【文章內(nèi)容簡介】 不銹鋼的定義和分類 雙相不銹鋼的定義 所謂 雙相不銹鋼 是在其固溶組織中 鐵素體 相與 奧氏體 相約各占一半，一般量少相的含量也需要達到 30%。在含 C 較低的情況下， Cr 含量在 18%~28%， Ni 含量在 3%~10%。有些鋼還含有 Mo、 Cu、 Nb、 Ti、 N 等合金元素。該類鋼兼有 奧氏體 和 鐵素體不銹鋼 的特點，與 鐵素體 相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐 晶間腐蝕 性能和焊接性能均顯著提高，同時還保持有 鐵素體不銹鋼 的 475℃ 脆性以及 導(dǎo)熱系數(shù) 高，具有超塑性等特點。與 奧氏體不銹鋼 相比，強度高且耐 晶間腐蝕 和 耐 氯化物應(yīng)力腐蝕 有明顯提高。 雙相不銹鋼 具有優(yōu)良的耐孔蝕性能，也是一種節(jié)鎳不銹鋼。 雙相不銹鋼的分類 雙相不銹鋼一般可分為四類： 第一類低合金型，代表牌號 UNSS32304，鋼中不含鉬， PREN： 2425，耐應(yīng)力腐蝕方面可代替 AISI 304 或是 316 使用。 第二類中合金型，代表牌號 UNSS31803， PREN： 3233 耐蝕性能介于 AISI316L 和 6%MO+N奧氏體不銹鋼之間。 第三類高合金型，一般含 25%Cr，還含有鉬和氮，有的還含有銅和鎢，標準牌號有 UNSS32550，PREN： 3839 耐蝕性能高于 22%Cr 雙相不銹鋼。 第四類超級雙相不銹鋼型，含高鉬和氮，標準牌號有 UNSS32750，有的也含鎢和銅， PREN40可使用于苛刻的介質(zhì)條件，具有良好的耐蝕與力學(xué)綜合性能，可與超級奧氏體不銹鋼相媲美 [1]。（注： PREN：孔蝕抗力當量值） 雙相不銹鋼的組織和性能 雙相不銹鋼的基本組織特征 雙相不銹鋼是由 40%~60%的鐵素體加體積分數(shù)為 60%~40%的奧氏體組成的，因此又稱奧氏體 鐵素體雙相不銹鋼。雙相不銹鋼兼具奧氏體不銹鋼具有的優(yōu)良的塑性、韌性與鐵素體系不銹鋼具有的抗應(yīng)力腐 蝕裂紋性能。此外，由于其組織是雙相的微細化組織，所以，與單相組織的不銹鋼相比較，具有強度高的特征（屈服強度是耐腐蝕性能相當?shù)母吆辖鸹瘖W氏體不銹鋼的 2 倍）。由于雙相不銹鋼具有奧氏體和鐵素體雙相組織結(jié)構(gòu)，因而那它也兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特點，雙相不銹鋼與鐵素體和奧氏體不銹鋼相比，具有無可比擬的特點。與鐵素體不銹鋼相比，奧氏體 鐵素體雙相不銹鋼的韌性高、脆性轉(zhuǎn)變溫度低、耐晶間腐蝕性和焊接性均顯著提高 。同時，它也保留了鐵素體不銹鋼的一些特點，如 475℃脆性、在鐵素體中析出σ相的脆化現(xiàn)象、熱導(dǎo)率高、線漲系數(shù) 小、具有超塑性、有磁性等。與奧氏體不銹鋼相比，奧氏體 鐵素體雙相不銹鋼的強度高，特別是屈服強度高，且耐晶間腐蝕、耐應(yīng)力腐蝕、耐疲勞腐蝕等有明顯改善。目前用它替代奧氏體不銹鋼作為耐應(yīng)力腐蝕設(shè)備的材料已成為趨勢。 雙相不銹鋼的基本性能 羅浩：雙相不銹鋼的焊接工藝研究 2 所謂雙相不銹鋼即其金屬組織為奧氏體和鐵素體各約占一半，或者其中之較少相的含量至少也有 30%的不銹鋼。因此，雙相不銹鋼的性能也是綜合了奧氏體和鐵素體組織的性能。