雙相不銹鋼的發(fā)展歷史及應(yīng)用前景
雙相不銹鋼的發(fā)展與應(yīng)用最早是在二十世紀(jì)30年代開(kāi)始的,法國(guó)獲得了第一個(gè)發(fā)明專利。發(fā)展至今,雙相不銹鋼已經(jīng)經(jīng)歷了三代。第一代雙相不銹鋼是美國(guó)二十世紀(jì)40年代開(kāi)發(fā)的代表牌號(hào)329鋼,這種鋼通常只用于生產(chǎn)鑄鍛件,它的特點(diǎn)是雖然鉻、鉬含量高,但碳含量也很高,容易導(dǎo)致焊接性能差,焊接時(shí)易沿晶界析出碳化物,晶界碳化物影響鋼的耐蝕性和韌性,所以這種鋼在焊后需要進(jìn)行熱處理才能使用。隨著不銹鋼的發(fā)展,上世紀(jì)50年代,一些國(guó)家研發(fā)了一批新的鋼種如:前蘇聯(lián)的穩(wěn)定鈦的08X21H5T和08X21H6M2T鋼、德國(guó)的1.458Z鋼,法國(guó)的Urnnus50鋼、英國(guó)的Ferralium255鋼和日本的329J1鋼,,這些鋼種提高了雙相不銹鋼的焊接性能,其中代表3RE60鋼,為瑞典在二十世紀(jì)60年代中期開(kāi)發(fā)的,其含碳量超低,含鉻量為18%,焊接及成型性能良好,作為耐氯離子應(yīng)力腐蝕材料而廣泛使用。隨著精煉技術(shù)的發(fā)展,超低碳鋼可以很容易的被冶煉出,從而開(kāi)發(fā)出第二代雙相不銹鋼。
第二代雙相不銹鋼中,氮元素作為主要合金元素之一被廣泛應(yīng)用,氮元素的添加不僅促進(jìn)了奧氏體相形成,從而避免加工過(guò)程中尤其是焊接時(shí)焊接熱影響區(qū)過(guò)熱導(dǎo)致的鐵素體相含量升高,兩相比例失衡的問(wèn)題,而且氮元素的添加使得雙相不銹鋼的耐腐蝕性能明顯提高。SAF2205為第二代雙相不銹鋼的典型代表,其PREN值較高,約為32~36,在許多情況下,該類雙相不銹鋼是有很大經(jīng)濟(jì)效益的不銹鋼金屬材料,從而應(yīng)用也是最為廣泛。
第三代雙相不銹鋼是超級(jí)雙相不銹鋼,是在二十世紀(jì)80年代后期開(kāi)發(fā)的。第三代雙相不銹鋼含碳量極低(C 0.01%~0.02%),屬于超低碳,鉬和氮含量高,部分鋼中還加入鎢、銅,PREN值很高,大于40,典型鋼種有S32750、S32760(Zeron100)、S32550、S32906、DP3、UR52N等,具有極高的耐氯化物應(yīng)力腐蝕、耐點(diǎn)蝕等性能等,可以用于非常惡劣的腐蝕環(huán)境中,適合在氯離子和含硫化氫的腐蝕環(huán)境下應(yīng)用。
雙相不銹鋼可分為兩大類,一類是以鐵素體為基的Cr-Ni系雙相不銹鋼,另一類是以?shī)W氏體為基的Cr-Mn-N系雙相不銹鋼[18]。鐵素體-奧氏體不銹鋼也稱雙相不銹鋼(Duplex Stainless Steel,簡(jiǎn)稱DSS),其固溶組織中含有相同比例的鐵素體和奧氏體兩相組織,而且兩相比例中最少相所占體積分?jǐn)?shù)不得低于30%。由于具有奧氏體和鐵素體雙相組織結(jié)構(gòu),因而雙相不銹鋼兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)。
雙相不銹鋼作為新興鋼材的一種典型代表,經(jīng)歷了近一個(gè)世紀(jì)的研究與發(fā)展,至今雙相不銹鋼已經(jīng)發(fā)展了三代。二十世紀(jì)三十年代,第一批次雙相不銹鋼以鍛軋的方式被生產(chǎn)出來(lái),獲得了一定的成功。經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展,出現(xiàn)了牌號(hào)為AISI329和3RE60典型代表的第一代雙相不銹鋼。和傳統(tǒng)不銹鋼相比,第一代雙相不銹鋼的物化性能雖有大幅度地提升,但其焊接方面仍存在很多問(wèn)題,在焊接熱影響區(qū)易出現(xiàn)單相鐵素體組織,導(dǎo)致耐應(yīng)力腐蝕及晶間腐蝕性能下降。因而第一代雙相不銹鋼的應(yīng)用發(fā)展受到了很大的限制,以致使其多用于非焊接狀態(tài)工作條件下。
經(jīng)過(guò)二十余年的研究與發(fā)展,隨著不銹鋼精煉技術(shù)AOD(Argon Oxygen Decarburization),即氬氧脫碳工藝的發(fā)明和應(yīng)用,隨之便出現(xiàn)了第二代雙相不銹鋼。該工藝實(shí)現(xiàn)了合金滲氮,使雙相不銹鋼焊接接頭的韌性性能大大提高,且N元素的加入改善了焊縫處的力學(xué)性能和促進(jìn)形成雙相組織,保證焊縫鐵素體和奧氏體基本達(dá)到50%的雙相平衡,甚至能夠達(dá)到與母材一樣的性能,從而拓寬了雙相不銹鋼的應(yīng)用領(lǐng)域。由于其具有的高強(qiáng)度特性,在很大程度上使其壁厚得到了有效地降低,以致在保證性能要求滿足的前提下,既減輕了裝置重量又使生產(chǎn)成本得到降低。
20世紀(jì)80年代,由于工業(yè)的快速發(fā)展,對(duì)材料的綜合性能提出了更高的要求,尤其是在深海油氣海洋環(huán)境、核能核電和高溫高壓條件下,要求材料具有更高的強(qiáng)韌性和抗高溫蠕變等性能[33]。因此第三代雙相不銹鋼隨之出現(xiàn),即超級(jí)雙相不銹鋼。第三代雙相不銹鋼是在第二代的基礎(chǔ)上,嚴(yán)格控制了雙相不銹鋼母材中合金元素的含量,其中碳元素含量是0.01~0.03%,鉬和氮元素的含量分別為1~4%和0.1~0.4%,雙相不銹鋼母材的微觀組織中奧氏體相所占的體積分?jǐn)?shù)約50%,使得材料的綜合性能大大提高。目前雙相不銹鋼己是一個(gè)成熟的能與馬氏體、鐵素體和奧氏體不銹鋼并列的鋼種。發(fā)展到今天,雖然雙相不銹鋼的消費(fèi)只占不銹鋼總量的1%,但是它的發(fā)展前景廣闊。
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