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1、双相钢的特性以及焊接要点 中国石化集团南京化学工业有限公司化机厂 尤广伟 董安霞摘要：随着双相钢在化工、石化加工、造纸、海上作业等行业的广泛应用，南化机厂近年来也承制了很多双相钢材料的设备，包括换热器、反应釜、塔器等。同时，我们在工作过程中对双相钢焊接性的了解与焊接工艺参数的摸索与控制方面也积累了一点经验，本文进行了简要说明。关键词：双相钢；特性；焊接一 双相钢简介由于现代工业技术的发展，传统的奥氏体不锈钢经常遭到晶间腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀等局部腐蚀的破坏，双相不锈钢在上述腐蚀类型中表现出了某些优越性。在铁基固溶体组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半，但最少相的含量必须达到30%以上的钢
2、称双相不锈钢。奥氏体接头有良好的塑性和韧性，但是导热性能差，线膨胀系数大，焊接应力和变形都比较大；普通铁素体不锈钢导热性能和线膨胀系数都小于奥氏体不锈钢，并且有较高的强度及耐氯离子应力腐蚀性能，但是塑性较差，并存在475脆化和相析出脆化以及高温晶粒粗化脆化现象。双相钢的开发正是集中了奥氏体和铁素体的优点并最大限度地减少了两相的缺点。性能最好的双相钢成分是铁素体的含量在60%-40%，奥氏体的含量在40%-60%之间，任何一种机体的大幅度减少都会造成双相钢的性能减弱。二 双相钢的化学成分和性能（一）双相钢力学性能及影响因素表1 双相钢典型钢种的室温力学性能钢种标准牌号0.2/MPab/Mpa5/
3、%AK/JAISI304UNS S3040021051569045300AISI430UNS S4300020545020SAF2304UNS S3230440060082025300SAF2205UNS S3180345068088025250SAF2507UNS S32750550800100025230双相钢力学性能的影响因素主要有合金元素、晶粒度以及相比例等。由表二中可以看出：双相不锈钢的屈服强度是奥氏体不锈钢的23倍，SAF2507钢的屈服强度比其他双相不锈钢的高原因在于氮元素的强化作用。而在奥氏体不锈钢的内部晶粒之间有更多的滑移面，所以它 的延伸率明显高于双相不锈钢。在双相钢中的主
4、要合金元素Cr、 Ni、 Mo、 N等对钢的各项性能都起到了很重要的作用。1 化学成分（见表二）：表二 部分奥氏体不锈钢和双相不锈钢的典型化学成分对比（约数值）组织钢种化学成分（质量分数）%PRENCCrNiMoN奥氏体308L0.032010-20316L0.0318122-25双相不锈钢22050.0322530.15342550.0325630.203825070.0325740.2542钢的抗点蚀和缝隙腐蚀能力主要由Cr、Mo和Ni元素含量决定，用来衡量这种抗腐蚀性能的指数就是PREN值（抗点蚀当量），PREN=Cr%+3.3Mo%+16N%。其他合金元素作用此处不再详述。2 晶粒度的
5、影响双相不锈钢的晶粒度对其屈服强度和韧性起重要作用。细小的晶粒使钢材具有较高的屈服强度和韧性。而晶粒度的增加也会引起脆性转变温度的升高，例如IN-744钢，当晶粒尺寸由2m增加到25m时，脆性转变温度大约由-130上升至-45，所以晶粒度的增加会降低钢材的低温冲击韧性。相比例的影响在这里不再详述。（二）双相不锈钢接头的耐腐蚀性能双相不锈钢不仅有很好的力学性能，而且还具有十分优异的耐点蚀、耐应力腐蚀、耐腐蚀疲劳等性能。它的接头也有很好的耐点蚀和耐氯化物应力腐蚀开裂性能，晶间腐蚀性能也不低于母材，但抗H2S应力腐蚀开裂能力较差。接头耐蚀性最不良的地方是近缝区（HAZ），主要原因是近缝区析出第二相（
6、铬的氮化物）形成了“贫铬”层所导致。1 点蚀和缝隙腐蚀 抗点蚀当量 PREN的计算式定量地描述了Cr、Mo、N元素对它的影响。公式只考虑了Cr、Mo、N的作用，没有考虑组织的不均匀和析出相的影响。选择合适的固溶处理温度使两相分别具有相当的PREN值，才能使钢具有最佳的耐点蚀性能。 2 应力腐蚀 双相不锈钢的屈服强度比普通不锈钢高，所以产生应力腐蚀开裂（SCC）的临界应力值也高；钢中第二相的存在对裂纹的扩展起机械屏障作用，延长了裂纹的扩展期；在中性氯化物介质中，不锈钢多以点蚀为SCC的裂源，而双相不锈钢的成分和组织特点使点蚀不易形成，延长了点蚀的孕育期。所以抗双相不锈钢抗SCC能力很强。各种不锈
