双相不锈钢铁素体含量对腐蚀性的影响 刘宝剑、王洲要点 - 图文

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双相不锈钢铁素体含量对腐蚀性的影响

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目 录

摘要 ........................................................................................ 3 引言 ........................................................................................ 3 正文 ........................................................................................ 4 1双相不锈钢的定义及分类 ............................................ 4 2.双相不锈钢铁素体含量的测量与分析........................ 4 2.1化学成分对双相不锈钢中铁素体含量的影响 5 2.2热处理对双相不锈钢中铁素体含量的影响 ....... 6 3 铁素体含量对双相不锈钢腐蚀性的影响 .................. 7 3.1 耐全面腐蚀性能................................................... 8 3.2耐晶间腐蚀性能 .................................................... 8 3.3耐应力腐蚀开裂性能 ........................................... 9 3.4耐点腐蚀性能 ........................................................ 9 4实验方案 ...................................................................... 10 4.1点蚀实验 .............................................................. 10 4.2全面腐蚀实验 ...................................................... 11 4结论 ................................................................................... 11 5结束语 ............................................................................... 11

摘要

双相不锈钢在以其良好的耐蚀性越来越受到更多的重视，本文通过对双相不锈钢铁素体含量对耐全面腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、点蚀的影响的探究，发现双相不锈钢中铁素体含量在50%左右时具有最好的耐蚀性，期望通过本文研究对实际生产能产生帮助。

关键词：双相不锈钢 铁素体 合金元素 热处理 耐蚀性 引言

近十年多来，由于现代工业技术的飞跃发展，双相不锈钢越来越被人们所重视。主要原因为：首先传统的奥氏体不锈钢经常遭到晶间腐蚀、应力腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀等各种腐蚀和破坏。而在这方面人们对双相不锈钢又有了新的认识，双相不锈钢在上述各腐蚀类型中表现出极强的抗腐蚀能力。其次，双相不锈钢有极好的力学 性能，其强度为一般奥氏体不锈钢的两倍，且有良好的韧性，根据其强度高的优点，可通过 降低产品厚度来降低产品成本，实现经济性。目前,国际上双相不锈钢广泛应用于石油化工业、运输业、纸浆和造纸工业、建筑业等几大领域。国内由于起步较晚,在研究、生产和应用中也相对落后。国内双相不锈钢的使用是有一定局限性的，像国外大量使用双相不锈钢的诸如纸浆和造纸工业、油气工业、运输业、甚至建筑业几个大的领域我们涉及得不多，有的还只是刚刚开始。

我厂目前在容器堆焊的不锈钢多为奥氏体不锈钢，但双相不锈钢在耐腐蚀压力容器设备中被应用得越来越广泛，双相不锈钢及其复合板制造压力容器的技术也逐渐成熟。随着我厂的不断发展将来会接触

到此类产品的订单，因此研究双相不锈钢中铁素体含量对腐蚀的影响对我厂以后生产双相不锈钢压力容器中有重要的意义。

正文

1双相不锈钢的定义及分类

双相不锈钢是在18-8奥氏体不锈钢的基础上,提高Cr含量或者加入其他铁素体元素，使钢具有奥氏体加铁素体双向组织,每一相含量均在30%-70%之间。它在一定程度上兼有奥氏体和铁索体钢的特征：具有较高的强度(尤其是屈服强度)和导热性，良好的加工性和焊接性,较低的线膨胀系数和焊接热裂倾向;同时具有优良的耐应力腐蚀和腐蚀疲劳抗力,是一种极具成本效益的工程材料形成的。

双相不锈钢主要可分为两大类，一类是Cr-Ni系双相不锈钢，这类钢是以铁素体为基的双相不锈钢，按照含铬量的多少，又可分Crl8型，如 、(3RE60)、Cr21 型00Cr22Ni5Mo2 (2205钢)和Cr25型如00Cr25Ni7Mo2 (2507钢)，其主要特点是含有较高的铬和较低的镍含；另一类是Cr-Mn-N双相不锈钢(含Cr-Mn-Ni-N)系，这类钢是以奥氏体为基的双相不锈钢，0Crl7Mnl3Mo2N、1Cr18Mn10Ni5Mo3N 以及1Crl7Mn9Ni4Mo3Cu2N等，其成分特点是含镍量低,且含有较高的氮。

2.双相不锈钢铁素体含量的测量与分析

双相不锈钢拥有何样的性能同a(铁索体)和γ (奥氏体)相的平衡比例有很大关系。镍和氮在奥氏体相中较多、钼和铬在铁素体相中较多。通过调节双相不锈钢的化学成分和选择合理的热处工艺实现双相不锈钢中铁素体与奥氏体两相的比例。

铁素体含量测定的方法，主要包括磁测法、金相法和化学分析法。 2.1化学成分对双相不锈钢中铁素体含量的影响

本文中利用化学分析法的Schaefier组织图分析双相不锈钢的成分对铁素体含量影响。Schaefier将合金元素分为奥氏体形成元素和铁素体形成元素两类，并按照其形成能力的大小折算 成镍当量和铬当量。其当量计算公式为：

