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高性能不銹鋼的種類及牌號
來源: | 作者:csscweb | 發布時間: 2019-12-18 | 2295 次瀏覽 | 分享到:

1 前言
      “高性能不銹鋼”屬于不銹鋼家族,在各種腐蝕性介質中耐腐蝕性能明顯優于標準不銹鋼如304L(含18%鉻和8%鎳,18-8)和316L(鉻鎳含量與304類似,另外含2%鉬,18-10-2)。它們在氯化物介質中耐點蝕和應力腐蝕斷裂性能方面的優勢十分明顯。通過采用高含量的鉻、鎳、鉬和氮獲得足夠的耐腐蝕性,通過在生產過程中采用非常低的碳含量保持耐蝕性同時兼顧熱加工和焊接性能,達到了上述的特性。鋼鐵熔煉和精煉技術的出現,使較為經濟地生產很低碳含量鋼種和精確控制成分成為可能,由此實現了高性能不銹鋼的商品化。這些技術包括真空熔煉、電子束熔煉、電渣重熔以及當今大量生產最值得注意的真空氧脫碳(VOD)和氬氧脫碳(AOD)技術。自20世紀70年代起,這些高性能不銹鋼在數量、技術和商業上的重要性不斷增加。本系列文章向那些對材料性能有較高要求(超過了標準不銹鋼性能范圍)以及想了解高性能不銹鋼的工程性能和腐蝕性能的人們介紹高性能不銹鋼。  
       高性能不銹鋼主要有三類:奧氏體、鐵素體和雙相(奧氏體—鐵素體)不銹鋼。三類不銹鋼有一般的共性,也有各自不同的耐腐蝕性和其它特性。因此,其目前和潛在的應用非常廣泛,每一類鋼和每一種鋼都可以針對某一特定的需要,提供最佳的性能。

       高鎳奧氏體不銹鋼一般用于強酸設備和耐氯化物點蝕和應力腐蝕斷裂。帶有酸冷凝液的煙氣清洗裝置或含有強氧化劑的酸性溶液如紙張漂白工藝中常常選用這種鋼種。當現場加工制作是重要考慮因素時,奧氏體不銹鋼比較有利,因為它們易于焊接,這類鋼種廣泛用于焊接質量極其重要的海上石油和核電站管道。如果需要用薄板,則一般鐵素體鋼種的成本效益最好,所以它們已用作多種熱交換器的制管材料。在要求強度的場合,通常選雙相不銹鋼,它們用于化學加工工業的壓力容器,在熱交換器上的應用也日益廣泛。所有這三類高性能不銹鋼具有寬應用范圍的抗氯化物點蝕和應力腐蝕斷裂性能都優于304和316不銹鋼,因此制造加工方面的考慮常常決定了氯化物設施的最終選材。
      與304和316不銹鋼相比,高性能不銹鋼在冶金學和加工方面的技術要求更嚴格。這是由鋼本身的性質和它們應用的苛刻環境所決定的。要想成功地使用高性能不銹鋼,有必要透徹地了解它們。本系列文章為在特定的應用中選取最佳的材料提供了幫助,為所選鋼種的加工和應用提供了指南。由于應用的錯綜復雜和大量鋼種的出現,本系列文章僅僅作為一個初步的指南,讀者可以向材料制造商咨詢,全面了解每種材料的優勢、局限性和具體要求。


2 分類和牌號
2.1 高性能奧氏體不銹鋼
       高性能奧氏體不銹鋼與標準奧氏體不銹鋼有許多共同的特點。這些鋼種在退火狀態下主要是一個單相、面心立方體的奧氏體結構,沒有磁性。這種結構的特點在于其相對較低的屈服強度,較高的加工硬化率和較高的抗拉強度,良好的塑性和成形性,特別是良好的低溫韌性,熱處理不能使其硬化(或強化)。
       與標準奧氏體不銹鋼相比,除了耐腐蝕性不同之外,另一個主要的不同之處在于高性能鋼種在高溫下迅速形成二次相,這些相可能對某些力學性能和耐腐蝕性能有損害,因此,這種不銹鋼的使用溫度不應超過500℃。此外,高溫操作如鍛造和焊接時應注意避免這些有害相的形成。
       表1列出了一些著名的鍛造高性能奧氏體不銹鋼,各鋼種標出了其常用名稱、UNS牌號。許多鋼種當初開發后都申請了專利,有些專利目前仍然有效。表中顯示的化學成分范圍與最常用的ASTM標準A 240一致,表中顯示的惟一含量值是生產廠商提供的“典型值”。

