2205双相不锈钢的性能特点及具体应用

  由于2205双相不锈钢具有铁素体（α）加奥氏体（γ）相的两相组织结构，因而其性能便兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点。与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的塑韧性高、脆性转变温度低、焊接性能显著提高，但仍保持了铁素体不锈钢的475℃脆性及导热系数高等特点；与奥氏体不锈钢相比，则其强度较高，特别是屈服强度显著提高，且耐晶间腐蚀、耐应力腐蚀、耐腐蚀疲劳等性能都有显著的改善。SAF2205双相不锈钢与其他组织类别的不锈钢力学性能比较见表，其中的PRE代表耐孔蚀当量。

  从表中的数据可见，SAF2205双相不锈钢的屈服强度比奥氏体不锈钢的高出一倍以上，抗拉强度也高出很多，此性能可一直保持到300℃，这是因为：2205双相不锈钢中铁素体相约占二分之一；氮固溶在奥氏体相中提高了奥氏体相的强度。由于2205双相不锈钢的屈服强度高，因而其疲劳强度也很高，在循环拉应力试验中，当最大应力几乎达到材料的屈服强度时才达到疲劳极限。在2205双相不锈钢中，由于奥氏体相约占二分之一，故其塑性和韧性优于铁素体不锈钢。另外，由于奥氏体相的存在，使得容易产生脆性化合物的碳、氮等元素在铁素体相中的溶解度降低，从而降低了钢中脆性相析出的可能性。因为两相同时存在，可阻止或缓解高温下晶粒的长大，也可阻止或缓解裂纹的扩展，使钢的塑性和韧性因而提高。但与奥氏体不锈钢相比，由于铁素体相的存在，使得其塑性和韧性相对低，尤其是铁素体相中易产生σ相、α′相、χ相、R相、π相等脆性相，如果处理不当，会严重降低钢的塑性和韧性。

  2205双相不锈钢的线性热膨胀系数较奥氏体不锈钢的低，与碳钢接近，这就使得双相不锈钢在与其他材料如碳钢连接时较为合适。双相不锈钢的这一特性具有很大的工程意义。2205双相不锈钢与316L奥氏体不锈钢的一些重要物理性能对比在表中给出。

  双相不锈钢不仅具有良好的力学性能，且具有优异的耐腐蚀性能，具体如下：

 一、耐全面腐蚀性能

  由电化学腐蚀原理可知，异相共存易形成微电池并加速材料的腐蚀，但2205双相不锈钢中却很少发生这种腐蚀。这是因为2205双相不锈钢中含有较高的铬和一定量的镍、钼、铜等合金元素，在一定温度下，钢中固溶的元素在两相中的分布相应地达到平衡，而且还与组织中的相比例有关。双相不锈钢的耐蚀性，主要取决于钝化元素的含量及其在两相中的分配。如果两相在一定条件的介质中均产生钝化，便可避免发生相选择性腐蚀。一般来说，2205双相不锈钢的耐蚀性能大体同含铬、钼相当的高铬铁素体型或铬镍奥氏体不锈钢接近，并受组织中的相比例所控制。有些钢种（如ZG1Cr17Mn9Ni4Mo3Cu2、0Cr26Ni5Mo2、0Cr21Ni6Mo3Cu0Cr17Mn13Mo2N等）在某些腐蚀性介质中，如浓硝酸、稀盐酸、中等浓度的硫酸、磷酸、醋酸和尿素工艺介质等中，这些双相不锈钢比普通CrNi奥氏体不锈钢往往显示出更优越的耐蚀性。

 二、耐晶间腐蚀性能

  与奥氏体不锈钢相比，2205双相不锈钢对晶间腐蚀的敏感性小，具有优良的耐晶间腐蚀性能，这与钢中存在均匀分布的铁素体相有关。一般来说，奥氏体形成元素，如碳、氮、镍等多富集于γ相中；而铁素体形成元素，如铬、钼等多富集于α相中。当进行敏化加热时，富铬的碳化物（Cr₂₃ C₆）优先在δ/γ相界δ相的一侧析出，铬在铁素体相中的含量高，扩散速度快，析出碳化铬所造成的贫铬区便很快得到铬的补充而容易消除。由贫铬区造成的晶间腐蚀也就减少，甚至不发生。

  2205双相不锈钢产生晶界腐蚀的程度也与两相的比例有关。当钢中的铁素体量不大时，α相以弧岛状被奥氏体晶粒所包围，即使被腐蚀也因相互未能连接成网络不致造成更大的危险。随着弥散铁素体量的增加，晶界总面积提高（相对降低了晶间碳化物析出浓度）和铁素体相界及其内侧能够吸收更多的碳化物，当达到一定的极限α相含量以上时，即可消除晶间腐蚀倾向。但当钢中的铁素体相含量过多，且呈连续网络状分布时，则其抗晶间腐蚀能力变差。因此，控制适宜的两相比例，防止α相聚集长大和采取正确的热处理工艺是十分重要的。

