S32205不銹鋼管

雙相不銹鋼從20世紀(jì)40年代在美國誕生以來，已經(jīng)發(fā)展到第三代。它的主要特點是屈服強(qiáng)度可達(dá)400~550 MPa，是普通不銹鋼的2倍，因此可以節(jié)約用材，降低設(shè)備制造成本。在抗腐蝕方面，特別是介質(zhì)環(huán)境比較惡劣（如海水，氯離子含量較高）的條件下，雙相不銹鋼的抗點蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞性能明顯優(yōu)于普通的奧氏體不銹鋼，可以與高合金奧氏體不銹鋼媲美，在-50～280℃范圍內(nèi)具有優(yōu)良的力學(xué)性能和焊接性能。

本文主要介紹雙相不銹鋼的典型代表，第二代雙相不銹鋼SA-789-S32205（UNS編號）。

1 材料特性

1.1 成分特點

第二代雙相不銹鋼一般稱為標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼，成分特點是超低碳、含氮，其典型成分為22%Cr+5%Ni+0.17%N。與一代雙相不銹鋼相比，S2205進(jìn)一步提高氮含量，增強(qiáng)在氯離子濃度較高的酸性介質(zhì)中的耐應(yīng)力腐蝕和抗點蝕性能。氮是強(qiáng)烈的奧氏體形成元素，加入到雙相不銹鋼中，既提高鋼的強(qiáng)度且不顯著損傷鋼的塑韌性，又能抑制碳化物析出和延緩σ相形成。

1.2 組織特點

雙相不銹鋼在室溫下固溶體中奧氏體和鐵素體約各占半數(shù)(雙相不銹鋼2205鐵素體含量應(yīng)為30%～55%，典型值是45%左右)，兼有兩相組織特征，見圖1。由圖可以觀察到，奧氏體（白色）與鐵素體組織（黑色）的體積相近，且兩相沿鋼管軋制方向呈帶狀交替分布。

雙相不銹鋼2205保留了鐵素體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)大、線膨脹系數(shù)小、耐點蝕、縫隙及氯化物應(yīng)力腐蝕的特點；又具有奧氏體不銹鋼韌性好、脆性轉(zhuǎn)變溫度較低、抗晶間腐蝕、力學(xué)性能和焊接性能好的優(yōu)點。

圖1 2205板材典型顯微組織

圖2 （WRC-1992）Fe-Cr-Ni三元截面相圖
1.3 性能特點

在性能上的突出表現(xiàn)是屈服強(qiáng)度高和耐應(yīng)力腐蝕。雙相不銹鋼比奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度高近1倍，同樣的壓力等級條件下，可以節(jié)約材料。比奧氏體不銹鋼的線性熱膨脹系數(shù)低，與低碳鋼接近。使得雙相不銹鋼與碳鋼的連接較為合適，這有很大的工程意義。鍛壓及冷沖成型性不如奧氏體不銹鋼。

圖3 S2205雙相不銹鋼力學(xué)性能
2 焊接性

雙相不銹鋼2205具有良好的焊接性，焊接冷裂紋和熱裂紋的敏感性都較小。通常焊前不預(yù)熱，焊后不熱處理。由于有較高的氮含量，熱影響區(qū)的單相鐵素體化傾向較小，當(dāng)焊接材料選擇合理，焊接線能量控制適當(dāng)時，焊接接頭具有良好的綜合性能。

2.1 熱裂紋

熱裂紋的敏感性比奧氏體不銹鋼小得多。這是由于含鎳量不高，易形成低熔點共晶的雜質(zhì)極少，不易產(chǎn)生低熔點液膜。另外，晶粒在高溫下沒有急劇長大的危險。

2.2 熱影響區(qū)脆化

雙相不銹鋼焊接的主要問題不在焊縫，而在熱影響區(qū)。因為在焊接熱循環(huán)作用下，熱影響區(qū)處于快冷非平衡態(tài)，冷卻后總是保留更多的鐵素體，從而增大了腐蝕傾向和氫致裂紋(脆化)的敏感性。

2.3 鐵素體475℃脆化

雙相不銹鋼含有50%左右的鐵素體，同樣也存在475℃脆性，但不如鐵素體不銹鋼那樣敏感。

3 焊接冶金

雙相不銹鋼焊接過程中，在熱循環(huán)的作用下，焊縫金屬和熱影響區(qū)的組織發(fā)生著一系列的變化。在高溫下，所有的雙相不銹鋼的金相組織全部由鐵素體組成，奧氏體是在冷卻過程中析出的。奧氏體析出的多少受諸多因素的影響。

