S32205不銹鋼管

雙相不銹鋼從20世紀40年代在美國誕生以來，已經發展到第三代。它的主要特點是屈服強度可達400~550 MPa，是普通不銹鋼的2倍，因此可以節約用材，降低設備制造成本。在抗腐蝕方面，特別是介質環境比較惡劣（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、應力腐蝕及腐蝕疲勞性能明顯優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℃范圍內具有優良的力學性能和焊接性能。

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準雙相不銹鋼，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進一步提高氮含量，增強在氯離子濃度較高的酸性介質中的耐應力腐蝕和抗點蝕性能。氮是強烈的奧氏體形成元素，加入到雙相不銹鋼中，既提高鋼的強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(雙相不銹鋼2205鐵素體含量應為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熱系數大、線膨脹系數小、耐點蝕、縫隙及氯化物應力腐蝕的特點；又具有奧氏體不銹鋼韌性好、脆性轉變溫度較低、抗晶間腐蝕、力學性能和焊接性能好的優點。

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是屈服強度高和耐應力腐蝕。雙相不銹鋼比奧氏體不銹鋼的屈服強度高近1倍，同樣的壓力等級條件下，可以節約材料。比奧氏體不銹鋼的線性熱膨脹系數低，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。通常焊前不預熱，焊后不熱處理。由于有較高的氮含量，熱影響區的單相鐵素體化傾向較小，當焊接材料選擇合理，焊接線能量控制適當時，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極少，不易產生低熔點液膜。另外，晶粒在高溫下沒有急劇長大的危險。

2.2 熱影響區脆化

雙相不銹鋼焊接的主要問題不在焊縫，而在熱影響區。因為在焊接熱循環作用下，熱影響區處于快冷非平衡態，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，在熱循環的作用下，焊縫金屬和熱影響區的組織發生著一系列的變化。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性能和耐蝕性能取決于焊接接頭能否保持適當的相比例，因此，焊接是圍繞如何保證其雙相組織進行的。當鐵素體和奧氏體量各接近50%時，性能較好，接近母材的性能。改變這個比例關系，將使雙相不銹鋼焊接接頭的耐蝕性能和力學性能(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%)將導致強度和抗應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、保護氣體的影響。

3.2.1 合金元素的影響

根據研究和大量試驗發現，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內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大奧氏體元素，但是，氮的能力遠遠大于鎳。在高溫下，氮穩定奧氏體的能力也比鎳大，可防止焊后出現單相鐵素體，并能阻止有害金屬相的析出。

由于焊接熱循環的作用，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度和耐蝕性能。目前，填充材料一般都是在提高鎳的基礎上，再加入與母材含量相當的氮。

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 焊接材料化學成分%
3.2.2 熱循環的影響

從國內外的研究來看,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，后續焊道對前層焊道有熱處理作用，焊縫金屬中的鐵素體進一步轉變為奧氏體，成為以奧氏體占優勢的兩相組織；毗鄰焊縫的熱影響區中的奧氏體相也相應增多，且能細化鐵素體晶粒，減少碳化物和氮化物從晶內和晶界析出，從而使整個焊接接頭的組織和性能顯著改善。

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