 三、 耐应力腐蚀开裂性能

  与奥氏体不锈钢相比，2205双相不锈钢具有更高的耐应力腐蚀开裂性能。2205双相不锈钢耐氯化物应力腐蚀开裂性能，在高应力下与奥氏体不锈钢相同，短时间内即产生裂纹，但在低应力下的开裂时间要比奥氏体不锈钢长得多，显示出一定的优越性。2205双相不锈钢耐应力腐蚀开裂的特点可以做如下解释：

  1. 2205双相不锈钢具有比奥氏体不锈钢更高的屈服强度，因此它在腐蚀环境中所能承受的断裂应力也相应提高；

  2. 第二相的存在对裂纹的扩展具有机械阻碍作用。如裂纹起源于奥氏体基体，一旦扩展到α相，在低应力作用下，铁素体内难以产生滑移，裂纹的扩展被阻止；而在高应力作用下，裂纹容易贯穿铁素体相，失去阻碍效果；

  3. 铁素体相比奥氏体相电位较负，对奥氏体起了电化学阳极保护作用。

  2205双相不锈钢除了具有优异的耐腐蚀性能外，其加工性能也比较特殊。工程上应用较多的加工方法有冶炼、铸造、热变形与冷变形加工、机加工等。

  冶炼：2205双相不锈钢的冶炼比奥氏体或铁素体钢的难度大，控制要求高。目前，2205双相不锈钢最低要求应采用VOD或AOD进行精炼。

  铸造：基于与冶炼同样的道理，铸造难度也大于一般奥氏体钢和铁素体钢，而且难度比冶炼更大。除此之外，由于两相组织的原因，在浇铸时还需采取有效的措施，以避免比奥氏体钢中更容易出现的铸造裂纹（两相凝固差别的原因）、气孔（加氮的原因）等问题。

  热变形与冷变形加工：2205双相不锈钢具有的两相组织使其热变形与冷变形加工的难度要远大于奥氏体不锈钢。

  2205双相不锈钢依具有强的耐应力腐蚀能力（SCC）而著称，与奥氏体不锈钢相比，无论是耐腐蚀能力还是力学性能，都有很强的优越性。2005双相不锈钢与奥氏体不锈钢相比，另一个优势就是低的价格，这是由于双相不锈钢中低的镍和钼含量，使其大大地节约了生产成本。例如，SAF2205的耐点蚀和缝隙腐蚀能力与高合金奥氏体不锈钢904L处在同一水平，但在常温下母材的屈服强度却是300系列奥氏体不锈钢的两倍。在严格的设计条件下，使用过程中双相不锈钢与相同耐腐蚀能力的奥氏体不锈钢相比，可以节约35%~40%的材料。因此，2205双相不锈钢被广泛应用于石油化工、造纸、印染、海洋工程、食品工业和造纸等行业。图中为美国工程公司为阿尔及利亚制造的双相不锈钢三聚氰（酰）胺树脂存储器，图中为双相不锈钢大型储油罐，所用的主要原材料均为2205双相不锈钢。

  目前国内双相不锈钢的主要产品是管、板和复合板，也有锻件和铸件，产量都不大。Φ219mm的无缝管和Φ457mm的薄壁等离子焊管都已研制成功，2205与Q345C的复合板也已成功用于长江三峡工程的排沙管，泄洪深孔衬砌等。据不完全统计，1999年国内双相不锈钢的消费量约2000t，近几年的年消费量达到4000吨，翻了一番。随着应用的进一步扩大，国内产品难以满足要求，尤其一些大型工程项目，主要仍是依靠进口。

  目前国内已具备制造双相不锈钢和超级双相不锈钢设备的实力和较高的生产水平。如南京化工有限公司化工机械厂，上海石化机械制造公司，金州重型机器有限公司等近十家大中型机械制造公司已经制造了近百台的双相不锈钢设备。像南京化工有限公司化工机械厂和金州重型机器有限公司都能按照国外标准制造出多台套设备，分别出口至印度和马来西亚。南京化工有限公司化工机械厂和上海石化机械制造公司不仅能制造普通双相不锈钢设备，而且还能制造超级双相不锈钢设备，不过所用的UNS32750和UNS532760超级双相不锈钢的管材都是依赖进口。至于油气和石化行业所需的管线钢材，国内近两年也已开始制造和进行野外施工焊接，这方面的制造和生产经验还有待进一步积累。