【正文】 SAF2205 雙相不銹鋼焊接、熱處理、金相分析 _畢業(yè)論文 1 前言 雙相不銹鋼發(fā)展應(yīng)用開始于 20世紀(jì) 30年代，至今已發(fā)展了三代雙相不銹鋼。第一代雙相不銹鋼： (1) 以美國(guó)在 20世紀(jì) 40年代開發(fā)的 AISI329鋼為代表，含高 Cr、 Mo，耐局部腐蝕性能好，但含碳量較高（ C≤%），焊接后其接頭耐腐蝕性和韌性都較差，使鋼在應(yīng)用上受到限制，只適用于鑄鍛件。 (2) 日本在美國(guó) 329鋼基礎(chǔ)上降低了含碳量，開發(fā)了 SUS329J1鋼，可作為焊接用鋼。 (3) 60年代中期，瑞典開發(fā)了著名的 3RE60鋼，特點(diǎn)是超低碳，含 Cr量為 18%。焊接及成型性能良好，使之成為第一 代雙相不銹鋼的代表鋼種。 第二代雙相不銹鋼： (1) 20世紀(jì) 80年代瑞典先開發(fā)了不含 Mo的超低碳型雙相不銹鋼。代表鋼種為SAF2304鋼。 (2) 而后在第一代雙相鋼的基礎(chǔ)上開發(fā)了含氮的超低碳型雙相不銹鋼。典型鋼種是瑞典開發(fā)的 SAF2205 鋼，使雙相鋼應(yīng)用范圍很廣。 第三代雙相不銹鋼： (1) 20 世紀(jì) 50 年代后期發(fā)展了超級(jí)雙相不銹鋼，其特點(diǎn)是含碳量低（ ≤%）含 Mo、 N 量高（ Mo 約為 4%， N 約為 %）；鋼中鐵素體含量達(dá)到 40~45%；具有優(yōu)良的抗點(diǎn)蝕能力，其 PRE 值大于 40。代表鋼種為 SAF2507 鋼。 雙相不銹鋼作為一種特殊的不銹鋼材料，正在被日益廣泛地應(yīng)用于壓力容器等相關(guān)的設(shè)備中。雙相不銹鋼與奧氏體不銹鋼相比，在抗晶間腐蝕、腐蝕、點(diǎn)蝕、間隙腐蝕，特別是抗氯化物導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕開裂方面具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。在石油、化工領(lǐng)域里應(yīng)用前景非常遠(yuǎn)大。 如表 11 所示為部分雙相不銹鋼的牌號(hào)與化學(xué)成分 [1]。 SAF2205 雙相不銹鋼焊接、熱處理、金相分析 _畢業(yè)論文 表 11 部分雙相不銹鋼的牌號(hào)與化學(xué)成分 鋼號(hào) 國(guó)別 C Cr Ni Mo Mn Si N 第一代 3RE60 瑞典 3 18.5 ≤2.0 Uranus50 芬蘭 4 21.5 第二代 SAF2205 瑞典 3 22.0 ≤2.0 4 DP3 日本 3 25.0 0 08X21H6M2Ti 俄羅斯 ≤0.08 21.0 0Cr21Ni5Ti 中國(guó) 6 22.0 ≤0.8 第三代 SAF2507 瑞典 3 25.5 0 DP3W 日本 3 25.5 2 0Cr21Ni5Mo3 中國(guó) ≤0.08 26.5 ≤1.5 數(shù)據(jù)來源： 2020 年 2 月《焊接設(shè)備與材料 [J].焊接技術(shù) 》 2 雙相不銹鋼 雙相不銹鋼系指不銹鋼中既有奧氏體（ α），又有鐵素體（ γ）組織結(jié)構(gòu)的鋼種，而且此二相組織要獨(dú)立存在，且含量較大。一般認(rèn)為，在奧氏體基體上有 ≥15%鐵素體或在鐵素體基體上有 ≥15%的奧氏體，均可稱為奧氏體 +鐵素體雙相不銹鋼，本文簡(jiǎn)稱為雙相不銹鋼。 SAF2205 雙相不銹鋼焊接、熱處理、金相分析 _畢業(yè)論文 雙相不銹鋼在中國(guó)的發(fā)展歷史 在國(guó)外發(fā)展雙相不銹鋼的基礎(chǔ)上，中國(guó)自 70 年代中期也開始發(fā)展了雙相不銹鋼，主要是研制含氮鋼，關(guān)注氮對(duì)鋼性能和工藝的影響。至今已有包括 5 個(gè)鋼種的系列牌號(hào)，但只有低鉻的鋼種納入了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其余都按企標(biāo)生產(chǎn)，目前鋼板的國(guó)標(biāo)正在修訂， Cr22 和 Cr25 型的雙相不銹鋼將考慮納標(biāo)。