双相不锈钢的特点与应用

双相不锈钢的特点与应用

黄永军

新疆中泰化学股份有限公司

摘 要：双相不锈钢因其特有的性能，在氯碱工业上的应用越来越广泛。本文简要介绍了双相不锈钢的成分、组织、性能，并讨论了双相不锈钢的各类特点及其应用前景。

关键词：双相不锈钢；特点；应用

1. 双相不锈钢简介

随着中国工业和氯碱工业的迅速发展，工况条件不断变化，一般奥氏体不锈钢已经难以满足应力

腐蚀、点蚀和缝隙隧洞式腐蚀的要求。为此，冶金工作者研制出奥氏体-铁素体（A-F）型不锈钢，即双相不锈钢。所谓双相不锈钢是在其固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半，一般量少相的含量也需要达到30%。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，它具有良好的焊接性能，与铁素体不锈钢及奥氏体不锈钢相比，它既不像铁素体不锈钢的焊接热影响区，由于晶粒严重粗化而使塑韧性大幅降低，也不像奥氏体不锈钢那样，对焊接热裂纹比较敏感。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氯化物应力腐蚀性能结合在一起。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。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。

双相不锈钢产生已有七十余年历史，但在冶炼与深加工方面的技术困难一直限制着它的生产与应

用，直到上世纪七十年代精炼技术的发展才逐步解决了上述问题。因此可以说双相不锈钢不仅在氯碱工业，而且在世界上也属于刚刚起步的“新材料”。

1.1 发展历程

上世纪30年代就已在瑞典的试验室中研制出双相不锈钢（3RE60、Uranus50）但是双相不锈钢真

正产业化还是在上世纪60年代以后，其发展经历了3代历程。

双相不锈钢的种类较多，常用的双相不锈钢系列可以按其合金成分和耐蚀能力或PRE 值分成三

大类。

第一类, 不含钼的合金化程度较低的双相不锈钢，典型化学成分为23%Cr，4%Ni，0.1%N，SAF2304

是这一类的典型代表。这类钢具有一定的耐腐蚀性能，但其PRE 值较低，不能用于腐蚀性较强的环境中，但其耐应力腐蚀能力优异，其他方面的耐腐蚀能力一般要优于304，某些方面与316相差不多。该类双相钢由于不含钼而比较经济，可以取代304、316类奥氏体不锈钢。

表1 部分双相不锈钢化学成分典型值（wt%）

第一代

第

二代

第三代

牌号 3RE60 SAF2304 Uranus50 SAF2205 DP-3 0Cr21Ni5Ti SAF2507 DP-3W

0Cr26Ni5Mo3 国别 瑞典 瑞典 芬兰 瑞典 日本 中国 瑞典 日本 中国 1.5 0.3 — — 1.4462 — — — S32205 S31803 — — 1.5 — — — — — Cu:1.0~2.0 其它 3.0 1.50 — 3.5 — — Ti:5[w(C)-0.02]— — 4.5 — — — — — — 3.0 — 3.0 1.5 —

第二类的双相不锈钢一般称为标准双相不锈钢，其典型成分为22%Cr，5%Ni，0.17%N，SAF2205是这一类的典型代表。其PRE 值较高，耐腐蚀性能比SAF2304要高得多。进一步提高氮含量，增强在氯离子浓度较高的酸性介质中的耐应力腐蚀和抗点蚀性能。其中作为强烈奥氏体形成元素的氮加入到双相不锈钢中，既提高了钢的强度不显著损伤钢的塑韧性，又能抑制碳化物析出和延缓σ相形成。在许多情况下，该类双相不锈钢是最有经济效益的不锈钢金属材料。

第三类的双相不锈钢是20世纪80年代发展起来的超级双相不锈钢，其合金元素的含量很高，典型成分为25%Cr，6~7%Ni，3~4%Mo，0.2~0.3%N，SAF2507、Zeron100是较为成熟的钢种，此类型双相不锈钢的PRE 值很高，达到40，具有极高的耐氯化物应力腐蚀、点蚀等性能。主要用于含H 2S 或Cl 等非常恶劣的腐蚀环境中。

我国自七十年代中期开始开发含氮的双相不锈钢，目前已开发五个牌号，其中低铬钢种被列为国标。总体来说，中国研发与生产双相钢仍处于国外的第二代的水平。目前国内太原钢铁厂与上钢三厂已具备批量生产某些牌号双相钢的能力。此外，国内个别一些民营企业也具备了冶炼生产双相钢的能力。

