雙相不銹鋼加工制造實用指南(1）
雙相不銹鋼的應用日益廣泛，用戶對這類不銹鋼也越來越熟悉。本文圍繞雙相不銹鋼應用的難點之一 — 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用信息。
內容包括：雙相不銹鋼的歷史、化學成分、冶金學、耐腐蝕性能、力學性能、物理性能、技術條件、質量控制、切割、成形、焊接、應用等。
全文較長，將分幾部分發表，歡迎關注！
1 引言
雙相不銹鋼是一類集優良的耐腐蝕、高強度和易于制造加工等諸多優異性能于一身的鋼種。它們的物理性能介于奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼之間，但更接近于鐵素體不銹鋼和碳鋼。雙相不銹鋼的耐氯化物點蝕和縫隙腐蝕能力與其鉻、鉬、鎢和氮含量有關，可以類似于316不銹鋼，也可高于海水用不銹鋼如6％Mo奧氏體不銹鋼。所有雙相不銹鋼耐氯化物應力腐蝕斷裂的能力均明顯強于300系列奧氏體不銹鋼，而且其強度也大大高于奧氏體不銹鋼，同時表現出良好的塑性和韌性。
雙相不銹鋼的制造加工與奧氏體不銹鋼的制造加工有許多相似之處，但也有重要區別。雙相不銹鋼的高合金含量和高強度等要求在制造工藝上作某些改變。本文面向加工制造商和承擔制造任務的最終用戶，它提供了關于雙相不銹鋼加工制造的實用信息。本文假定讀者已具備不銹鋼的加工制作經驗，因此，給出了雙相不銹鋼和300系列奧氏體不銹鋼及碳鋼之間的性能和加工工藝的對比數據。
雙相不銹鋼的加工制造不同于一般不銹鋼，但并不困難。
2 雙相不銹鋼的歷史
雙相不銹鋼已有近80年的歷史，它是一種混合顯微組織，奧氏體相和鐵素體相大約各占一半。
早期的牌號是鉻、鎳和鉬的合金。1930年在瑞典生產出第一批鍛軋雙相不銹鋼并用于亞硫酸鹽造紙工業。開發這些牌號是為了減少早期高碳奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕問題。1930年芬蘭生產出雙相不銹鋼鑄件，1936年，Uranus 50 的前身在法國獲得專利。二戰后，AISI 329型不銹鋼成為公認的鋼種并廣泛用于硝酸裝置的熱交換器管道。3RE60是第一代專為提高耐氯化物應力腐蝕斷裂（SCC）性能而研制的雙相不銹鋼牌號之一；后來，鍛軋和鑄造雙相不銹鋼牌號均用于各種加工工業的應用，包括容器、熱交換器和泵。
第一代雙相不銹鋼有良好的性能表現，但在焊接狀態下有局限性。焊縫的熱影響區（HAZ）由于鐵素體過多而韌性低，并且耐腐蝕性明顯低于母材。這些局限性使第一代雙相不銹鋼的應用，僅限于非焊接狀態下的一些特定應用。1968年不銹鋼精煉工藝，即氬氧脫碳(AOD)的發明，使一系列新不銹鋼鋼種的產生成為可能。AOD所帶來的諸多進步之一便是合金元素氮的刻意添加。雙相不銹鋼添加氮可以使焊接狀態下HAZ的韌性和耐腐蝕性接近于母材的性能。隨著奧氏體穩定性的提高，氮還降低了有害金屬間相的形成速率。
含氮的雙相不銹鋼被稱為第二代雙相不銹鋼。這一新的商品化進展始于70年代后期，正好與北海海上油氣田的開發及市場對具有優異耐氯離子腐蝕性能、良好的制造加工性和高強度的不銹鋼需求相吻合。2205成為第二代雙相不銹鋼的主要牌號并廣泛用于海上石油平臺集氣管線和處理設施。由于這種鋼的強度高，因此壁厚可減薄，可以減輕平臺的重量，使這種不銹鋼的應用有很大的吸引力。
