽鋼牌號相比，雙相不鏽鋼中鎳、鉬含量較低。因為合金元素含量低，雙相不鏽鋼在價格上可能有優勢，尤其是在合金附加費較高時。此外，由於雙相不鏽鋼較高的屈服強度，其斷麵尺寸常常可減薄。與采用奧氏體不鏽鋼的方案相比，采用雙相不鏽鋼可顯著地降低成本，減輕重量。
雙相不鏽鋼的發展曆程
雙相不鏽鋼已有80多年的曆史。早期的牌號是鉻、鎳和鉬的合金。1930年在瑞典生產出批鍛軋雙相不鏽鋼並用於亞硫酸鹽造紙工業，開發這些牌號是為了減少早期高碳奧氏體不鏽鋼的晶間腐蝕問題。1930年芬蘭生產出雙相不鏽鋼鑄件。1936年Uranus 50 的前身在法國獲得**。二戰後，AISI 329型不鏽鋼成為成熟的牌號並廣泛用於硝酸裝置的熱交換器管道。3RE60是代專為提高耐氯化物應力腐蝕斷裂（SCC）性能而研製的代雙相不鏽鋼牌號之一。後來，鍛軋和鑄造雙相不鏽鋼牌號均用於各種加工工業的應用，包括容器、熱交換器和泵。
代雙相不鏽鋼有良好的性能表現，但在焊接狀態下有局限性。焊縫的熱影響區（HAZ）由於鐵素體過多而韌性低，並且耐腐蝕性能明顯低於母材。這些局限性使代雙相不鏽鋼的應用，**於非焊接狀態下的一些特定應用。1968年不鏽鋼精煉和氬氧脫碳(AOD)工藝的發明，使一係列新不鏽鋼鋼種的產生成為可能。AOD所帶來的諸多進步之一便是氮作為合金元素的刻意添加。雙相不鏽鋼添加氮可以使焊接狀態下HAZ的韌性和耐蝕性接近於母材的性能。隨著奧氏體穩定性的提高，氮還降低了有害金屬間相的形成速率。
含氮的雙相不鏽鋼被稱為**代雙相不鏽鋼。這一新的商品化進展始於70年代後期，正好與北海海上油氣田的開發及市場對具有優異耐氯離子腐蝕性能、良好的加工性能和高強度的不鏽鋼需求相吻合。2205成為**代雙相不鏽鋼的主要牌號並廣泛用於海上石油平台集氣管線和處理設施。由於這種鋼的強度高，因此壁厚可減薄，從而可以減輕平台的重量，因此這種不鏽鋼的應用有很大的吸引力。
雙相不鏽鋼包含一係列耐腐蝕特性各不相同的牌號，其耐腐蝕性能取決於它們的合金成分。
本文根據耐腐蝕性，將現代雙相不鏽鋼分為五類:
1. 不刻意添加鉬的經濟型雙相不鏽鋼，如2304；
2. 含鉬的經濟型雙相不鏽鋼，如S32003;
3. Cr含量約22%、Mo含量3%的標準雙相不鏽鋼，如2205，是主要的牌號，約占雙相不鏽鋼用量的60%；
4. Cr含量約為25%、Mo含量為3%的超級雙相不鏽鋼，PREN值40～45，如2507；
5. 特超級雙相不鏽鋼，Cr和Mo含量高於超級雙相不鏽鋼，PREN值大於45，如S32707
不鏽鋼耐局部腐蝕性能與其合金元素含量有很強的相關關係。能夠增加耐點蝕能力的元素主要有Cr, Mo, and N. W。儘管W不常用，但它的有效貢獻約為Mo的一半（以重量百分比計）。不鏽鋼在氯離子溶液中的相對耐點蝕能力與不鏽鋼成分之間的關係可以用一個經驗關係式來描述，叫做耐點蝕當量數（PREN）。
