SAF2205双相钢的焊接性及焊接中可能存在的问题
SAF2205双相钢的焊接性
SAF2205双相钢的性能特点
1）含钼双相不锈钢在低应力下有良好的耐氯化物应力腐蚀性能。一般18-8型奥氏体不锈钢在600℃以上中性氯化物溶液中容易发生应力腐蚀断裂，在微量氯化物及硫化氢工业介质中用这类不锈钢制造的热交换器、蒸发器等设备都存在着产生应力腐蚀断裂的倾向，而双相不锈钢却有良好的抵抗能力。
2）含钼双相不锈钢有良好的耐孔蚀性能。在具有相同的孔蚀抗力当量值（PREN=Cr%+3.3Mo%+16N%）时，双相不锈钢与奥氏体不锈钢的临界孔蚀电位相仿。双相不锈钢与奥氏体不锈钢耐孔蚀性能与AISI 316L相当。含25%Cr的，尤其是含氮的高铬双相不锈钢的耐孔蚀和缝隙腐蚀性能超过了AISI 316L。
3）具有良好的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能。在某些腐蚀介质的条件下，适用于制作泵、阀等动力设备。
4）综合力学性能好。有较高的强度和疲劳强度，屈服强度是18-8型奥氏体不锈钢的2倍。固溶态的延伸率达到25%，韧性值AK（V型槽口）在100J以上。
5）可焊性良好，热裂倾向小，一般焊前不需预热，焊后不需热处理，可与18-8型奥氏体不锈钢或碳钢等异种焊接。
6）含低铬（18%Cr）的双相不锈钢热加工温度范围比18-8型奥氏体不锈钢宽，抗力小，可不经过锻造，直接轧制开坯生产钢板。含高铬（25%Cr）的双相不锈钢热加工比奥氏体不锈钢略显困难，可以生产板、管和丝等产品。
7）冷加工时比18-8型奥氏体不锈钢加工硬化效应大，在管、板承受变形初期，需施加较大应力才能变形。
8）与奥氏体不锈钢相比，导热系数大，线膨胀系数小，适合用作设备的衬里和生产复合板。也适合制作热交换器的管芯，换热效率比奥氏体不锈钢高。
9）仍有高铬铁素体不锈钢的各种脆性倾向，不宜用在高于3000C的工作条件。双相不锈钢中含铬量愈低，σ等脆性相的危害性也愈小。
SAF2205双相钢的组织特点
目前双相不锈钢由于冶炼质量要求高，价格较贵，故产量不高，约占世界不锈钢产量的1％，但上世纪90年代以后增加较快， 1990 年产量约10万t，1999年已达11万t，2000年约为20万t。
我国在上世纪60年代开始研究双相不锈钢，主要有低铬（Cr18）、中铬（Cr22）和高铬（Cr25）3种，主要产品是管、板和复合板，产量都不大，约2000t，2001年双相不锈钢的消费量约4000t，有1/2随工程进口。
双相不锈钢的组织， 根据W(Ni)eq，W(Cr)eq和Schaeffer图，一般奥氏体（A）和铁素体（F）的比例约为60％: 40％，但实际上由于化学成分和固溶处理的温度偏差，可能出现;A或F≥70％，对性能会有一定影响，因此，最好控制在各为50％。
表3-2 不表同组织类别不锈钢的力学性能
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组织类型 |
钢种 |
热处理状态 |
力学性能 |
硬度 |
|
σs/MPa |
σb/Mpa |
δ5(％) |
|
奥氏体 |
0Cr18Ni9 |
920-1150。C
固溶、快冷 |
205-300 |
520-580 |
≥40 |
200 |
|
奥氏体+铁素体 |
SAF2205 |
950-1100。C
固溶、水冷或快冷 |
550-580 |
750-780 |
30 |
220 |
|
DP-3W |
560-590 |
760-780 |
20 |
270 |
|