如同奧氏體不銹鋼一樣，雙相不銹鋼是一類按腐蝕特性排列的鋼種，腐蝕性能取決于它們的合金成分。雙相不銹鋼一直在不斷發展，現代雙相不銹鋼可分為5種類型：
不添加鉬的經濟型雙相不銹鋼如2304；
標準雙相不銹鋼如2205，是主要的鋼種，占雙相鋼用量的80%以上；
25Cr雙相不銹鋼如合金255，PREN值小于40*；
超級雙相不銹鋼（PREN值40～45）， 含25％～26%Cr，與含25%Cr雙相不銹鋼如2507相比，鉬和氮的含量增加；
特超級雙相不銹鋼，PREN值超過45的高合金化雙相不銹鋼
* PREN = 點蝕當量數 = %Cr+3.3(%Mo+0.5%W)+16%N
表1 給出了第二代鍛軋雙相不銹鋼和鑄造雙相不銹鋼的化學成分，為便于比較，第一代雙相不銹鋼和常用奧氏體不銹鋼也包括在其中。
表1 鍛軋和鑄造雙相不銹鋼的化學成分*（重量％）
* 最大值，除非指明范圍或說明是最小值。
- 標準中未指明。
** 這一種鋼最初沒有添加氮，被認為是未加氮的第一代雙相不銹鋼。
3 化學成分和合金元素的作用
3.1 雙相不銹鋼的化學成分
一般認為，雙相不銹鋼的相平衡比例為30％～70%的鐵素體比奧氏體時，可以獲得良好的性能。但雙相不銹鋼常常被認為是鐵素體和奧氏體大致各占一半，在目前的商品化生產中，為了獲得最佳的韌性和加工特性，傾向于奧氏體的比例稍大一些。主要的合金元素尤其是鉻、鉬、氮和鎳之間的相互作用是非常復雜的。為了獲得穩定的有利于加工和制造的雙相組織，必須注意使每種元素有適當的含量。
除了相平衡以外，有關雙相不銹鋼及其化學組成的第二個主要問題是溫度升高時有害金屬間相的形成。σ相和χ相在高鉻、高鉬不銹鋼中形成，并優先在鐵素體相內析出，氮的添加大大延遲了這些相的形成。因此在固溶體中保持足夠量的氮非常重要。隨著雙相不銹鋼制造經驗的增加，控制窄的成分范圍的重要性變得越來越明顯。2205雙相鋼（UNS S31803，表1）最初設定的成分范圍過寬，經驗表明，為了得到最佳的耐腐蝕性能及避免金屬間相的形成，S31803的鉻、鉬和氮含量應保持在含量范圍的中上限，由此引出了成分范圍較窄的改進型2205雙相鋼UNS S32205（表1）。S32205的成分就是今天商品化的2205雙相不銹鋼的典型成分。在本文中，除非另有說明，通常2205指的就是S32205。
3.2 雙相不銹鋼中合金元素的作用
以下簡單介紹幾個最重要的合金元素對雙相不銹鋼的力學性能、物理性能和腐蝕特性的影響。
鉻：
鋼中鉻含量必須不低于10.5％才能形成穩定的含鉻鈍化膜保護鋼不受大氣腐蝕。不銹鋼的耐蝕性隨鉻含量的增加而增加。鉻是鐵素體形成元素，鋼中加鉻可促使體心立方結構的鐵素體形成。鋼中鉻含量較高時，需要加入更多的鎳才能形成奧氏體或雙相（鐵素體－奧氏體）組織，較高的鉻量也能促進金屬間相的形成。奧氏體不銹鋼鉻含量至少為16％，雙相不銹鋼鉻含量至少為20％。鉻還能增加鋼在高溫下的抗氧化能力。鉻的這一作用很重要，它影響熱處理或焊接后氧化皮或回火色的形成和去除。雙相不銹鋼的酸洗和去除回火色要比奧氏體不銹鋼困難。
鉬：