將奧氏體不銹鋼所具有的優(yōu)良的韌性和焊接性與鐵素體不銹鋼的高強度和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性結(jié)合在一起 [2]。 奧 氏體 鐵素體雙相不銹鋼具有如下的基本性能： ⑴ 有良好的耐氯化物應(yīng)力腐蝕裂紋的能力。 ⑵ 有較好的抗點蝕縫隙腐蝕性能，優(yōu)于奧氏體不銹鋼。 ⑶ 有良好的耐腐蝕疲勞和耐磨損腐蝕性能。 ⑷ 結(jié)合力學(xué)性能好。有較高的強度，屈服強度是 188 型奧氏體不銹鋼的約兩倍。 ⑸ 焊接性好，熱裂傾向小。一般不需要焊前預(yù)熱和焊后熱處理，可與 188 型奧氏體不銹鋼及碳鋼進行異種鋼焊接。 ⑹ 低鉻的雙相不銹鋼熱加工溫度范圍比 188 型奧氏體不銹鋼寬，抗力小，高鉻的雙相不銹鋼熱加工比 188 型奧氏體不銹鋼難。 ⑺ 雙相不銹鋼比 188 型奧氏體不銹鋼加工硬化效應(yīng)大。 ⑻ 與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的熱導(dǎo)率大，線漲系數(shù)小。 ⑼ 仍有高鉻鐵素體不銹鋼的各種脆化傾向，不宜在高于 300℃的溫度下使用。若鉻含量較低，脆性相析出的危害性較小。 雙相不銹鋼的化學(xué)成分 雙相不銹鋼一般可 分為四類，按其分類，各類型雙相不銹鋼的化學(xué)成分如表 11 所示： 銅陵學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 3 表 11 雙相不銹鋼的化學(xué)成分表 【 2】 類別 標準 商業(yè)牌號 化學(xué)成分 1% 孔蝕當量 低合金型 UNS S32304 SAF2304 23 4 24 UR 35N SS 2327 中合金型 UNS SAF2205 22 5 32/33 SS 2377 UR45N+ 6 35/36 UNS S31500 3RE60 5 29 A903 UNS S 32900 10RE51 25 30 SS 2324 AISI 329 UR50 21 29 UNS S32950 Carp7Mo+ 27 35 高合金型 UNS S32550 Ferralium 25 6 3 37 38 UNS S31250 DP3 25 7 3 37 UR47N 25 3 38/39 UR52N 25 3 38 VS25 25 3 38 超級 DDS UNS S32760 Zeron100 25 7 40 UNS S32750 SAF2507 25 7 41 UR47N+ SS 2328 UR52N+ 25 7 41 DP3W 7 3 2 39 羅浩：雙相不銹鋼的焊接工藝研究 4 第 2 章 雙相不銹鋼的焊接 雙相不銹鋼的焊接材料及選用 雙相不銹鋼的焊接材料 雙相不銹鋼的焊接材料列入標準的不多，目前國內(nèi)外已開發(fā)出各種雙相不銹鋼用的焊接材料，具體有電弧焊用焊條。氣體保護焊用實心焊絲和藥芯焊絲。埋弧焊用焊絲和焊劑、堆焊用焊絲和焊帶等。表 21 所示為國外（以瑞典 Sandvik 公司為代表 ） 常用雙相不銹鋼所采用的填充材料的牌號及典型的化學(xué)成分。 表 21 瑞典研制的雙相不銹鋼的焊接材料熔敷金屬的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） 【 3】 類別 牌號 C Si Mn Smax Pmax Cr Ni Mo N 實芯焊絲 23 9 25 藥芯焊絲 9 焊條 ≤ 22 9 ≤ 25 ≤ 22 9 ≤ 25 對焊縫金屬的要求 盡管說雙相不銹鋼是由奧氏體 鐵素體這兩相組成，但實際上，一般來說，焊縫金屬并不是各占一半，而是奧氏體占優(yōu)勢。