0Cr26Ni5Mo2 |
400-450 |
620-650 |
20 |
250 |
|
铁素体 |
00Cr18Mo2 |
800-1050。C
退火、快冷 |
250-270 |
420-450 |
30 |
200 |
双相不锈钢具有很强的抗局部孔蚀、点蚀和缝隙孔穴式腐蚀的能力，主要是由化学成分中的Mo，N等元素起的作用。经多年研究，建立了一个抗孔蚀当量指数PREN（PREN=ω Cr+3.3ω Mo+16 ω N）来评价，其值越高，抗局部孔蚀的能力越强。
双相钢的一个显著特点就是其双相组织。除此之外, 还常伴有其他相组织的产生, 这些次生相也或多或少的影响钢材的性能。对双相钢来说,特殊的合金元素组成是保证构成双相及各相比例的基础, 通过主要元素的含量, 可以预测金相组的相比例。目前, 国际上使用较多的是美国焊接研究会WRC提出的WRC一92组织图 (见图3-1)
表3-3 部分奥氏体钢及双相不锈钢的成分及PREN值
|
组织 |
钢种 |
化学成分（质量分数） %） |
PREN |
|
C |
Cr |
Ni |
Mo |
N |
|
奥氏体 |
308L |
0.03 |
20 |
10 |
— |
— |
20 |
|
316L |
0.03 |
18 |
12 |
2 |
— |
25 |
|
双相不锈钢 |
2205 |
0.03 |
22 |
5 |
3 |
0.15 |
34 |
|
255 |
0.03 |
25 |
6 |
3 |
0.20 |
38 |
|
2507 |
0.03 |
25 |
7 |
4 |
0.25 |
42 |
A一奥氏体;AF一奥氏体一铁素体;
FA一铁素体一奥氏体;F一铁素体;
Creq= Cr％+Mo％+0.7×Nb％
Nieq=Ni％+35×C％+20×N％+0.25×Cu％
从图3-1可看出, 铬、铂、妮是主要的铁素体相形成元素, 而镍、碳、氮、铜是主要的奥氏体相形成元素。改变这些元素的含量, 即可改变固溶组织中的相比例。
除了不同元素的组成及比例影响相比例外,热处理也将在一定程度上影响相的比例。双相钢在高温下(1300℃以上), 呈现单一的高温铁素体组织, 即δ相。但冷却过程中粗大的δ相阿会转变成常温铁素体相(α相)和奥氏体相(γ相)。由于α相与γ相的生成条件、速度不同, 因而不同的冷却起点温度及冷却方式速度会使α相与γ相有不同的最终比例, 而且其组织特征也不同。其实, 热处理对相比例的影响是有限的, 但对二次相(对钢材性能的影响比较大)的生成才是至关重要的。
常用的双相钢常会在冷却过程中出现二次相。主要的二次相有二次奥氏体、碳化物、δ相 、χ相、R相等。
1)二次奥氏体(γ
2)。双相钢冷却时会在铁素体相中析出γ
2。γ
2相具有一定的奥氏体相特征,会促进σ相的生产。
2)碳化物(M
23C
6)的存在不利于钢材的耐蚀性。快速冷却可避免M
23C
6的生成。
3) δ相硬而脆, 可显著降低钢材的塑性和韧性。δ相富含铬, 使其周围因铬而耐腐蚀性降低。鉴于此, δ相是一种危害最大的二次相。以急冷方式快速通过该温度区间, 可有效避免δ相的产生。
4) χ相、R相、都是在一定的温度区间(550℃-750℃) 析出的金属间相, 富铬和钼, 硬而脆, 易降低钢材的耐腐蚀性。但与δ相相比, 析出的量较少, 因此其危害低于δ相。
耐腐蚀性能
开发双相钢就是解决奥氏体不锈钢腐蚀开裂性能的问题, 并同时获得高强度。
(1)均匀腐蚀。一般来讲, 双相组织并不利于钢材耐电化学腐蚀, 因为可能出现电偶腐蚀。在某些强氧化性酸和强还原性酸中, 其耐腐蚀性有时不如奥氏体, 但有时比奥氏体还好。在有机酸中, 它和奥氏体不锈钢一样都具有良好的耐腐蚀性。在碱液中, 其耐腐蚀性相对较差些。