1.2 双相不锈钢的特点

双相不锈钢的优点：

双相不锈钢在室温下固溶体中奥氏体和铁素体约各占半数兼有两相组织特征。它保留了铁素体不锈钢导热系数大、线膨胀系数小、耐点蚀、缝隙及氯化物应力腐蚀的特点；又具备奥氏体不锈钢韧性好、脆性转变温度较低、抗晶间腐蚀、力学性能和焊接性能好的优点。

①优异的抗应力腐蚀（SCC）性能，很高的耐酸腐蚀性能；

②具有足够的抗点蚀和缝隙隧洞式腐蚀的能力；

③比奥氏体不锈钢的屈服强度高50%以上，且有很好的塑韧性；

④比奥氏体不锈钢的线性热膨胀系数低，与低碳钢接近。这就使得双相不锈钢在与碳钢连接时较为合－

适，这有很大的工程意义。

双相不锈钢的一些重要物理性能数据在表2中已给出。

表2 双相钢与普通不锈钢的物理性能对比 材 料 密度kg/dm3 弹性模量kN/mm2 线性热膨胀系数10－6 导热系数

W/m℃ 20℃℃℃℃

双相不锈钢* *包括SAF2304、2205、SAF2507

双相不锈钢的缺点：

①与奥氏体不锈钢相比，耐热性较低，控制在250℃以下；

②锻压及冷冲成形性不如奥氏体不锈钢；

③存在中温脆性区（如σ相、475℃脆性），对热处理及焊接不利。

双相不锈钢的组织，一般奥氏体（A ）和铁素体（F ）的比例约为60~40%，但实际上由于化学成分和固溶处理的温度偏差，可能出现A 或F ≥70%，对性能会有一定影响，因此，最好控制在各为50%左右。 表3 不同组织类别不锈钢的力学性能

组织类别

奥氏体

奥氏体+铁素

体

铁素体 牌号 0Cr18Ni9 热处理状态 920~1150℃固溶、快冷力学性能 σs/MPa 205~300 550~580 560~590 400~450 250~270 σb/Mpa δ5/% 520~580 750~780 760~780 620~650 420~450 40 30 20 20 30 硬度HV 200 220 270 250 200 SAF2205 950~1100℃固溶、水冷DP—3W 或快冷 0Cr26Ni5Mo3 00Cr18Mo2 800~1050℃退火、快冷

双相不锈钢具有很强的抗局部孔蚀、点蚀和缝隙隧洞式腐蚀的能力，主要是合金中的Mo ，N 元素起了作用。经多年研究，人们建立了一个抗孔蚀当量指数PREN 来评价，其值越高，抗局部孔蚀的能力越强。PREN=%Cr+3.3×%Mo+16×%N 表4 部分奥氏体不锈钢及双相不锈钢的成分及PREN 值

组 织 钢种 PREN — 20

25 化学成分（质量百分数%） 奥氏体不锈钢 —

— 双相不锈钢 2. 双相不锈钢的焊接性能

2.1 焊接性能

双相不锈钢的焊接性兼有奥氏体和铁素体各自的特点，减少了各自的不足之处。

①热裂纹的敏感性比奥氏体不锈钢小得多。

②冷裂纹的敏感性比一般低合金高强钢也小得多。

③双相不锈钢焊接的主要问题不在焊缝，而在热影响区，因为在焊接热循环作用下，热影响区处于快冷非平衡态，冷却后总是保留更多的铁素体，从而增大了腐蚀倾向和氢致裂纹（脆化）的敏感性。

④双相不锈钢焊接接头有析出σ相脆化的可能，σ相是Cr 和Fe 的金属间化合物，它的形成温度范围600~1000℃，不同钢种形成σ相的温度不同，如00Cr18Ni5Mo3Si2钢在800~900℃，00Cr25Ni7Mo3CuN 在750~900℃，850℃时最敏感。

表5 双相不锈钢的温度特性

固溶处理温度/℃

在空气中加热起皮温度/℃

σ相形成温度/℃

475℃脆性的温度/℃ 2205、2507等双相不锈钢 超级00Cr25Ni7Mo3CuN 双相不锈钢 3. 双相不锈钢的焊接与制造

为确保焊接接头的耐腐蚀性能和力学性能不降低，钢材下料、形成、焊材的选择及焊接工艺等不同于一般奥氏体不锈钢。双相不锈钢焊接接头的力学性能和耐蚀性能取决于焊接接头能否保持适当的相比例，因此，焊接是围绕如何保证其双相组织而进行的。当铁素体和奥氏体量各接近50%时，性能较好，接近母材的性能。改变这个比例关系，将使双相不锈钢焊接接头的耐蚀性能和力学性能（尤其是韧性）受到很大影响。

