雙相不銹鋼加工制造實(shí)用指南(2)
雙相不銹鋼的應(yīng)用日益廣泛，用戶對(duì)這類不銹鋼也越來(lái)越熟悉。本文圍繞雙相不銹鋼應(yīng)用的難點(diǎn)之一 — 加工和焊接，介紹了雙相不銹鋼的各種特性，給出了加工和焊接雙相不銹鋼的基本原則和實(shí)用信息。
內(nèi)容包括：雙相不銹鋼的歷史、化學(xué)成分、冶金學(xué)、耐腐蝕性能、力學(xué)性能、物理性能、技術(shù)條件、質(zhì)量控制、切割、成形、焊接、應(yīng)用等。
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（續(xù)接前文）
5 耐腐蝕性能
在絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼應(yīng)用的環(huán)境中，雙相不銹鋼都顯示出較高的耐蝕性能，值得注意的是它們?cè)谀承┣闆r下具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。這是由于它們鉻含量高，在氧化性酸中很有利，并且含有足夠量的鉬和鎳，能耐中等還原性酸介質(zhì)的腐蝕。
雙相不銹鋼相對(duì)較高的鉻、鉬和氮含量也使它們具有很好的耐氯化物點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕性能，其雙相結(jié)構(gòu)在可能發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂的環(huán)境是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。
如果雙相不銹鋼的顯微組織中含有至少25％到30％的鐵素體，則其耐氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂的性能遠(yuǎn)比奧氏體不銹鋼304或316好。但鐵素體易發(fā)生氫脆，因此雙相不銹鋼在氫有可能進(jìn)入金屬的環(huán)境或應(yīng)用中耐蝕性不高，會(huì)發(fā)生氫脆。
5.1 耐酸腐蝕
為了說(shuō)明雙相不銹鋼在強(qiáng)酸溶液中的耐腐蝕性，圖6給出了硫酸溶液的腐蝕數(shù)據(jù)。介質(zhì)條件從低酸濃度的弱還原性環(huán)境到高濃度的氧化性環(huán)境及中等濃度熱溶液的強(qiáng)還原性環(huán)境。
2205和2507雙相不銹鋼在酸濃度最大約15％的溶液中，性能優(yōu)于許多高鎳奧氏體不銹鋼；在酸濃度至少為40％的范圍內(nèi)，雙相鋼優(yōu)于316或317不銹鋼。
雙相不銹鋼在這種含氯化物的氧化性酸中也很有用。
雙相不銹鋼的含鎳量不足以耐受中等濃度硫酸溶液或鹽酸的強(qiáng)還原性腐蝕。在還原性環(huán)境有酸濃縮的濕/干界面，腐蝕尤其是鐵素體的腐蝕就會(huì)開(kāi)始并快速進(jìn)展。
雙相不銹鋼耐氧化性腐蝕的性能使它們成為硝酸和強(qiáng)有機(jī)酸裝置優(yōu)良的候選材料。
圖7顯示在沸點(diǎn)溫度下，50％醋酸和不同含量甲酸混和溶液中雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼的腐蝕。盡管304和316不銹鋼可用于室溫和中等溫度下的強(qiáng)有機(jī)酸介質(zhì)，但2205和其他雙相不銹鋼在許多涉及高溫有機(jī)酸的工藝中占優(yōu)勢(shì)，而且由于它們耐點(diǎn)蝕和耐應(yīng)力腐蝕，也可用于鹵代烴工藝。
5.2 耐堿腐蝕
雙相不銹鋼的高含鉻量和鐵素體相的存在使其在堿性介質(zhì)中具有良好的性能。在中等溫度下，其腐蝕速度低于標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼的腐蝕速度。