鉬與鉻的協同作用能提高不銹鋼的耐點蝕的能力。當不銹鋼中鉻含量至少為18％時，鉬在含氯化物的環境中耐點蝕和縫隙腐蝕的能力是鉻的三倍。鉬是鐵素體形成元素，同時也增大了不銹鋼形成金屬間相的傾向。因此，奧氏體不銹鋼的鉬含量通常小于約7.5％，雙相不銹鋼的鉬含量小于4％。
氮：
氮提高奧氏體和雙相不銹鋼的耐點蝕和縫隙腐蝕的能力，它還能顯著地提高鋼的強度。事實上它是最有效的固溶強化元素和低成本合金元素。含氮雙相不銹鋼韌性的改善得益于其較高的奧氏體含量和金屬間相含量的降低。氮并沒有阻止金屬間相的析出，但可推遲金屬間相的形成，使得有足夠的時間進行雙相不銹鋼的加工和制造。氮被添加到鉻和鉬含量高的高耐蝕性奧氏體和雙相不銹鋼中，以抵消它們形成σ相的傾向。
氮是強奧氏體形成元素，在奧氏體不銹鋼中能代替部分鎳。氮可降低層錯能并提高奧氏體的加工硬化率。
它還通過固溶強化提高了奧氏體的強度。雙相不銹鋼一般都添加氮并調整鎳含量以便獲得適當的相平衡。鐵素體形成元素鉻和鉬與奧氏體形成元素鎳和氮相平衡才能獲得雙相組織。
鎳：
鎳是穩定奧氏體的元素，鎳促使不銹鋼的晶體結構從體心立方結構（鐵素體）轉化為面心立方結構（奧氏體）。鐵素體不銹鋼含極少的鎳或不含鎳，雙相不銹鋼含鎳量為低至中等，如1.5%～7％，300系奧氏體不銹鋼至少含有6％的鎳（見圖1、2）。添加鎳延緩了奧氏體不銹鋼中有害金屬間相的形成，但是在雙相不銹鋼中鎳的延緩作用遠不如氮有效。面心立方結構使得奧氏體不銹鋼具有極佳的韌性。雙相不銹鋼中有近一半是奧氏體組織，因此雙相鋼的韌性比鐵素體不銹鋼顯著提高。
4 雙相不銹鋼的冶金學
Fe-Cr-Ni合金三元相圖是雙相不銹鋼冶金行為的指路圖。從鐵含量為68％處的三元截面圖（圖3）可看出：這些合金以鐵素體(a)凝固，當溫度下降至1000℃（1832℉）左右時，部分鐵素體轉變成奧氏體(g)（取決于合金成分）。在更低溫度下，處于平衡態的鐵素體和奧氏體幾乎沒有進一步的改變。從圖3還可看出增加氮的影響。從熱力學觀點看，因奧氏體是由鐵素體轉變而來的，合金不可能跳過奧氏體的平衡態。然而，當繼續冷卻至較低溫度時，碳化物、氮化物、σ相以及其他金屬間相都可能成為顯微組織的成分。
冶金產品或制造加工中鐵素體和奧氏體的相對數量取決于其化學成分和加熱歷史。如相圖所顯示，成分上較小的變化即會對兩相的相對體積分數有較大影響。單獨的鐵素體形成元素和奧氏體形成元素在雙相鋼中也同樣發揮作用。顯微組織中的鐵素體/奧氏體相平衡可通過如下的多變量線性回歸來預測：
Creq = %Cr + 1.73 %Si + 0.88 %Mo
Nieq = %Ni + 24.55 %C + 21.75 %N + 0.4 %Cu
% 鐵素體 = -20.93 + 4.01 Creq – 5.6 Nieq + 0.016 T
T（攝氏溫度）是退火溫度，1050-1150°C，元素含量為重量百分數（wt%）。
為達到使雙相不銹鋼具有理想相平衡的目的，主要通過調整鉻、鉬、鎳和氮的含量，并控制好加熱操作。然而，由于冷卻速度決定了可轉變成奧氏體的鐵素體的數量，因此高溫受熱后的冷卻速度將影響相平衡。因為快速冷卻有利于保留鐵素體，所以可能得到比平衡狀態下更多的鐵素體。例如，采用低熱輸入來焊接大截面的產品，會導致HAZ（熱影響區）過量的鐵素體。