3.1 下料与冷成形

双相不锈钢的强度高（特别是屈服强度）、粘性和加工硬化倾向大。因此，要求成形要快（尤其筒体校圆要迅速），以防止出现冷作硬化。冷卷成形时回弹应力大。

3.2 热成形

控制双相不锈钢热成形的温度范围至关重要，SAF2205温度控制范围为900~1250℃，而SAF2507较窄，应在1025~1125℃之间，低于950℃（尤其在800~900℃）稍长时间停留，会因σ相等脆性相析出发生脆化，甚至开裂。热成形后应进行固溶处理，一般选1050~1100℃。

3.3 焊接材料

双相不锈钢和种类很多，但工程上应用最多的是SAF2205（00Cr22Ni5Mo3N ）钢，约占80%，超级双相不锈钢SAF2507（00Cr25Ni7Mo4N ）约占13%。因此，配套的焊接材料并不多，实际上工程应用较多的是异种钢焊接，可参见表6选用。

焊接材料选用奥氏体形成元素（Ni 、N ）含量较高的材料作为填充金属，以促进焊缝中的铁素体向奥氏体转变。目前，3RE60、SAF2304、SAF2205等双相不锈钢多选用Sandvik 22.8.3.L(ER2209) 焊丝或Sandvik22.9.3.LR(E2209)焊条。SAF2507多选用Sandvik25.10.4.L 的焊丝或Sandvik25.10.4.LR 的焊条。

3.4 焊接方法

双相不锈钢的焊接推荐采用钨极氩弧焊和焊条电弧焊，两者也可以结合起来使用。

表6 双相不锈钢及异种金属焊接材料选用表 钢种（或Cr18）

2304（或Cr18） E2209

E2304 304

316

低合金高强钢 E309LMo E2209 E309LMo E2209 E309LMo E2209 E309LMo E2209 E309LMo E2209 E309LMo E2209 E309LMo E309LMo E2209 注：E2209（00Cr23Ni9Mo3N ），E2510（00Cr25Ni10Mo4N ），Sandvik 焊材 表7 焊材化学成分典型值 (质量百分数%)

Avesta 焊材

2304AC/DC

2205 Basic

2205

2507/P100 Rutile

2507/P100 (wire) FNA — E2209-15 0.02 0.80 E2510 ER2510 0.03 0.02 0.50 15

15 Avesta P5 — — 309L AC/DC —

3.5 焊接工艺参数

不同种类的双相不锈钢所需线能量是不同的，根据多年的研究和实践经验，建议采用表8的焊接线能量。多层焊层间温度应控制在150℃以下。

表8 焊接线能量

种类 线能量kJ/mm

*仅限于钨极惰性气体保护焊和焊条电弧焊

采用钨极氩弧焊时，保护气体是纯氩气或氩气加3%氮气。氮气的加入有助于铁素体与奥氏体的平衡，

以及提高焊缝金属耐局部腐蚀的能力。

焊接电流的大小是随焊材的尺寸而变化的，表9给出了一些较常见的焊条、焊丝所需的电流。

表9 焊丝电流 焊丝直径mm

φ1.6

φ2.4

φ2.5

φ3.2

φ4.0 焊丝电流A 50~90 100~140 — 焊条电流A — — 50~80 — 100~160

3.6 焊后清理

无论是采用哪一种焊接方法，焊后都要进行有效的清理，所有焊渣、飞溅物、污点和氧化色都要除掉。清除的方法包括机械清除和化学清除两种。常用的机械清除有打磨、抛光和喷砂、喷丸等。应该避免使用铁刷子，以防止表面被污染生锈，若处于有氯离子存在的腐蚀环境中，有产生局部腐蚀的危险。

作为一种选择，也可以采用化学方法，如用酸洗膏。常用的酸洗膏是由约20%硝酸，5%的氢氟酸和水混合而成的。

3.7 焊接热处理

就一般应用而言，双相不锈钢焊接时一般不需要预热、后热及焊后热处理。但在有些情况下，如在室外天气较冷，易出现冷凝现象，很容易在焊接接头处出现潮湿现象。在这种情况下有必要进行预热，预热局部的温度不能超出100℃。如果焊接很厚的板材，且选用线能量较低（≤0.5kJ/mm），也可考虑在100~150℃温度范围内进行预热。采用这些措施主要是为了避免冷却速度过快和大量铁素体存在。