铬当量=Cr%+Mo%+1.5×Si％+0.5×Nb% 镍当量=Ni%+30×C%+0.5×Mn%

如表2-1是典型不锈钢的化学成分，图2-1为几种实用双相不锈钢材料在利用Schaefier组织图确定其铁素体含量。

表2-1 部分双相不锈钢的牌号及化学成分(质量分数％）

钢号 3RE60 Urαnus50 SΑF2205 DP3 0Cr21Ni6Mo2Ti 0Cr21Ni5Ti SΑF2507 SUS.S3275040 0Cr26Ni5Mo3 C 0.03 0.04 0.03 0.03 0.08 0.06 0.03 0.03 ≤0.08 Cr 18.5 21.5 22.0 25.0 21.0 22.0 25.5 25.0 26.5 Ni 4.9 6.5 5.5 6.5 7.5 5.8 7.0 7.6 5.0 Mo 2.7 1.5 3.0 3.5 2.0 — 4.5 3.0 3.0 Mn ≤2.0 — ≤2.0 W:0.4 0.8 ≤0.8 — 1.2 ≤1.5 Si — — ≤0.8 0.08 ≤0.8 — 0.8 1.0 N 0.07 其他 — 0.10 Cu:1.0-2.0 0.14 — — Cu:0.20-0.80 Ti:0.2-0.4 0.28 0.28 Ti:5 Cu:0.50 Cu:0.80 —

图2-1 实用双相不锈钢在Cr-Ni当量图中的分布

2.2热处理对双相不锈钢中铁素体含量的影响

图2-2是双相不锈钢在不同热处理制度下铁素体含量的变化的情况。双相不锈钢的试样分别在850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1070℃、1100℃、1150℃、1180℃ 下保温30分钟后水冷处理，然后采用金相测定标准ΑSTM E562 测定铁素体的含量。

从图2-2中还可知，成分的变化明显地影响着铁素体相的含量。双相不锈钢合适的热处理温度为1050、1100℃，其铁素体含量在50 % 左右，其金相图如图2-3所示。

图2-1不同热处理下铁素体含量的变化

图2-3铁素体含量在50 %时金相图

3 铁素体含量对双相不锈钢腐蚀性的影响

腐蚀有两种主要形式：一种是全面腐蚀，另一种是局部腐蚀。全面腐蚀在实际生产中可以预测其腐蚀速率，危害较小；而局部腐蚀不可预测，危害很大。本文主要讨论了铁素体含量对全面腐蚀和局部腐蚀中晶间腐蚀、应力腐蚀、点蚀的影响。

3.1 耐全面腐蚀性能

众所周知，异相共存易形成微电池并加速腐蚀，但双相不锈钢，却很少发生这种腐蚀。这是因为在双相不锈钢中含有较高的铬和一定量的镍、钼、铜等元素，在一定温度下，钢中固溶的元素在两相的分布相应地平衡，而且还与相比例有关。双相不锈钢的耐蚀性，主要取决于钝化元素的含量及在两相中的配比。不锈钢在强酸和强碱中可能呈现全面腐蚀。因全面腐蚀危害性较小，查到相关资料较少，后文设计实验测定双相不锈钢中铁素体含量对其影响。 3.2耐晶间腐蚀性能

与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢对晶间腐蚀敏感性小，具有优良的耐晶间腐蚀性能。这与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、镍等多富集于相中；而铁素体形成元素，如铬、铝等多富集于 相中。当敏化加热时，富铬的碳化物(Cr23C6)优先在于 相界相的一侧析出，铬在铁素体相中含量高，扩散速度快，析出碳化铬所造成的贫铬区很快得到铬的补充而容易消除。由贫铬区造成的晶问腐蚀也就减少，以至于不发生。

双相不锈钢产生晶界腐蚀的程度还与两相的比例有关。当铁索体量不大时，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，当达到一定的极限相含量以上时，可以消除晶间腐蚀倾向。但当铁素体相含量过多，呈连续网络状分布。则

其抗晶问腐蚀能力变差。因此，控制适宜的两相比例，防止相聚集长大和采取正确的热处理工艺是十分重要的。 3.3耐应力腐蚀开裂性能

与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢具有更高的耐应力腐蚀开裂性能是其另一优点。双相锈钢耐应力腐蚀开裂性能，随铁素体含量的增加而提高，在约含50%铁素体相时断裂敏感性最小。

国内外多数实用的耐应力腐蚀双相不锈钢属于铁素体-奥氏体类型,过高的铁素体含量，会显示出高铬铁索体不锈钢的固有缺点。 双相不锈钢耐氯化物应力腐蚀开裂性能。双相不锈钢耐应力腐蚀开裂的特点可以做如下解释：