7、钢和双相钢的SCC敏感性还与温度和氯化物的浓度有关，在较宽的氯离子浓度范围内SCC是否发生取决于温度。3 耐腐蚀疲劳腐蚀疲劳是由于腐蚀和循环应力的联合作用而引起的一种腐蚀形态，所受的应力大部分循环应力。当循环应力比较小而腐蚀介质较强时，腐蚀疲劳源往往产生于表面区的非金属夹杂上，这又是产生局部腐蚀的地方，而对于双相不锈钢尤其是高铬双相不锈钢来说，既具备了很高的抗局部腐蚀的能力又有很高的强度，所以双相不锈钢的抗腐蚀疲劳能力也很强。由于双相不锈钢既有良好的耐腐蚀性又有很高的硬度，所以它的在磨损腐蚀性能也很好。经过实践许多例子证明双相不锈钢的耐晶间腐蚀、耐均匀腐蚀等方面都有很优异的性能。（三）双相不锈
8、钢使用的局限性与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的弱势如下：1 应用的普遍性和多面性不如不锈钢，并且使用温度必须控制在-50250。2 塑性比奥氏体不锈钢低，冷、热加工 工艺和成型性能稍差。3 存在中温脆性区，需要严格控制热处理和焊接工艺制度，以避免有害相的出现，否则损害性能。三 双相不锈钢的焊接双相不锈钢具有良好的焊接性能，热裂倾向小，焊接时不需预热，焊后不需热处理，与奥氏体不锈钢焊接相比较，焊缝的热裂纹倾向低；与铁素体不锈钢焊接相比较，焊接接头焊后的状态的脆化程度低；而且焊接热影响区中（HAZ）单相铁素体相的粗化程度也较低。双相不锈钢的焊接关键是要使焊缝金属和焊接热影响区（HAZ）均保持有适量
9、的铁素体和奥氏体的组织。 我们厂进行双相钢焊接之前进行了焊接工艺评定，各项数据如下：1 材料 我们工艺评定所用的钢板是2205（ASTM A240-00 UNS S31803），采用的焊丝是ER2209（SANDVIK）。钢板、焊丝以及焊缝主要化学成分见表三：表三CMnPSSiCrNiMoNCu22050.161.820.0280.00070.3622.485.463.10.16ER22090.0131.530.0190.0010.4923.028.633.180.1560.12焊缝0.0291.520.0240.0110.4122.476.503.010.160.142 典型工艺规范（见表四
10、）：表四焊接方法焊材牌号直径（mm）极性电流（A）电压（V）焊速 mm/s热输入量KJ/mmGTAWER22092.4DCEN80120121511.50.81.5工作中选用的气体是：Ar（97.5%）+N2（2.5%），气体流量0.40.7m3/h3 试件评定结果 试件拉伸（GB/T228）、弯曲（GB/T232）、-40冲击试验（ASTM A293 B）均合格；焊缝、母材、热影响区的金相组织均为奥氏体+40%50%铁素体；腐蚀试验：在6%的FeCl3溶液中，40温度下24小时化学浸泡后表面没有出现腐蚀，单位面积质量损失为0.098m/cm2。评定结果合格。我们推荐双相不锈钢之间以及其与奥氏
11、体不锈钢之间的焊材如下表五所示： 随着我们对双相不锈钢的焊接性的熟悉，近年来我们逐步掌握了双相不锈钢的各项性能，完善了双相不锈钢的焊接工艺。表五 双相不锈钢焊材选用钢 种2304（Cr18）2205(Cr22)255(Cr25)低合金高强钢2304（Cr18）E2209E2304E2209E2209E22092205(Cr22)E2209E2209E2510E2510255(Cr25)E2209E2510E2510E2510超级双相钢E2209E2510E2510E2510304E309MoLE2209E309MoLE2209E309MoLE2209E309MoL316E309MoLE2209
12、E309MoLE2209E309MoLE2209E309MoLE2209低合金高强钢E309LE309LE309LE309L四 结论：双相不锈钢的焊接问题并不是十分复杂，在焊接性方面，它继承了奥氏体和铁素体的优点，结合我们的实际操作经验，对双相不锈钢的焊接要点总结如下：1 焊接时可以通过Schaeffler不锈钢组织图控制母材和焊材的成分以及工艺参数，使接头获得足够数量的奥氏体。2 焊接时不需预热、后热，一般焊后不进行热处理。3尽量采用钨极氩弧焊，对无镍或低镍的双相钢焊接时，要控制热输入量，尽量用小电流、高速焊、窄焊道和多道焊，防止热影响区晶粒粗化和单项铁素体化。4第一道焊道的热输入量不能太小，冷却速度不能太快，让焊缝在冷却时要有一定的时间充分析出奥氏体相达到相平衡。5 可采用面层焊道加回火焊道的方法,使热影响区的高温段析出较多的二次相。参考文献1 吴玖等著.双相不锈钢.北京 冶金工业出版社，19992 陈祝年编著.焊接工程师手册.机械工业出版社.20023周振丰主编. 焊接冶金学（金属焊接性）. 机械工业出版社， 1996. 作者简介：尤广伟，1979年生，工学学士，焊接工程师。采集于现代焊接