氮的另一個有效作用是提高了從鐵素體開始形成奧氏體的溫度，見圖3，它增加了鐵素體轉變為奧氏體的比例。因此，即使在相對快速的冷卻條件下，奧氏體數量也幾乎能達到平衡狀態時的水平。對第二代雙相不銹鋼而言，這一效應可減少HAZ鐵素體過量的問題。
因為σ相的形成溫度低于冷卻時鐵素體轉變成奧氏體的溫度（圖4），為避免冶金產品中出現σ相，可控制退火溫度，確保鋼從退火溫度盡快淬火，防止冷卻過程中形成σ相。所要求的冷卻速度非常快，可使用水淬。在實際制造中，只有當焊接截面尺寸相差懸殊或以很低的熱輸入焊接厚截面時，才會遇到過度的冷卻速度。
雙相不銹鋼中的α'相也是一個穩定相，它在低于525℃（950℉）的鐵素體相中形成，其形成機制與全鐵素體不銹鋼中α'相相同。鐵素體不銹鋼長時間暴露在475℃（885℉）左右的溫度后，其中的α'相會造成常溫韌性的喪失，這就是所謂的475℃/885℉脆性。
在不銹鋼中，氮作為一個合金元素意味著在焊縫的熱影響區沿鐵素體－鐵素體晶界和奧氏體－鐵素體相界可能出現氮化鉻。如果它的數量很大，退火時貧鉻區來不及補償失去的鉻的時候，氮化鉻會對鋼的耐蝕性產生不利影響。不過，由于較高的氮能促使奧氏體的形成，奧氏體對氮溶解度高，所以第二代雙相不銹鋼很少含有較大量的氮化鉻。此外，第二代雙相不銹鋼碳含量都很低，因此，通常無需考慮碳化物的有害影響。
在某些溫度下，有害的σ相、α'相以及碳化物和氮化物相在數分鐘內即可形成。因此，加工和制造以及使用時的熱處理必須要考慮相形成的反應動力學以保證獲得所需要的耐蝕性和力學性能。現已開發的這些雙相不銹鋼牌號都力求有最好的耐蝕性和充分延遲析出反應，使加工制造得以順利進行。
圖5為2304、2205和2507雙相不銹鋼的等溫析出圖。碳化鉻和氮化鉻在析出溫度開始析出的時間是相對較“慢”的1～2分鐘。雙相不銹鋼比鐵素體不銹鋼或高合金奧氏體不銹鋼析出要慢，部分原因是由于碳和氮元素在低鎳奧氏體相中的溶解度高，以及氮對碳化物析出的延遲效應。因此，雙相不銹鋼牌號在冷卻時抗敏化能力相對較強。這些牌號中碳化物和氮化物的形成動力學僅在一定程度上受到鉻．鉬及鎳的影響，因此，所有含氮雙相不銹鋼牌號的析出動力學都與2205鋼相似。
σ相和χ相析出的溫度略高但是與碳化物和氮化物析出的時間大致相同。鉻、鉬和鎳含量更高的雙相不銹鋼牌號的σ相和χ相析出比2205更快；低合金化牌號析出則較慢。圖5中的虛線說明σ相和χ相在較高合金化的2507中開始形成的時間較早，而在2304中開始時間較晚。
α'相析出于鐵素體相內，它使鐵素體相硬化和脆化。幸而雙相不銹鋼中含有50％的奧氏體，這種硬化和脆化所帶來的危害不象在全鐵素體不銹鋼中那么大。α'相析出造成韌性的損失（脆性）要慢于硬化的速度（圖5）。由于發生脆化需要較長的時間，在加工制造時很少考慮α'相脆性問題。但材料的使用溫度上限則受到α'相形成的制約 。
因為長時間高溫下使用會使鋼的室溫韌性喪失，壓力容器設計規范已確立了最大許用設計應力下的使用溫度上限值。德國TüV規范區別對待了焊接和非焊接結構件，它的溫度上限值比ASME鍋爐和壓力容器規范更保守。
壓力容器設計規范中規定的各種雙相不銹鋼的溫度限值見表2。
表3綜合了雙相不銹鋼的一些重要析出反應和析出的溫度極限。
（未完待續）