中國(guó)的雙相不銹鋼只是處于國(guó)外第二代雙相不銹鋼的發(fā)展水平，鋼中的含氮量在 ％以下。至于目前國(guó)外己步入市場(chǎng)的含氮在 ％－ ％的超級(jí)雙相不銹鋼，中國(guó)仍處于實(shí)驗(yàn)室開發(fā)階段， AOD 精煉工藝和雙相不 銹鋼連鑄工藝的成熟將有助于超級(jí)雙相不銹鋼板的工業(yè)試生產(chǎn)成功。 目前國(guó)內(nèi)雙相不銹鋼主要產(chǎn)品是管、板和復(fù)合板，也有鍛件和鑄件，產(chǎn)量都不大。φ 219mm 的無縫管和φ 457mm 薄壁等離子焊管都已研制成功， 2205 與Q345C 的復(fù)合板也己用在長(zhǎng)江三峽工程的排沙管，泄洪深孔襯砌等。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)， 1999 年雙相不銹鋼國(guó)內(nèi)的消費(fèi)量約 2020t，近兩年的年消費(fèi)量達(dá)到 4000t，翻了一番。隨著應(yīng)用的發(fā)展，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品滿足不了要求，尤其一些工程項(xiàng)目，主要仍是靠進(jìn)口。 目前國(guó)內(nèi)已具有制造雙相不銹鋼和超級(jí)雙相不銹鋼設(shè)備的 實(shí)力和較好的水平。南京化工有限公司化工機(jī)械廠，上海石化機(jī)械制造公司，金州重型機(jī)器有限公司等近十家大中型機(jī)械制造公司已經(jīng)制造了近百臺(tái)的雙相不銹鋼設(shè)備，南京化工有限公司化工機(jī)械廠和金州重型機(jī)器有限公司也能按照國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)制造不只一臺(tái)設(shè)備，分別出口至印度和馬來西亞。南京化工有限公司化工機(jī)械廠和上海石化機(jī)械制造公司不僅能制造普通雙相不銹鋼設(shè)備，還能制造超級(jí)雙相不銹鋼設(shè)備，當(dāng)然所用的 UNS S32750 和 UNS S32760 超級(jí)雙相不銹鋼的管材都是進(jìn)口。至于油氣和石化所需的管線鋼，國(guó)內(nèi)近兩年已開始制造和野外施工焊接，還有 待積累這方面的經(jīng)驗(yàn) [1]。 雙相不銹鋼的主要代表牌號(hào) 雙相不銹鋼一般可分為四類： 低合金型 代表牌號(hào)是 UNS S32304（ ）， PREN 值 24～ 25； 中合金型 代表牌號(hào)是 UNS S31803（ ）， PREN 值 32～ 33； 高合金型 標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)有 UNS S32550（ ）， PREN 值 38～SAF2205 雙相不銹鋼焊接、熱處理、金相分析 _畢業(yè)論文 39； 超級(jí)雙相不銹鋼型 標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)有 UNS S32750（ ）， PREN 值＞ 40[7]。 (※ PREN 耐孔蝕指數(shù) PREN=Cr%+Mo%+16N%) 低合金型 UNS S32304 不含鉬 , 在耐應(yīng)力腐蝕方面可代替 AISI304 或 316 使用。 中合金型 UNS S31803 的耐蝕性能介于 AISI 316L 和 6%Mo+N 奧氏體不銹鋼之間。 高合金型，一般含 25%Cr，還含有鉬和氮，有的還含有銅和鎢 ,這類鋼的耐蝕性能高于 22 %Cr 的雙相不銹鋼。超級(jí)雙相不銹鋼型，含高鉬和氮 ,有的也含鎢和銅 ,可適用于苛刻的介質(zhì)條件，具有良好的耐腐 蝕與力學(xué)綜合性能，可與超級(jí)奧氏體不銹鋼相比美。 