5.3 耐點(diǎn)蝕和耐縫隙腐蝕
為討論不銹鋼的耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的性能，引入臨界點(diǎn)蝕溫度這一概念。對(duì)于某一氯化物環(huán)境，每一種不銹鋼都可用一個(gè)溫度來(lái)描述其特征，高于此溫度點(diǎn)蝕開(kāi)始出現(xiàn)，并且24小時(shí)之內(nèi)可發(fā)展到肉眼可見(jiàn)的程度。低于此溫度則在無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)也不會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)蝕。這一溫度即所謂的臨界點(diǎn)蝕溫度（CPT）。它是對(duì)特定不銹鋼牌號(hào)和特定環(huán)境的表征。由于點(diǎn)蝕的起始發(fā)生從統(tǒng)計(jì)學(xué)上看是隨機(jī)的，而且CPT對(duì)牌號(hào)和產(chǎn)品的微小變化敏感，因此，對(duì)于不同牌號(hào)的CPT通常以一個(gè)溫度范圍來(lái)表示。而采用ASTM G 150標(biāo)準(zhǔn)介紹的研究工具，即采用電化學(xué)測(cè)量法可能可以準(zhǔn)確和可靠地測(cè)定CPT。
縫隙腐蝕也有一個(gè)類似的臨界溫度，稱為臨界縫隙腐蝕溫度（CCT）。CCT取決于不銹鋼試樣、氯化物環(huán)境和縫隙的特性（緊密度，長(zhǎng)度等）。由于縫隙的幾何形狀以及實(shí)際中很難再現(xiàn)同樣縫隙的尺寸，CCT的測(cè)量數(shù)據(jù)要比CPT更分散。通常對(duì)于同樣的鋼和在同樣的腐蝕環(huán)境中CCT往往比CPT低15～20℃(27～36℉）。
雙相不銹鋼的高鉻、鉬和氮使其在含水環(huán)境中具有非常好的耐氯化物局部腐蝕性能。根據(jù)合金含量，一些雙相不銹鋼牌號(hào)甚至躋身于性能最好的不銹鋼之列。雙相不銹鋼的鉻含量相對(duì)高，所以耐蝕性好而且非常經(jīng)濟(jì)。
圖8給出了按照ASTM G 48 2（6% FeCl3）測(cè)定的一些固溶退火不銹鋼耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕性能的比較。材料焊接態(tài)的臨界溫度要低一些。臨界點(diǎn)蝕或縫隙腐蝕溫度高則表明材料耐腐蝕起始發(fā)生的能力較高。2205鋼的CPT和CCT都顯著高于316不銹鋼。這使2205鋼成為多用途的材料，適用于因蒸發(fā)導(dǎo)致氯離子濃縮的環(huán)境以及熱交換器的蒸汽空間或保溫層的下面。2205雙相鋼的CPT還表明它可用在堿水和脫氣鹽水中。它還成功地用于脫氣海水中，在這些應(yīng)用中，通過(guò)高流速的海水或用其他方法使鋼的表面沒(méi)有沉積物。
在苛刻的應(yīng)用中，如薄壁熱交換器管，或表面有沉積物或有縫隙時(shí)，2205雙相鋼在海水中沒(méi)有足夠的耐縫隙腐蝕能力。然而，CCT高于2205的高合金化雙相不銹鋼如超級(jí)雙相不銹鋼，已經(jīng)用于許多既要求高強(qiáng)度又要求耐氯離子腐蝕的苛刻海水條件。
因?yàn)镃PT與材料和特定環(huán)境成函數(shù)關(guān)系，有可能對(duì)單一要素的影響進(jìn)行研究。利用按照ASTM G 48 A法確定的CPT，采用回歸分析法得出鋼的成分（考慮每種元素作為一個(gè)獨(dú)立變量）和測(cè)定的CPT（相關(guān)變量）的關(guān)系。結(jié)果顯示只有鉻、鉬、鎢和氮對(duì)CPT有穩(wěn)定的影響。關(guān)系式如下：
CPT = 常數(shù) + %Cr + 3.3 (%Mo + 0.5%W) + 16%N.