因為若鐵素體占優(yōu)勢，鐵素體組織晶粒粗大，部分鐵素體會轉(zhuǎn)變?yōu)槎螉W氏體γ 2。因為，鐵素體中 C、 N 的溶解度低，將可能造成 Cr 的 C、N 化合物的析出，引起焊縫金屬的脆化和耐腐蝕性下降。但若焊縫金屬中奧氏體含量過高，必須提高 Ni 含量，這樣焊縫金屬的結(jié)晶將是α→γ 的轉(zhuǎn)變，造成鐵素體含量太低，焊縫金屬的強度必然下降。又由于 Cr、 Mo 在α、γ中的溶解度的不一樣， Cr、 Mo 在α相的過分集中而易于析出脆性相。 實踐證明，雙相不銹鋼焊縫金屬中有 60%~70%的奧氏體，具有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐腐蝕性。可以有效的防止 C、 N 化合物和二次奧氏體γ 2的析出，而提高韌性和耐腐蝕性及細化晶粒，由于大部分鐵素體在冷卻時間要轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，可以形成較細的亮相組織，提高焊縫金屬的韌性和抗裂性。由于奧氏體占優(yōu)勢，使得 Cr、 Mo、 Ni 等合金元素在兩相中分配比例適當，避免兩相成分差異太大。對于一些超級雙相 不銹鋼，脆性的σ相析出比較敏感，奧氏體占優(yōu)勢可以有效地防止σ相析出。 焊接材料的選用 銅陵學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 5 在雙相不銹鋼研究初期，大多采用奧氏體焊接材料，如 E309SiL、 E309MoL/E316L 等。這種奧氏體焊縫金屬基本上能滿足一些雙相不銹鋼的需求，至今仍有應(yīng)用。但是，焊縫金屬與母材在化學(xué)成分和組織上的差異，焊縫金屬的強度比母材低，耐腐蝕性也不匹配 [3]。 現(xiàn)在，國內(nèi)外已研制出適應(yīng)于各種雙相不銹鋼的焊接材料，其特點是焊縫金屬組織為奧氏體占優(yōu)勢的鐵素體 奧氏體雙相組織，主要耐腐蝕元素（ Cr、 Mo 等）含量與母材 相當，從而保證焊縫金屬與母材有相當?shù)哪透g性。為了保證焊縫金屬中奧氏體含量，通常都要提高其 Ni 和 N 的含量，也就是提高約 2%~4%的鎳當量。在雙相不銹鋼母材中，一般都有一定的 N 含量，在焊接材料中也應(yīng)有一定的 N 含量，但一般不宜太高，否則會產(chǎn)生氣孔。因此，焊接材料的 Ni 含量比母材高就是一個主要差別。 由于雙相不銹鋼發(fā)展時間不長，各國和不同廠家對焊接材料的選用差別較大，表 22所示為我國和瑞典等各國選用的與母材相匹配的雙相不銹鋼焊接材料。 羅浩：雙相不銹鋼的焊接工藝研究 6 表 22 各類雙相不銹 鋼焊接材料的選用 【 4】 類型 母材 焊接方法 AWS 國內(nèi) 瑞典 英國 Cr18 00Cr18Ni5Mo3Si3RE60 TIG MIG ER309MoL H00Cr25Nil3Mo3 H00Cr20Nil0Mo3 焊條電弧焊 E309MoL E309MoL A022Si 00Cr18Ni6MoSiNb TIG MIG H00Cr18Nil4Mo2 H00Cr20Nil0Mo6 焊條電弧焊 E306l E309MoL Cr22 00Cr21Ni5Ti SAF2304 TIG MIG ER2209 ER329N 