α+γ铬镍双相不锈钢(以下简称双相不锈钢)的发展,大致经历了三个重要阶段。根据双相不锈钢所含的特征元素、PRE值、α和γ两相比例的变化、出现年代以及性能特点,大家习惯地把双相不锈钢分为第一代、第二代和第三代双相不锈钢。若按钢中特征元素分类可分为低合金、中合金和高合金双相不锈钢。第一代双相不锈钢受两相比例控制、热加工性、焊接性以及经济性等因素的影响,此类钢的产量较低,但是,现代双相不锈钢的问世很大程度上克服了第一代双相不锈钢所存在的缺点和不足,现代双相不锈钢的应用范围有了进一步开发,已成为一类在工程应用领域极具发展前景的钢类。
表6.1列出了双相不锈钢在不同时期大致年代的发展概况和一些主要牌号。
1971年以前,所开发的牌号属于第一代双相不锈钢,其中包括20世纪30年代的第一个双相不锈钢1Cr25Ni5Mo1.5(453S)。第一代双相不锈钢的含氮量处于电弧炉冶炼的常规水平。虽然第一代双相不锈钢已将双相不锈钢的性能特点充分显示了出来,但由于钢的耐点蚀当量PRE值较低,各牌号间的固溶态相比例差别也较大,而且尚难以准确控制,特别是焊后,熔合线和焊缝热影响区常常呈现的单相铁素体组织,导致焊接接头处双相钢优良特性显著下降,甚至完全丧失,严重阻碍了双相不锈钢在焊接用途的应用和发展。
1971~1989年问世的牌号,属于第二代双相不锈钢,特点是钢中都含有氮。由于氮是强烈形成并稳定奥氏体的元素,随钢中氮量增加,一方面母材中奥氏体相比例提高,高温下奥氏体稳定性也增加,相同温度下,转变为铁素体的数量会有所减少[图6.1a],另一方面,从高温冷却过程中,氮的高扩散速率也有利于铁素体向二次奥氏体γ2的快速转变,从而可防止焊后熔合线和热影响区出现单相铁素体组织。氮的加入为第二代及其以后的几代双相不锈钢的诞生和发展创造了条件。由于氮在不锈钢中主要是固溶在奥氏体中,因此氮对双相不锈钢的有益作用实际上是氮对双相不锈钢中奥氏体组织性能影响的反映。同时,双相不锈钢中的加氮量要受钢中奥氏体量的限制;而在铁素体组织中,由于氮的溶解度极低和氮的过饱和,焊后冷却过程中,会有更大量的氮化物析出,反而会使铁素体组织的性能恶化。前面已经述及,现代铁素体不锈钢的高纯化使传统铁素体不锈钢的缺点和不足有了极大程度的克服,但对双相不锈钢而言,使铁素体相高纯化则难以实现。因此,双相不锈钢由于铁素体的存在而获益,但大量非高纯铁素体组织的存在也会是制约双相不锈钢发展的重要因素。
1990年后所出现的一些牌号,属于第三代双相不锈钢,特点是钢中钼、氮量进一步提高,使此类钢的PRE值≥40%,耐蚀性特别是耐点蚀、耐缝隙腐蚀等性能有了进一步改善,目前又称之为超级双相不锈钢(常以SD代表)。
进入2000年以来,双相不锈钢的发展呈现两种趋势。一方面进一步提高钢中合金元素含量以获得更高强度和更加优良的耐蚀性,如瑞典Sandvik公司新开发的SAF 2707和SAF 3207。PRE值大于45%,称特超级双相不锈钢(常以HD表示)。另一方面转向开发低镍量且不含钼或仅含少量钼的经济型双相不锈钢,以降低双相不锈钢的成本和售价,并显著改善双相不锈钢的热加工性和焊接性,从而增加双相不锈钢与其他类型不锈钢的竞争优势。目前列入经济型双相不锈钢的有20世纪80年代开发的SAF 2304(00Cr23Ni4N)和2000年以来问世的20%~21%Cr型的AN19D(00Cr20Mn5Ni2N)和LDX 2101(00Cr21Mn5Ni1.5N)、ATI 2102(00Cr21Mn2.5Ni1.5N),22%Cr型的 ATI 2201 (00Cr22Ni1.5N)、UR 2202 (00Cr22Ni2N)、LDX 2404 (00Cr24Ni4Mn3Mo1.5N)以及含1.5%Mo的AL 2003(ATI 2003,00Cr21Ni3.5Mo1.5N)。在一些腐蚀环境中,含20%~22%Cr、含1.5%Ni的几种牌号可代替304、304L;SAF 2304可代替304、304L,甚至316和316L;含1.5%Mo的AL 2003则可代316、316L和SAF 2205。
从第二代和第三代以及第四代双相不锈钢的问世和发展过程中,可以观察到用提高钢中铬量并加氮相结合合金化以节约铬镍奥氏体中的贵重元素镍、钼的思路。这种思路充分利用了铬、氮的特性和钢中铬与氮共存的优势。
图6.1(b)指出了几代双相不锈钢的演变过程。图6.1(b)中指出:双相不锈钢中的Cr+Mo量应≥21%,以防止冷成型引发马氏体相变而导致的钢的性能(包括耐蚀性、力学性能等)的下降;Cr+Mo量应≤35%,以防止钢的组织热稳定性下降,金属间相沉淀而引发的塑、韧性,热加工性和焊接性以及耐蚀性的劣化;画出了氮的固溶度极限,提醒人们注意虽然氮是有益元素,但钢中加入大量的氮,氮化物析出也是有害的,氮量若超过溶解度极限,钢在凝固过程中,氮会溢出而造成废品。
32304为00Cr23Ni4;31803和32205均为00Cr23Ni5Mo3N特超级双相钢3207HD, Cr+Mo量均已达36%,氮量上限已达0.6%