     表1的鋼種按照鉬、鉻和氮含量增加或PRE值增加的順序排列。
     PRE值指的是耐點蝕當量數, 其定義為PRE=%Cr+3.3%Mo+16%N,%為重量百分比。在氯化物介質中, 較高的PRE值不完全定量地表示出較高的耐局部腐蝕能力。根據耐局部腐蝕能力的相似程度,這些鋼種又被分成6個分組,對這些分組的描述如下:
     ① A-1組奧氏體不銹鋼
      這一組的不銹鋼主要用于熱的高濃度硫酸溶液介質。所需的耐腐蝕性主要通過較高的鎳含量獲得。鉻、鉬含量與316不銹鋼相當的20Cb-3和合金825在耐局部點蝕和縫隙腐蝕方面并不比316不銹鋼占優勢。隨著鎳含量的增加,它們耐氯化物應力腐蝕斷裂的能力逐漸增加。它們在要求良好的耐硫酸或應力腐蝕斷裂性能的化工應用領域表現出色,這方面的應用已有很長歷史。
     ② A-2組奧氏體不銹鋼
      與316L或317L相比,這些鋼種如317LMN,在鹵化物介質中的耐局部腐蝕性能有所提高,通過采用較高的鉬含量和氮含量實現了這一點。氮元素在改善耐腐蝕性的同時,還能夠使奧氏體穩定化,所以可以減少鎳的用量,達到最經濟的的效果。這些鋼種的性能比316L提高了,而費用適中,廣泛用于在中等點蝕性介質條件下運行的煙氣脫硫裝置(FGD)的吸收塔。
     ③ A-3組奧氏體不銹鋼
      這組不銹鋼如904L,鎳含量在10%以上,具有全面的、平衡的耐還原性酸和氯化物應力腐蝕斷裂性能。銅的添加,進一步增加了它們耐還原性酸的能力。
     ④ A-4組奧氏體不銹鋼
      這一組不銹鋼通常被稱為6%鉬不銹鋼,包括AL-6XN, 1925 hMo,25-6MO和254 SMO等, 最初是為耐室溫下海水和紙漿漂白設備介質的局部腐蝕而設計的。通過添加相對較高含量的氮、鉻和鉬,使其PRE值在40~43之間而達到以上要求。這組鋼鎳含量高,有助于奧氏體的穩定,因此也具有良好的耐一般酸腐蝕的能力和良好的耐氯化物應力腐蝕斷裂的性能。該組鋼中含氮量高的鋼種比不含氮的鋼種具有明顯的強度優勢。這類鋼廣泛用于海水管道和海水熱交換器、紙漿漂白設備以及各類化工廠和電廠等。
     ⑤ A-5組奧氏體不銹鋼
      這組鋼的主要特點是高強度,例如4565S。它是通過含量為0.25%~0.50%的氮的固溶強化作用實現的。根據鉻、鉬和鎳含量的不同,它們的腐蝕特性有很大的不同。鎳含量較低(12%~18%)的鋼種,其耐氯化物應力腐蝕斷裂的性能相當于A-2組的不銹鋼。
     ⑥ A-6組奧氏體不銹鋼
      這組不銹鋼,如654 SMO,代表了目前所有高性能不銹鋼中的最高性能。它們將高強度和突出的耐局部腐蝕性能結合在一起,同時具有良好的耐應力腐蝕斷裂和耐酸腐蝕性能。它們能夠耐45%的沸騰氯化鎂試驗溶液的應力腐蝕斷裂,能夠在溫度大大高于室溫、存在嚴重縫隙的條件下耐海水的局部腐蝕。它們耐局部腐蝕的能力接近于鎳基合金的最佳值,同時強度要高得多。這些較新的鋼種對于解決墊片接縫、較高溫度下的海水處理系統以及許多高壓下運行的裝置發生的縫隙腐蝕問題,具有突出的潛力。

2.2 高性能鐵素體不銹鋼
      高性能鐵素體不銹鋼除了有少量穩定化的碳化物和氮化物外,具有完全的鐵素體顯微結構。這種鐵素體結構的獨特特性在于其很好的耐氯化物應力腐蝕斷裂性能,但是它的韌性有限。大斷面或晶粒效應以及脆性的二次相的析出會進一步降低其韌性。由于韌性有限,這些鋼種通常不生產成中厚板。開發這些鋼種,是為了以低于高鎳奧氏體合金的價格得到優于18-8不銹鋼的耐應力腐蝕斷裂和耐點蝕性能。它們一般只用于熱交換器管形材料或薄板,熱處理不會使它們硬化,但在退火狀態下,它們顯示出高于許多奧氏體不銹鋼的強度。表2按照耐氯化物點蝕性能增加的順序,列出了主要的鍛軋鐵素體鋼種。