3.1 相比例要求

雙相不銹鋼焊接接頭的力學(xué)性能和耐蝕性能取決于焊接接頭能否保持適當(dāng)?shù)南啾壤?，因此，焊接是圍繞如何保證其雙相組織進(jìn)行的。當(dāng)鐵素體和奧氏體量各接近50%時，性能較好，接近母材的性能。改變這個比例關(guān)系，將使雙相不銹鋼焊接接頭的耐蝕性能和力學(xué)性能(尤其是韌性)下降。雙相不銹鋼2205鐵素體含量的佳值是45%。過低的鐵素體含量(<25%)將導(dǎo)致強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕開裂能力下降;過高的鐵素體含量(>75%)也會有損于耐蝕性和降低沖擊韌性。

3.2 相比例影響因素

焊接接頭中鐵素體和奧氏體的平衡關(guān)系既受到鋼中合金元素含量的影響，又受到填充金屬、焊接熱循環(huán)、保護(hù)氣體的影響。

3.2.1 合金元素的影響

根據(jù)研究和大量試驗發(fā)現(xiàn)，母材中含氮是非常重要的。氮在保證焊縫金屬和焊后熱影響區(qū)內(nèi)形成足夠量的奧氏體方面具有重要作用。氮和鎳一樣是形成奧氏體和擴(kuò)大奧氏體元素，但是，氮的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鎳。在高溫下，氮穩(wěn)定奧氏體的能力也比鎳大，可防止焊后出現(xiàn)單相鐵素體，并能阻止有害金屬相的析出。

由于焊接熱循環(huán)的作用，自熔焊或填充金屬成分與母材相同時，焊縫金屬的鐵素體量急劇增加，甚至出現(xiàn)純鐵素體組織。為了抑制焊縫中鐵素體的過量增加，采用奧氏體占優(yōu)勢的焊縫金屬是雙相不銹鋼的焊接趨勢。一般采取在焊接材料中提高鎳或是加氮這兩條途徑。通常鎳的含量比母材高出2%～4%，例如，2205填充金屬的鎳含量就高達(dá)8%～10%。用含氮的填充材料比只提高鎳的填充材料效果更好，兩種元素都可以增加奧氏體相的比例并使其穩(wěn)定，但加氮不僅能延緩金屬間相的析出，而且還可提高焊縫金屬的強(qiáng)度和耐蝕性能。目前，填充材料一般都是在提高鎳的基礎(chǔ)上，再加入與母材含量相當(dāng)?shù)牡?/p>

對于雙相不銹鋼2205，鎢極氬弧焊選用 ER2209焊絲，焊條電弧焊選用E2205AC/DC焊條是對焊接材料要求的。這兩種焊接材料的化學(xué)成分見表1。雙相不銹鋼2205及焊接材料在合金元素上的這些特點，為焊接工藝參數(shù)即焊接線能量的選擇提供了一定的范圍，這對焊接是非常有利的。

S32205不銹鋼管
圖4 焊接材料化學(xué)成分%
3.2.2 熱循環(huán)的影響

從國內(nèi)外的研究來看,2205雙相不銹鋼在焊接過程中,為突出的問題也是熱循環(huán)對焊接接頭微觀組織及其塑韌性和抗腐蝕性的影響。因此，多層多道焊是有益的，后續(xù)焊道對前層焊道有熱處理作用，焊縫金屬中的鐵素體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，成為以奧氏體占優(yōu)勢的兩相組織；毗鄰焊縫的熱影響區(qū)中的奧氏體相也相應(yīng)增多，且能細(xì)化鐵素體晶粒，減少碳化物和氮化物從晶內(nèi)和晶界析出，從而使整個焊接接頭的組織和性能顯著改善。

另有文獻(xiàn)提及冷卻時間t12/8對2205雙相不銹鋼模擬HAZ組織的影響規(guī)律是隨著t12/8的增加,奧氏體由原來的長條狀逐漸變成樹枝狀,晶界和晶粒內(nèi)部均析出奧氏體,相互交集在一起形成網(wǎng)狀。鐵素體的比例隨著冷卻時間t12/8的增加而緩慢下降。