双相不锈钢的性能与应用

双相钢--基本组织性能及用途

奥氏体+铁素体双相不锈钢是指不锈钢中既有奥氏体（γ相）又有铁素体（α相）组织结构的钢种，而且此二相组织要独立存在，含量都较大，一般认为最少相的含量应大于15%。而实际工程中应用的奥氏体+铁素双相不锈钢（习惯称α+γ双相不锈钢或双相不锈钢）多以奥氏体为基并含有不小于30%的铁素体，最常见的是两相各约占50%的双相不锈钢。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。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。双相不锈钢英文简写是DSS(Duplex Stainless Steel)。

由于具有α+γ双相组织结构，双相不锈钢兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点。与铁素体不锈钢相比，α+γ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、导热系数高、线膨胀系数小、具有超塑性、有磁性等。与奥氏体不锈钢相比，α+γ双相不锈钢的强度高，特别是屈服强度显著提高，且耐晶间腐蚀、耐应力腐蚀、耐腐蚀疲劳等性能有明显的改善。

α+γ双相不锈钢又分为Cr-Ni型和Cr-Mn-N型。目前实际工程最常用的α+γ双相不锈钢是Cr-Ni型，可分为四类，低合金型（如SAF2304）、中合金型(如ASF2205、A903)、高合金型（如255、UR52N）及超级双相不锈钢型（如Zeron 100、SAF2507）。

α+γ双相不锈钢的性能主要受α和γ相比例影响，研究结果表明：α和γ相各占50%时，α+γ双相不锈钢具有良好的耐腐蚀性能和焊接性能。在平衡状态下，α+γ双相不锈钢两相比例主要是由钢中合金元素的含量来决定的即由铬当量（Creq ）和镍当量（Nieq ）来决定的。当双相不锈钢加热温度足够时，就会发生γ-α转变，当达到1200~1300℃时，，急冷时某些钢种可以呈现单相铁素体，冷却速度较慢时，析出的奥氏体量仍有可能不完全。在重新热处理后，新析出的奥氏体称为二次奥氏体γ2,析出速度相当快，其形态呈针状或羽毛状。二次奥氏体量随回火温度的提高和保温时间的延长而逐渐增加，而且体积也长大，这种状态的α+γ双相组织一般比较粗大，性能不好。
       当加热温度低于1050℃时，碳化物可在α-γ相界上形成，由于有相对高铬的铁素体供铬，相对高碳的奥氏体供碳，最易形成Cr23C6 型碳化物。碳化物的长大消耗了相邻区域的铬量，加之铬在铁素体中的扩散速度很快，于是，这部分原来为铁素体随即转变为奥氏体，这样便形成了碳化物和奥氏体的聚集区。由于双相不锈钢绝大部分为超低碳，所以能析出的碳化物有限，尚不足以在α-γ晶间（相界）上形成网状碳化物。因此，对超低碳双相不锈钢而言，一般不必担心碳化物析出带来的危害。合金元素的含量直接影响到双相不锈钢的相比例和有关性能。Ni的主要作用是调整双相不锈钢有一个合理的相比例。N是强烈形成奥氏体的元素，在双相不锈钢中，高温时N稳定奥氏体的能力也比Ni大，N还能提高双相不锈钢的耐孔蚀和缝隙腐蚀性能。Cr是保证双相不锈钢有合理相比例的主要铁素体形成元素，随着Cr含量的增加，双相不锈钢耐蚀性也提高.Mo是铁素体形成元素，Mo能提高双相不锈钢的耐孔蚀和缝隙腐蚀性能，但Mo含量较高时，会增加钢的脆性。W是铁素体形成元素，W能提高双相不锈钢的耐孔蚀和缝隙腐蚀性能。Cu能提高钢在还原性介质中的耐蚀性。在氯化物环境中影响孔蚀主要合金元素是Cr、Mo和N，为了描述合金元素含量与腐蚀性能之间的关系，学者们建立了数学关系式，其中应用最普遍的是称之为孔蚀当量值（PRE）或称孔蚀指数的数学关系式：  PRE(PREN)=%Cr+3.3x%Mo+Xx%N
（其中 x =10~30，通常 X=16）
只考虑Cr、Mo和N的影响时，可表示为PREN。考虑W的影响时，表示为PREW；考虑Mn的影响时，表示为PRE Mn；考虑S P 的影响时，表示为PRE(S+P)。
PREW=%Cr+3.3x(%Mo+0.5%w)+16x%N
PRE Mn=%Cr+3.3x%Mo+30x%N-%Mn
PRE(S+P)=%Cr+3.3x%Mo+30x%N-123 x%(S+P)