如果由于某种原因而需要进行热处理，对于2205型双相不锈钢应在1020~1100℃进行，然后快冷。若温度低于950℃，则有生成有害金属中间相的危险。

对于较厚的双相不锈钢复合钢板容器，如需进行整体消除应力热处理，应选择合适的热处理温度，既要考虑双相不锈钢的脆化温度和产生σ相的温度（对于2205而言，分别是350~525℃，700~975℃）又要考虑碳钢、低合金钢的力学性能，一般选择在550~620℃左右。

3.8 性能评定试验

按JB4708进行焊接工艺评定，以检验焊接接头的强度和塑韧性等力学性能；测定焊缝和热影响区的铁素体相的比例；焊接接头分别进行晶间腐蚀、点腐蚀、选择性腐蚀、抗H 2S 或Cl 应力腐蚀试验。

4. 双相不锈钢的应用

奥氏体钢具有强度高的优点，但在抗应力腐蚀与耐氯腐蚀方面性能较差；铁素体钢能耐腐蚀，但强度较差。由于双相不锈钢则兼备集合了这两种材料的优点，所以具有广阔的应用前景。

双相不锈钢在常温下有较高的冲击韧性，但在300℃以上的环境中持续长时间工作，金属组织会发生变化，导致冲击韧性下降。因此，国外压力容器的相关设计和制造标准将250~280℃作为极限使用温度。另外，－50℃是双相不锈钢低温脆性转变温度。因此，在不考虑介质因素的情况下，－40~250℃是双相不－

锈钢的适宜工作温度，如考虑介质因素，适宜的工作温度范围还要窄。

各类双相不锈钢在选用过程应充分考虑腐蚀介质的浓度、温度、氯离子含量和PH 值等实际工况情况。例如，在PVC 行业生产流程中采用树脂干燥流化床的核心部件加热器，有部分国外公司已开始采用双相钢材料，事实证明，使用效果良好，特别是对树脂有残余的游离氯有良好的耐腐蚀能力。一般说来，SAF2507适用于氯离子含量较高的环境；SAF1805只能在低应力腐蚀和其他腐蚀场合的使用，而SAF2205在以上的腐蚀环境中应用较广泛。

双相不锈钢是根据石油及化工行业中强酸强碱造成的局部点蚀、应力腐蚀以及孔穴式腐蚀现象，一般不锈钢难以胜任的容器、管道以及零部件等而研制开发的材料。由于双相不锈钢除具有很强的抗各类腐蚀性能之外，还具有很好的强度和韧性，为此，不仅在一般民用工程和能源交通方面也逐步得到越来越多的应用，如桥梁、飞机、船舶、汽车以及沿海城市和化工区的装饰建筑等，而且在中国化学工业飞速发展的今天，特别是氯碱化工的大发展的情况下，随着对双相钢的了解，其应用的范围必然会得到极大的拓展。

5. 结束语

随着世界钢材冶炼技术发展和成熟，双相不锈钢已在越来越多的工业领域被接受和使用，发展成为较常用的工业用钢的趋势日异明朗，特别是22%型的2205已成为双相不锈钢中最典型的代表，也是标准最齐全和应用最广泛的双相不锈钢。在许多方面已取代了AISI304L 、316L 、317L 甚至于904L 等奥氏体不锈钢。

双相不锈钢以其优越的机械性能和耐腐蚀性能，特别是两者的结合使得这种类型的不锈钢已成为既省重量又省经济的耐腐蚀工程材料。特别是化工行业（包括氯碱化工和石油化工）的应用前景十分可观。纵观钢材发展和应用的历史，根据双相钢所表现出来优秀的性能价格比，可以得出如下结论，双相不锈钢不仅在氯碱化工行业和石油化工行业，还必将会作为一种性能全面和节省资金的工程材料应用于国民经济的各个领域。

参考文献

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2、张文钺、侯胜昌， 双相不锈钢的焊接性及其焊接材料，焊接技术，2004年第1期。

3、《焊接手册》，机械工业出版社，2001年8月。

4、 吴玖， 双相不锈钢，冶金工业出版社，1999年6月。