(2)孔蚀是一种局部腐蚀, 也是不锈钢最有害的腐蚀型式之一, 它往往成为应力腐蚀开裂和疲劳腐蚀开裂的根源。目前比较流行的是通过孔蚀指数(PREN)来评价钢材的耐孔蚀性能。即将耐孔蚀的几个主要元素折合成铬含量的当量, 通过铬含量的当量(PREN)来判断钢材的耐孔蚀性能:PREN=Cr％+3.3xMo％+16xN％因此, 对于钢材的抗孔蚀性能, 除了考虑其值外, 还要在生产过程中力求避免相的生成, 减少金属夹杂物。
(3)晶间腐蚀。双相钢几乎不发生晶间腐蚀敏化, 即使是在焊后空冷条件下。
(4)应力腐蚀。双相组织的存在, 使得双相钢抗应力腐蚀开裂的性能要优于奥氏体不锈钢及铁素体钢。
总的说来, 双相钢的抗均匀腐蚀性能、抗孔蚀性能、抗缝隙腐蚀性能与奥氏体不锈钢相比并没有优越太多, 但其抗晶间腐蚀性能、抗应力腐蚀性能则明显优于奥氏体不锈钢。
力学性能
1)强度。在双相钢中, 由于铁素体相约占二分之一, 故其强度明显高于奥氏体不锈钢。双相钢的强度比奥氏体不锈钢高约三分之一。
2)塑性和韧性。在双相钢中, 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、氮等在铁素体相中溶解度降低, 从而降低了脆性相的发生。同时, 因两相同时存在,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, 从而提高了钢材的塑性和韧性。
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较低, 尤其是铁素体相中易产生δ相、χ相、R相、∏相等脆性相, 如果处理不当, 会严重影响钢材的塑性和韧性。
加工性能
工程上应用较多的加工方法有冶炼、铸造、热变形加工、冷变形加工、机加工、热处理、焊接等。
1)冶炼。双相钢的冶炼比奥氏体或铁素体钢的难度大, 控制要求高。目前, 双相钢最低要求应采用或进行精炼的。
2)铸造。基于与冶炼同样的道理, 铸造难度也大于一般奥氏体和铁素体钢材, 而且难度比冶炼更大。除此之外, 由于两相组织的原因, 在浇铸时还要采取有效的措施, 以避免比奥氏体钢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。
3)热变形加工。双相钢具有的两相组织使其热变形加工的难度要远大于奥氏体不锈钢。冷变形加工。双相钢的冷变形加工的难度要远大于奥氏体不锈钢。
4)机加工。就常用的工程材料而言, 都不存在较大的加工难度, 双相钢也不例外。热处理。热处理对双相钢性能还有一些特殊影响。①不同的热处理参数, 可得到不同的相比例, 直接影响钢材性能②通过热处理, 可以改变加工过程中的元素分配比例, 改善甚至消除加工过程中次生相带来的不利影响, 从而影响到钢材的最终机械性能和耐腐蚀性能等③热处理过程也会使钢材产生新的次生相, 也会导致元素在各相中的重新分配。因此, 不恰当的热处理会使钢材的性能恶化
最早限制双相钢应用的主要原因就是焊接问题, 而工程上又往往不可避免焊接过程。
双相钢焊接的难点就在于其焊接接头是否仍能获得与母材相同或相近的两相组织, 这也是保证焊接接头是否具有与母材同样性能(包括力学性能和耐腐蚀性能)等的关键所在。这里所说的焊接接头包括焊缝熔合区、高温热影响区(HTHAZ)和低温热影响区(LTHAZ)。
1)焊缝熔合区。该区域的两相组织相对容易控制 即通过选择合适的焊接材料就能做到.
