经济型S32003双相不锈钢在热泵热水器水箱上的应用

不锈钢能够具有耐腐蚀性能主要是因为其含有一定比例的铬、碳、镍、钼等元素，这些元素的含量比例不同使得不锈钢的物理性能有很大的区别，目前热泵热水器不锈钢水箱大多采用SUS304材料，但随着产量的不断增加和使用时间的推移，市场反馈信息显示，SUS304不锈钢水箱不可避免的会存在腐蚀漏水的问题，需要寻找经济型的可替代不锈钢材料。本文从防腐性能、传热性能、焊接性能等物理特性，对水箱内胆选用双相不锈钢进行分析。

 承压保温水箱内胆是热泵热水器的核心部件，对不锈钢内胆材料的正确选择是设计高品质产品的重要保证。使用的原材料不好，往往用了一两年之后就会出现漏水，由于水箱结构的特殊性导致内胆不可维修，一旦内胆漏水则整个水箱报废，目前热泵热水器不锈钢水箱大多采用SUS304材料，但理论研究和长期的使用实践证明，SUS304不锈钢材料属性和内胆加工工艺使得不锈钢承压水箱，特别是在水质不好，高水温环境下很容易发生腐蚀漏水。

 1. 内胆在上下端盖与桶身配合处、管接头焊接部位容易发生缝隙腐蚀造成泄漏；

 2. 不锈钢材料中碳元素的存在，使得内胆在各焊接部位热影响区域发生晶间腐蚀倾向；

 3. 水中氯离子的存在会引起不锈钢材料的点腐蚀，高水温，水中矿物质、氧化物的存在会加速腐蚀的发生；

 4. 内胆在加工过程中，不锈钢材料会发生弯曲、拉伸、挤压形变，造成应力腐蚀。

 由于不锈钢材料各不相同，为了提高水箱内胆的质量，使用什么样的材料正困扰着设计人员，故需要寻找经济型的可替代不锈钢材料。本文从防腐性能、传热性能、焊接性能等物理特性，对水箱内胆选用双相不锈钢的应用进行分析。

一、钢种介绍

  双相不锈钢是指不锈钢的固溶组织中铁素体（x）与奥氏体（y）两相约各占一半，一般较少项的含量至少达到30%。与同级别的单相奥氏体不锈钢相比，大幅度降低镍含量的同时，材料本身还具有高强度、良好的耐应力腐蚀、耐点腐蚀及焊接性能。

  S32003是经济型双相不锈钢之一，它是通过以氮代镍的方式达到高性能和低成本的统一，由于含有1.5%的钼与铬、氮一起提高了材料的耐腐蚀性能，其耐点腐蚀指数PREN（PREN=Cr%+3.3Mo%+16N%）在30左右，耐蚀性优于316L不锈钢，与317L不锈钢相当，同时S32003具有双相不锈钢的高强度、良好的耐应力腐蚀性能，因此在化学储罐、压力容器、纸浆造纸、桥梁、家电等多领域具有很好的应用前景。

二、S32003双相不锈钢成分性能介绍

 1. 化学成分（执行ASTMA240/A240M）

 2. 固溶状态冲击韧性

  在-60℃仍然具有较高的冲击值，冲击韧性“各向异性”，纵向大于横向，随温度降低，两个方向差值逐步减小，-196℃低温脆性较差，远低于304不锈钢、316L不锈钢。

 3. 高强度

 屈服强度是奥氏体（如316L）不锈钢的两倍，可实现制件的壁厚减薄及轻量化。

 4. 良好的耐腐蚀性

 铬主要铁素体形成元素，铭与氧结合能生成耐腐蚀的钝化膜，是不锈钢保持耐蚀性的基本元素之一。铬含量增加可提高钢的钝化膜修复能力，一般不锈钢中的铭含量必须在12%以上，而双相不锈钢的铭含量一般在20~29%之间钼：铁素体形成元素，提高钝化膜的稳定性，与铬协同作用，改善耐氯离子点腐蚀及缝隙腐蚀性能，氮是奥氏体形成元素，其形成能力远超过镍，对于提高强度、改善耐氯离子点腐蚀性能有重要作用。

  a. 良好的耐晶界腐蚀性能

  b. 良好的耐氯离子点腐蚀性能

  5. 点腐蚀

   不锈钢表面大部分不腐蚀或腐蚀轻微，在局部形成具有一定深度的小孔或锈斑，经常被覆盖而不易被发现。

 6. 焊接性能

 由于双相不锈钢是铁素体与奥氏体的结合，因此焊接时，热裂倾向小，不需焊前预热与焊后热处理。含氮的双相不锈钢可以实现在焊接时热影响区保留30%的奥氏体，因此大大改善了焊接接头的韧性及耐蚀性能。

 取厚度为12.0mm的经过1050℃固溶处理后的中板，在实验室采用手工电弧焊的方式完成试样的焊接。具体的焊接参数如下：焊材：E2209-16；规格：p3.2mm；焊接方法：焊条电弧焊DC+；缓解温度：28℃；相对湿度：65%。

 焊接接头性能分析：对焊接性能进行了部分实验。其中，面弯、背弯、侧弯实验均合格；焊接接头强度Rm=755MPa，A=27%，断位在母材；按照ASTMA262-E法进行的非敏化态晶界腐蚀无裂纹。

 焊接接头金相组织：热影响区未形成单相铁素体组织，保证了接头的韧性，

三、结论

 由以上分析，双相不锈钢与同级别的单相奥氏体不锈钢相比，大幅度降低镍含量的同时，材料本身还具有高强度、良好的耐应力腐蚀、耐点腐蚀及焊接性能，S32003是经济型双相不锈钢之一，它是通过以氮代镍的方式达到高性能和低成本的统一，由于含有1.5%的钼，与铬、氮一起提高了材料的耐腐蚀性能。其耐点腐蚀指数PREN（PREN=Cr%+3.3Mo%+16N%）在30左右，耐蚀性优于316L，与317L相当，同时S32003具有双相不锈钢的高强度、良好的耐应力腐蚀性能，因此热泵热水器承压水箱内胆可选用双相不锈钢S32003作为经济型的可替代不锈钢材料。