焊條電弧焊 E2209 E2209 E309MoL 00Cr22Ni5Mo3N SAF2507 TIG MIG ER2209 H00Cr22Ni8Mo3N ER329N 焊條電弧焊 ER2209T E2209 2205XKS ULTRAMET2205 FCAW E2209 E309MoL SUPERCODE2205 2592 注： FCAW藥芯焊絲電弧焊； L焊絲； LR鈦型焊條； LB堿性焊條； LT藥芯焊絲 雙相不銹鋼的焊接方法 焊接方法的選擇 由于雙相不銹鋼自身的冶金特點，在選擇焊接方法上應(yīng)注意一下幾點： 。過低的焊接線能量會使奧氏體的轉(zhuǎn)變量減少，甚至于會抑制焊后冷卻過程中的鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，而 得到單相鐵素體組織，使其失去雙相不銹鋼的特點，使用性能大大降低。因此，激光焊、電子束焊和等離子焊等高能束焊不適于焊接銅陵學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計） 7 雙相不銹鋼。過高的焊接線能量會使焊縫金屬及焊接熱影響區(qū)過熱區(qū)的晶粒粗大，韌性降低。 SMAW、 TIG、 MIG 可用來焊接雙相不銹鋼。 為了獲得雙相不銹鋼焊接接頭的最佳性能，除合理地選用焊接材料外，還必須選擇最佳的焊接線能量和層間溫度，通常將焊縫金屬的奧氏體含量控制在 60%~70%。表 23 給出了三種典型的雙相不銹鋼推薦的最佳的焊接線能量和層間溫度。 表 23 焊接線能量和層間溫度 【 5】 鋼的牌號 線 能量 /（ kJ/cm） 層間溫度 /℃ SAF2304 5~25 250 SAF2205 5~25 250 SAF2507 2~15 150 ，多道次，低熔合比。 。因為焊后熱處理存在諸多困難，生產(chǎn)上難以實現(xiàn)。固溶處理的溫度太高（ 1000℃ ~1050℃），生產(chǎn)上難以實現(xiàn)。另外，中溫處理會導(dǎo)致脆化相析出，韌性和耐腐蝕性降低。 雙相不銹鋼常用的焊接方法 焊條電弧焊 焊條電弧焊適用于全位置焊接。對于雙相不銹鋼而言，鈦型焊條比堿性焊條的焊 接工藝性好，尤其是脫渣性好，這一點對多層焊很重要，可以提高效率和避免夾雜。但是，鈦型焊條比堿性焊條得到的焊縫金屬的韌性較差。所以，對于焊件有低溫性能要求時應(yīng)采用堿性焊條。 鎢極惰性氣體保護焊 TIG 焊常用于根部焊道的焊接或自動焊接，也常用于薄板或管板接頭的焊接。 TIG 焊能夠保證焊件有良好的力學(xué)性能，特別是低溫脆性。一般 TIG 焊的熔敷效率較低，即使自動焊也如此。 TIG 焊時應(yīng)采用純 Ar 或 Ar+2% N2作為保護氣體。但 V 型坡口根部焊接且雙面成型時，背面需用保護氣體保護，且用 Ar+5%N2作 為保護氣體。因為焊縫表面容易失 N。 應(yīng)當推薦使用 Ar+N2混合氣體作為雙相不銹鋼 TIG 焊的保護氣體。因為正如前面已經(jīng)提到的那樣，為了保證雙相不銹鋼焊縫金屬中奧氏體占優(yōu)勢，焊縫金屬的鉻當量 /鎳當量之比應(yīng)比母材小。若使用 Ar+N2混合氣體，則可使焊縫金屬增 N， N 是強奧氏體形成元素，焊縫金屬增 N 就等于增大了鎳當量，間接地達到了使鉻當量 /鎳當量之比變小的目的。實踐證明，在保護氣中加 N2后，焊縫金屬中的 N 含量和奧氏體含量都增加了，如表 24 所示 : 羅浩：雙相不銹鋼的焊接工藝研究 8