2)高温热影响区。它是指具有约1250℃熔点这一温度特征的区域。这一区域很窄, 却是其相组织最难控制的一个区域。因为母材的成分不能因其而有过多的奥氏体形成元素, 而该区域的温度特征又使其高温铁素体在冷却过程中部分得不到向奥氏体转化。应采用较大的焊接线量,使焊缝冷却速度降低, 使高温铁素体有一定的时间向奥氏体转化, 从而使相组织均衡。
3)低温热影响区。由于该区域的温度较低,不足以引起基本相的变化, 但可能会发生二次相的产生。因此, 采用合适的焊接线量并控制层间温度是防止低温热影响区性能变坏的主要手段。
值得一提的是, 双相钢一般不进行焊后热处理
双相不锈钢的焊接性兼有奥氏体钢和铁素体钢各自的优点，并减少了其各自的不足之处。
1) 热裂纹的敏感性比奥氏体钢小得多。
2) 冷裂纹的敏感性比一般低合金高强钢也小得多。
3) 双相不锈钢焊接时主要问题不在焊缝，而在热影响区，因为在焊接热循环作用下，热影响区处于快冷非平衡态， 冷却后总是保留更多的铁素体，从而增大了腐蚀倾向和氢致裂纹（脆化）的敏感性。
4) 双相不锈钢焊接接头有析出%相脆化的可能，δ相是Cr和Fe的金属间化合物，它的形成温度范围600-1000
.C，不同钢种形成δ相的温度不同， 如00Cr18Ni5Mo3Si2 钢在800-900
.C，而双相不锈钢00Cr25Ni7Mo3CuN的在800-900
.C，8500
.C时最敏感。形成%δ相需经一定的时间，一般1-2 min萌生1-2 minδ相增多并长大，因此，焊接时应采用小热输入，快速冷却，消应力处理时应采用较低的温度，如550-600
.C为宜。
5) 双相不锈钢含有50%的铁素体， 同样也存在475
.C脆性，但不如铁素体不锈钢那样敏感，双相钢中的铁素体在300-525
.C之间长期保温会析出高铬α
，相，而在475
.C最敏感，使双相钢发生脆化，由于α
，相析出时间较长，故对一般焊接影响不大，但应限制双相不锈钢的工作温度不高于250
.C。
双相不锈钢的焊接件，由于工艺不当，一旦产生δ相或析出α
，相引起475
.C脆性，则可采用固溶处理使之消除。
双相不锈钢的扩散氢含量不及奥氏体不锈钢，因此焊材中或周围环境中氢的质量浓度较高时，则会在焊接双相不锈钢时出现氢致裂纹和脆化。
焊接中可能存在的问题
1）SAF2205双相钢的δ相脆化
在Fe-Cr二元合金中，δ相中含Cr约为25%，形成温度为520-820℃，有很多合金元素可置换δ相中的Fe和Cr原子，从而使δ相生成于稳定的温度区间和几率增大。δ相析出主要在相中进行，如果δ相含有较多的Mo时，即可提高δ稳定存在温度区，又能加速δ相的析出过程。高铬双相不锈钢容易产生δ相脆化现象。
表3-1 双相不锈钢固溶处理及σ相和475.C脆性的温度范围
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内容 |
2205双相钢及
2507等 |
超级双相钢
00Cr25Ni7Mo3CuN等 |
|
固溶处理温度/。C |
1040 |
1025-1100 |
在空气中加热
起皮温度/。C |
1000 |
1000 |
|
δ相形成温度/。C |
600-1000 |
600-1000 |
|
475.C脆化温度/。C |
300-525 |
300-525 |
2）焊接接头的氢脆和氢致裂纹
双相不锈钢凝固结晶为单相铁素体，但是一般的拘束条件下，焊缝金属的热裂纹很小。当δ/γ适当时，冷裂纹敏感性也较低，但双相不锈钢中毕竟含有较高的δ相，当拘束度较大及焊缝金属含氢量较高时，还存在氢致裂纹的危险。通过对模拟焊接热影响区的试棒研究了双相不锈钢的氢脆与显微组织之间的关系，并采用断裂应变评定了氢脆敏感性，结果表明氢脆主要发生于δ相，而且氢脆的敏感性随峰值温度的升高而增加。
3）焊接接头的应力腐蚀开裂
从双相不锈钢应力与断裂时间的延迟破坏之间的关系可知，母材的临界应力达到破坏应力的90%，氢脆应力腐蚀开裂的敏感性很低，焊缝金属的临界应力为破坏应力的70%，相当于δ
0.2的95%，由于焊缝周围的残余应力可以超过δ
0.2，因此焊接接头容易产生腐蚀开裂。
4）焊接接头的点蚀
由于冷却速度对点蚀点位的影响较为显著，因此，同样的含N量在冷却速度不同的条件下点蚀电位相差很大。由此可见，含N量较低的双相不锈钢的点蚀电位对冷却速度很敏感，在焊接含N量较低的双相不锈钢时对冷却速度的控制要求更严。