双相不锈钢2205是一种铁素体-奥氏不锈钢。它综合了铁素体和奥氏体最有益的性能，具有很好的抗氯离子应力腐蚀开裂，比317L有更好的抗氯离子点蚀和缝隙腐蚀能力，很好的抗普通腐蚀的能力，很好的抗硫化物应力腐蚀能力。  
由于该钢铬和钼的含量都很高，因此具有极好的抗点腐蚀和均匀腐蚀的能力。双相头微组织保证了该钢具有很高的抗应力腐蚀破裂的能力，同时机械强度也很高。 
双相不锈钢2205的应用领域：造纸工业设备，食品工业加工设备，火电厂烟气脱硫设备，海上石油平台（热交换器管，水处理和供水系统，消防系统，喷水系统，稳水系统），脱盐（淡化）设备（Ro设备中的高压管，海水管）等特殊化工环境设备，油田管道和设备，其他化工设备。 用于炼油, 化肥,造纸,石油,化工 等耐海水耐高温浓硝酸等 的热交换器和冷淋器及器件。

双相不锈钢2205(00Cr22Ni5Mo3N,S31803)的化学成份% 

C≤0.023   Si≤0.4  Mn≤0.87   P≤0.023   S≤0.001    Cr:22~26     Ni: 5~5.94    N≤0.16

双相不锈钢2205(00Cr22Ni5Mo3N,S31803)的机械性能 

牌号 温度/状态 屈服强度σb≥(MPa) 

抗拉强度 σ0.2 ≥(MPa) 伸长率 δ

双相不锈钢的主要代表牌号

    一般可分为四类:

      低合金型--代表牌号是UNS S32304（23Cr-4Ni-0.1N）

                      PREN值24～25

      中合金型--代表牌号是UNS S31803（22Cr-5Ni-3Mo-0.15N）,

                      PREN 值32～ 33

      高合金型--标准牌号有UNS S32550（25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N）,

                      PREN 值38～39

      超级双相不锈钢型--标准牌号有UNS S32750（25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N）,

                      PREN值＞40      

    (※ PREN 耐孔蚀指数       PREN=Cr%+3.3×Mo%+16×N%) 

  低合金型UNS S32304不含钼, 在耐应力腐蚀方面可代替AISI304或316使用.

  中合金型UNS S31803的耐蚀性能介于AISI 316L和6%Mo+N奥氏体不锈钢之间.

  高合金型,一般含25%Cr,还含有钼和氮,有的还含有铜和钨,这类钢的耐蚀性能高于22%Cr的双相不锈钢.

  超级双相不锈钢型,含高钼和氮,有的也含钨和铜 , 可适用于苛刻的介质条件,具有良好的

耐腐蚀与力学综合性能,可与超级奥氏体不锈钢相比美.

                    代表牌号的主要化学成分

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双相不锈钢化学成分,% 

类型       UNS 牌号    C        Cr    Ni    Mo    Cu         N  

低合金型   S32304     ≤0.03       23    4     5              0.05/0.20 

中合金型   S31803     ≤0.03       22    5     3              0.08/0.20 

中合金型   S32205     ≤0.03       22    5     3              0.14/0.20 

高合金型   S32550     ≤0.04       25    6     3    1.5-2.5    0.10/0.25 

超级DSS   S32750    ≤ 0.03        25    7    4    0.5最大   0.24/0.32 

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从表中可以看出: S 32205是由S31803派生出的钢种, 在ASTM A 240/240M-99a标准中是在1999年才纳标的,它的Cr、Mo和N元素的区间都比较窄,容易达到相的平衡(即两相约各占一半), 改善了钢的强度,耐腐蚀性和焊接性能,多用于性能要求较高和需要焊接的材料,如油气管线等.