代表牌號(hào)的主要化學(xué)成分如表 21 所示： 表 21 代表牌號(hào)的主要化學(xué)成分 類型 UNS 牌號(hào) 化學(xué)成分 ,% C Cr Ni Mo Cu N 低合金型 S32304 ≤ 23 44 2 低合金型 S31803 ≤ 22 5 3 低合金型 S32205 ≤ 22 5 3 低合金型 S32550 25 6 3 超級(jí) DSS S32750 ≤ 25 7 4 數(shù)據(jù)來源： 2020 年 2 月《焊接設(shè)備與材料 [J].焊接技術(shù) 》 雙相不銹鋼的性能特點(diǎn) (1) 含鉬雙相不銹鋼低應(yīng)力下有良好的耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能。 (2) 含雙相不銹鋼有良好的耐孔蝕性能，抗孔蝕當(dāng)量 PRE=Cr%+%+16xN%。 (3) 有良好的耐腐蝕疲勞和磨損腐蝕性能。 (4) 綜合力學(xué)性能好，有較高的強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。 (5) 可焊性良好，熱裂傾向小，一般焊前不需預(yù)熱，焊后無需熱處理可與奧氏體SAF2205 雙相不銹鋼焊接、熱處理、金相分析 _畢業(yè)論文 不銹鋼或碳鋼等異種鋼焊接。 (6) 含低鉻 （ 18%Cr）的雙相不銹鋼熱加工溫度范圍寬，抗力小，不經(jīng)過鍛造，直接軋制開坯生產(chǎn)鋼板。含高鉻（ 25%）的雙相不銹鋼熱加工比奧氏體不銹鋼略顯困難，可生產(chǎn)板、管和絲等產(chǎn)品。 (7) 冷加工時(shí)比 188 型奧氏體不銹鋼加工硬化效應(yīng)大，在管、板承受變形初期，需施加較大應(yīng)力才能變形。 (8) 與奧氏體不銹鋼相比，導(dǎo)熱系數(shù)大，線膨脹系數(shù)小，適合制作設(shè)備的襯里和生產(chǎn)復(fù)合板，也適合制作熱交換器的管芯，換熱效率比奧氏體不銹鋼高。 (9) 高鉻鐵素體不銹鋼的各種脆性傾向，不宜用在高于 300℃ 的工作條件。雙相不銹鋼中含鉻量愈低， σ 等脆性相的危害性也愈小。 雙相不銹鋼的性能比較 由于雙相不銹鋼兩相組織的特點(diǎn)，通過正確控制化學(xué)成分和熱處理工藝，使雙相不銹鋼兼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的特點(diǎn)。 (一 )與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的優(yōu)勢(shì)如下： (1) 屈服強(qiáng)度比普通奧氏體不銹鋼高一倍多，且具有成型需要的足夠的塑韌性。采用雙相不銹鋼制造儲(chǔ)罐或壓力容器的壁厚要比常用的奧氏體減 3050%，有利于降低成本。 (2) 具有優(yōu)異的耐應(yīng)力腐蝕破裂的能力，即使是含合金量最低的雙相不銹鋼也有比奧氏體不銹鋼更高的耐應(yīng)力腐蝕破裂的能力，尤其在含氯 離子的環(huán)境中。應(yīng)力腐蝕是普通奧氏體不銹鋼難以解決的突出問題。 (3) 在許多介質(zhì)中應(yīng)用最普遍的 2205 雙相不銹鋼的耐腐蝕性優(yōu)于普通的 316L奧氏體不銹鋼，而超級(jí)雙相不銹鋼具有極高的耐腐蝕性，再一些介質(zhì)中，如醋酸、甲酸等甚至可以取代高合金奧氏體不銹鋼，乃至耐蝕合金。 (4) 具有良好的耐局部腐蝕性能，與合金含量相當(dāng)?shù)膴W氏體不銹鋼相比，它的耐磨損腐蝕和疲勞腐蝕性能都優(yōu)于奧氏體不銹鋼。 (5) 比奧氏體不銹鋼的線膨脹系數(shù)低，和碳鋼接近，適合與碳鋼連接，具有重要的工程意義，如生產(chǎn)復(fù)合板或襯里等。 SAF2205 雙相不銹鋼焊接、熱處理、金相分析 _畢業(yè)論文 (6) 不論在動(dòng)載 或靜載條件下，比奧氏體不銹鋼具有更高的能量吸收能力，這對(duì)結(jié)構(gòu)件應(yīng)付突發(fā)事故如沖撞，爆炸等，雙相不銹鋼優(yōu)勢(shì)明顯，有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 (二 )與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的弱勢(shì)如下： (1) 應(yīng)用的普遍性與多面性不如奧氏體不銹鋼，例如其使用溫度必須控制在 250攝氏度以下。 (2) 其塑韌性較奧氏體不銹鋼低，冷、熱加工工藝和成型性能不如奧氏體不銹鋼。 (3) 存在中溫脆性區(qū)，需要嚴(yán)格控制熱處理和焊接的工藝制度，以避免有害相的出現(xiàn)，損害性能。 (三 )與鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的優(yōu)勢(shì)如下： (1) 綜合力學(xué)性能比鐵 素體不銹鋼好，尤其是塑韌性，不象鐵素體不銹鋼那樣對(duì)脆性敏感。 (2) 除耐應(yīng)力腐蝕性能外，其他耐局部腐蝕性能都優(yōu)于鐵素體不銹鋼。 (3) 冷加工工藝性能和冷成型性能遠(yuǎn)優(yōu)于鐵素體不銹鋼。 (4) 焊接性能也遠(yuǎn)優(yōu)于鐵素體不銹鋼，一般焊前不需預(yù)熱，焊后不需熱處理。 (5) 應(yīng)用范圍較鐵素體不銹鋼寬。 (四 )與鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的弱勢(shì)如下： (1) 雙相不銹鋼元素含量高，價(jià)格相對(duì)高，一般鐵素體不含鎳。 綜上所述，可以概括地看出雙相不銹鋼的使用性能和工藝性能的概貌，它以其優(yōu)越的力學(xué)與耐腐蝕綜合性能贏得了使用 者的青睞，已成為既節(jié)省重量又節(jié)省投資的優(yōu)良的耐蝕工程材料。 雙相不銹鋼的應(yīng)用 雙相不銹鋼在工業(yè)上的應(yīng)用及范圍 (1) 煉油工業(yè)（氯化物及硫化氫） A. 原油脫鹽裝置中熱交換器和管道。 B. 催化裂化裝置。催化吸收解吸塔襯里，塔盤板、管等，汽油再熱器。 C. 加氫劣化裝置?？绽淦鳎摿蚍磻?yīng)器，水冷器的熱交換器。 (2) 石化工業(yè)（中性氯化物） A. 聚氯乙烯（ PVC）汽提塔和熱交換器。 B. 氯乙烯裝置中的盤管式氧氯化反應(yīng)器、氯乙烯再沸器。 SAF2205 雙相不銹鋼焊接、熱處理、金相分析 _畢業(yè)論文 C. 甲醇合成反應(yīng)器的催化劑管束、物料 /流出物流澆花器，中壓閃蒸罐頂冷凝器。 D. 羰 基合成醇管道式環(huán)形反應(yīng)器。 E. 醋酸等有機(jī)酸（甲醛、甲酸）的生產(chǎn)裝置及管道。 (3) 陸上和海上油氣工業(yè)（酸性油井井管及管線）。 A. 輸送管道及集氣管。 B. 海上石油平臺(tái)的熱交換器、水處理和供水系統(tǒng)，消防系統(tǒng)、噴水系統(tǒng)，穩(wěn)水系統(tǒng)。 (4) 紙漿和造紙工業(yè) A. 連續(xù)式硫酸蒸煮或間歇式蒸煮裝置。如：木屑預(yù)熱器、蒸煮器、冷凝器等。 (5) 化肥工業(yè) A. 尿素工業(yè)。 CO2壓縮機(jī)冷卻器管線。甲銨泵泵體。氣提塔的氣提管，高壓冷凝器的冷凝管，高壓分解塔的分解管及輸送管道。 B. 磷肥工業(yè)。反應(yīng)槽、料漿循環(huán)及料漿輸送管線。 (6) 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件 、海底管道。蒸汽透過平葉片、駁船、槽車等。 中國(guó)雙相不銹鋼的應(yīng)用業(yè)績(jī) 國(guó)外雙相不銹鋼己廣泛地應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域，諸如紙漿和造紙、陸上和海上的油氣工業(yè)、化學(xué)加工工業(yè)、運(yùn)輸業(yè)（化學(xué)品船和槽車）、制藥和食品工業(yè)以及建筑業(yè)等。大多用來制造反應(yīng)容器，各種工業(yè)設(shè)備和輸送管道等。在大多數(shù)應(yīng)用中，雙相不銹鋼被認(rèn)為是具有成本效益的材料，填補(bǔ)了普通奧氏體不銹鋼如 316和高合金奧氏體不銹鋼之間的空白。 以下是中國(guó)的雙相不銹鋼在有關(guān)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的典型實(shí)例。 (1)