式中4個(gè)合金元素乘以各自的回歸常數(shù)之和通常被稱為耐點(diǎn)蝕當(dāng)量值（PREN）。不同研究者給出的氮的系數(shù)不同，通常使用16，22和30。可根據(jù)PRE值給某一家族的牌號(hào)排序，但要注意避免對(duì)這一關(guān)系式的過(guò)分依賴。式中合金元素為“獨(dú)立變量”，但實(shí)際并不真正獨(dú)立，因?yàn)樵囼?yàn)的鋼是平衡成分。這種關(guān)系不是線性或交叉關(guān)系，例如鉻和鉬的協(xié)同作用被忽略。此關(guān)系式只是針對(duì)理想狀態(tài)的材料，沒(méi)有考慮金屬間相、非金屬相以及不當(dāng)?shù)臒崽幚韼?lái)的影響，熱處理不當(dāng)也對(duì)耐蝕性有不利影響。
5.4 耐應(yīng)力腐蝕斷裂
雙相不銹鋼最早期的某些應(yīng)用是基于它們耐氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂（SCC）的性能。與具有類似耐氯化物點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕性能的奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼表現(xiàn)出明顯優(yōu)越的耐應(yīng)力腐蝕斷裂性能。雙相不銹鋼在化學(xué)加工工業(yè)的許多應(yīng)用都是在有很大的應(yīng)力腐蝕斷裂危險(xiǎn)的場(chǎng)合，代替奧氏體不銹鋼的使用。然而，和其他所有材料一樣，雙相不銹鋼在特定條件下也易于發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。這種情況可能發(fā)生于高溫、含氯化物的環(huán)境或存在促使氫致斷裂的介質(zhì)條件。
雙相不銹鋼可能會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的環(huán)境條件如42％的沸騰氯化鎂溶液試驗(yàn)，金屬處于高溫并暴露于加壓含水氯化物系統(tǒng)的液滴蒸發(fā)試驗(yàn)（系統(tǒng)中的溫度可能高于常壓下的溫度）。
圖9給出了若干軋制退火的雙相不銹鋼和奧氏體不銹鋼在苛刻的氯化物介質(zhì)中的相對(duì)耐氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂性能。得出這些數(shù)據(jù)的液滴蒸發(fā)試驗(yàn)腐蝕條件很苛刻，因?yàn)樵囼?yàn)溫度為120℃(248℉)的高溫，并且氯化物溶液由于蒸發(fā)而濃縮。試驗(yàn)中兩種雙相不銹鋼2205和2507最終在所受應(yīng)力達(dá)到其屈服強(qiáng)度的某一百分比時(shí)發(fā)生斷裂，但這一百分?jǐn)?shù)比316不銹鋼相應(yīng)的百分比值高得多。由于雙相鋼在常壓下的氯化物水溶液中能夠耐應(yīng)力腐蝕斷裂，例如耐保溫層下的腐蝕，所以在已知304和316不銹鋼會(huì)發(fā)生斷裂的氯化物介質(zhì)中，可以考慮使用雙相不銹鋼。
表4總結(jié)了在不同腐蝕程度的各類試驗(yàn)介質(zhì)中，幾種不銹鋼的氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂行為。表左右兩側(cè)介質(zhì)分別由于含有酸性鹽和溫度高而條件苛刻。表中間的介質(zhì)條件不那么苛刻。鉬含量小于4%的標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼在所有這些條件下均發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂，而雙相不銹鋼能夠耐受上述中間范圍的中等試驗(yàn)條件。
耐氫致應(yīng)力腐蝕受多種因素影響，不僅與鐵素體含量有關(guān)，而且與強(qiáng)度、溫度、充氫條件、外加應(yīng)力等有關(guān)。雙相不銹鋼盡管對(duì)氫致斷裂敏感，但只要仔細(xì)評(píng)估和控制操作條件，在含氫介質(zhì)中仍可以利用其強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)。這些應(yīng)用中最突出的是輸送鹽水和高硫石油氣混合物的高強(qiáng)度管道。圖10說(shuō)明了2205雙相不銹鋼在含氯化鈉的酸性介質(zhì)中對(duì)腐蝕免疫和敏感的范圍。
（未完待續(xù)）
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