1) 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有机械阻碍作用。如裂纹起源于奥氏体基体，一旦扩展到铁素体相，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牺牲阳极保护作用。

3.4耐点腐蚀性能

点蚀的腐蚀机理归纳起来主要分为三个阶段：导致钝化膜破裂的过程、蚀坑的成核及蚀坑的早期生长、蚀坑的稳态生长。导致钝化膜的破裂有很多解释，一般认为金属表面钝化膜本身就是不均匀的，总

是存在各种各样的不完整性，并且处于钝态的金属仍有一定的反应能力 ，钝化膜的溶解和修复 (再钝化)处于动态平衡状态，当介质中存在侵蚀性阴离子时，平衡即被破坏，使溶解占优势。

双相不锈钢的点蚀性能主要受合金元素和相比例的影响，Cr是双相不锈钢的主要合金元素，它主要使双相不锈钢易钝化，同时保持钝化膜的稳定性，并增强钝化膜破坏后的修复能力，这是双相不锈钢耐点蚀的基础。但在某些强氧化性酸和一些还原性介质中，单纯依靠 Cr不足以保持良好的耐点蚀性，有必要添加抑制阳极溶解的元素如 Ni、Mo、Si等。Ni是形成奥氏体和扩大奥氏体区的元素，主要是通过与其它元素配合来控制金属组织结构来保证耐点蚀性。Mo在钢中加入 能显著提高耐点蚀性能，它主要在溶液中形成，极易优先被钝化膜破坏区吸附，阻止与Cl离子的接触，并提高钝化膜的稳定性。N同样是形成奥氏体和扩大奥氏体区的元素 ，在钢中加人N后，N溶入介质中形成，被钝化膜破坏处的 吸附，从而起稳定 的作用 ，达到提高耐点蚀性。近年来的研究发现，Ni、N可以与富Cr、Mo的铁素体相取得平衡，保持双相钢的耐点蚀性能，保证钢中的两相各占约50%左右。 因此铁素体含量在50%附近时可保证不锈钢有较好耐点蚀性。

4实验方案

4.1点蚀实验

实验材料双相不锈钢00Cr25Ni7Mo4N为例。其不同热处理工艺铁素体含量变化如图2-2所示，分别取经1150℃、1070℃、1050℃、

1000℃热处理试样中取样，试样采用线切割加工成的30mm×20mm×2mm大小，每个温度各取三块试样，表面不经打磨，测试原始表面。遵照国标17897-1999配制6%的FeCl3溶液，溶液温度50℃，试验周期24小时。比较试验前后的钢板变面的腐蚀情况。 4.2全面腐蚀实验

分别取经1150℃、1070℃、1050℃、1000℃热处理后双相不锈钢00Cr25Ni7Mo4N试样，试样采用线切割加工成的20mm×10mm×2mm大小，每个温度各取三块试样，表面不经打磨，配制5%的硫酸溶液，溶液沸腾，试验周期1周。测量实验前后的质量变化，比较腐蚀速率。

4结论

1) 双相不锈钢中铁素体含量通过材料的化学分和热处理工艺调节。

2) 双相不锈钢中铁素体含量对耐全面腐蚀的影响有待实验分析。

3) 双相不锈钢铁素体含量对耐晶间腐蚀性的影响：随铁素体含量的增加，耐腐蚀性先增加后降低，存在最优比值。

4）双相不锈钢中铁素体含量对耐应力腐蚀的影响:随铁素体含量的增加而提高，在约含50%铁素体相时断裂敏感性最小。

5)双相不锈钢中铁素体含量对耐点蚀的影响:50%附近时可保证不锈钢有较好耐点蚀性。结论待验证。

5结束语

石油化工设备由于中强酸强碱造成的局部点蚀、应力腐蚀以及孔穴式腐蚀现象一般不锈钢难以胜任，双相不锈钢具有很强的各类抗腐

蚀性能，还具有很好的强度和韧性，将会越来越多的在生产中使用。西气东输工程西起塔里木盆地的集气管线考虑要用双相不锈钢焊管。在南京，镇海，天津，济南等炼化公司，双相不锈钢多集中用在常减压蒸馏塔的塔顶衬里（或复合板）、塔内构件、空冷器和水冷器等，河南煤化工厂的粉煤气化装置的数台冷却器都是采用进口2205钢管制造。此外双相不锈钢在核电设备也有广泛的应用。

随着压力容器设备朝着大型化、更好耐腐蚀性和我厂产品多样化的发展趋势，双相不锈钢应用在压力容器制造上既是一个机遇也是一个挑战，双相不锈钢经过长时间的发展和完善，从生产、加工制造及应用来看，在一些用途上取代了奥氏体不锈钢。它以其优越的力学与耐腐蚀综合性能赢得了使用者的青睐，已成为既节省重量又节省投资的优良的耐蚀工程材料。近年随着超级双相不锈钢的步入市场，为扩大双相不锈钢的选用和新钢种的开发进一步创造了条件。

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