① F-1組鐵素體不銹鋼
    這類不銹鋼,如E-BRITE 26-1,其耐局部腐蝕能力與316不銹鋼相似,但耐應力腐蝕斷裂的能力大大優于后者。這種良好的應力腐蝕斷裂性能使其可用于熱的濃縮堿溶液和含氯化物的溶液。

② F-2組鐵素體不銹鋼
    這一組不銹鋼,包括SEA-CURE,為耐常溫海水的局部腐蝕而設計,廣泛用于電廠的海水冷卻冷凝器。由于它們鉻含量高,鉬和鎳含量適中,對強有機酸和氧化性的或中等還原性的無機酸也有很好的耐蝕性。但是這些鋼種中的鎳降低了耐氯化物應力腐蝕斷裂的性能,增加了對形成有害的二次相的敏感性。所有的這些鐵素體不銹鋼在氯化鈉試驗溶液中,都能夠耐應力腐蝕斷裂,但由于其鎳含量為0.5%-4.2%,可能無法耐氯化鎂試驗溶液的應力腐蝕斷裂。

③ F-3組鐵素體不銹鋼
    如同A-6組的奧氏體不銹鋼,這一組中的AL 29-4-2,是為了達到鐵素體不銹鋼綜合性能的最高水平而設計,它兼具良好的耐局部腐蝕和耐酸腐蝕性能。

2.3 高性能雙相不銹鋼
    雙相不銹鋼鋼種從冶金學的角度被設計成退火狀態下的顯微結構包含大致相同比例的奧氏體和鐵素體,通過將鎳限制在適度的低含量、增大鉻的含量至22%~26%而達到這一點。鉬含量保持與317L不銹鋼大致相同。所以,PRE值若高于30,主要是因為鉻和氮含量較高引起的。雙相結構表現出兩相各自占優勢的特性。最重要的是,這些鋼種具有非常高的強度和可使用的塑性和韌性。因為它們的鎳含量不是很高,所以它們以適度的價格將強度、耐均勻腐蝕和耐應力腐蝕斷裂性能很好地結合在一起。和奧氏體類不銹鋼類似,熱處理不會使這些雙相鋼種硬化。雙相不銹鋼的加工要注意避免二次相的損害及維持奧氏體相和鐵素體相大致等量的平衡。在這方面,它們比奧氏體不銹鋼要求更嚴格。表3列出了主要的鍛軋高性能雙相不銹鋼。

① D-1組雙相不銹鋼
    此組只有一個鋼種即2304。盡管2304的耐腐蝕性能并不比標準的奧氏體不銹鋼更好,但仍然把它算作高性能不銹鋼,因為正如所有的第二代雙相不銹鋼一樣,低碳高氮的2304比早期的雙相鋼種更好地兼顧了加工性能和腐蝕特性。它易于焊接,與316L或317L相比,它強度更高,耐應力腐蝕斷裂性能更好。

② D-2組雙相不銹鋼
    這一組的雙相不銹鋼,特別是2205,是雙相不銹鋼中最有用的鋼種,因為它兼具腐蝕特性、加工和價格方面的優勢。它們在加工和耐腐蝕性方面具有多種適應性,耐應力腐蝕斷裂性能優于316不銹鋼。

③ D-3組雙相不銹鋼
    這些25Cr的雙相不銹鋼,如Ferralium255,比D-2附類的鋼種鉻含量高,因而耐局部腐蝕能力更強。但一般認為它不能耐受苛刻環境下的海水腐蝕。鉻能夠很好地耐氧化性酸腐蝕,這組鋼需要較高含量的鎳來平衡較高含量的鉻,這樣耐還原性酸腐蝕的能力也得到改善。鉻含量高的缺點是加速了有害相的析出動力學,因此,涉及熱處理的加工需要精確地控制溫度條件。在某些情況下,快速析出動力學可能會限制有效斷面尺寸。

④ D-4組雙相不銹鋼
    這一組的不銹鋼是雙相不銹鋼中合金化程度最高的一組,高含量的鉻、鉬、鎳和氮產生的耐腐蝕性是所有雙相不銹鋼中最好的,并且強度比任何高性能不銹鋼的強度更高。因為這個原因,有時將這組鋼稱為超雙相不銹鋼。它們在常溫海水介質中耐點蝕和縫隙腐蝕的能力與A-4組的6%鉬奧氏體不銹鋼相似,屈服強度超過550MPa。但是由于它們的高合金含量,它們在熱加工工藝方面的限制甚至比D-3組的鋼種更嚴格。

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