超級(jí)奧氏體不銹鋼的性能對(duì)比
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1.1 化學(xué)成分與金相組織
一些主要高合金奧氏體不銹鋼的主要化學(xué)成分在表1中給出。其中AL－6X和254 SMO為典型的6鉬超級(jí)奧氏體不銹鋼，而654 SMO為典型的7鉬超級(jí)奧氏體不銹鋼。
超級(jí)奧氏體不銹鋼的基本金相組織為典型的，百分之百的奧氏體。但由于鉻和鉬的含量均較高，很有可能會(huì)出現(xiàn)些金屬中間相，如chi和σ相。這些金屬中間相常常會(huì)出現(xiàn)在板材的中心部位。但是如果熱處理正確，就會(huì)避免這些金屬中間相的生成，從而得到近百分之百的奧氏體。254 SMO 的金相組織沒有任何其它金屬中間相。該組織是經(jīng)在1150～12000C溫度下熱處理之后得到的。
在使用過程中，如果出現(xiàn)了少量的金屬中間相，它們也不會(huì)對(duì)機(jī)械性能和表面的耐腐蝕性能有很大的影響。但是要盡量避免溫度范圍600～10000C，尤其是在焊接和熱加工時(shí)。
1.2 機(jī)械性能
奧氏體結(jié)構(gòu)一般具有中等的強(qiáng)度和較高的可鍛性。在加入一定量的氮之后，除提高了防腐能力外，在保持奧氏體不銹鋼可鍛性和韌性的同時(shí)，高氮超級(jí)奧氏體不銹鋼還具有很高的機(jī)械強(qiáng)度。其屈服強(qiáng)度比普通奧氏體不銹鋼要高出50～100％。在室溫和較高溫度下氮對(duì)機(jī)械性能的影響分別在表2和表3有所顯示。
表2 ＋20℃溫度下高合金奧氏體不銹鋼的機(jī)械性能
| 合金 | 鋼種牌號(hào) | 氮含量 | 屈服強(qiáng)度 | 抗拉強(qiáng)度 | 延伸率 | ||
| ASTM | EN | GB | % | Rp0.2MPa | RmMPa | As% | |
| 316L | 316L | 1.4404 | 0.06 | 220 | 520 | 45 | |
| 904L | NO8904 | 1.4539 | 00Cr20Ni25Mo4.5Cu | 0.06 | 220 | 520 | 35 |
| 317LMN | 317LMN | 1.4439 | 0.15 | 270 | 580 | 40 | |
| 254SMO | S31254 | 1.4547 | 00Cr20Ni18Mo6CuN | 0.20 | 300 | 650 | 40 |
| 654SMO | S32654 | 1.4652 | 0.50 | 430 | 750 | 40 | |
| 合金 | ASTM | EN* | GB | 氮含量% | 100℃ | 200℃ | 400℃ |
| 316L | 316L | 1.4404 | 0.06 | 166 | 137 | 108 | |
| 904L | N08904 | 1.4539 | 00Cr20Ni25Mo4.5Cu | 0.06 | 225 | 175 | 125 |
| 317LMN | 317LMN | 1.4439 | 0.15 | 225 | 185 | 150 | |
| 254SMO | S31254 | 1.4547 | 00Cr20Ni18Mo6CuN | 0.20 | 230 | 190 | 160 |
| 654SMO | S32654 | 1.4652 | 0.50 | 350 | 315 | 295 |
1.3 物理性能
物理性能主要取決于奧氏體結(jié)構(gòu)，同時(shí)也部分地取決于材料的化學(xué)成分。就是說超級(jí)奧氏體不銹鋼較普通奧氏體不銹鋼，如304或316型，在物理性能方面是沒有很大區(qū)別的。表4列出不同合金的一些典型物理性能值。
表4 一些不銹鋼與一種鎳基合金的物理性能
| 合金 | 鋼種牌號(hào) | 密度 | 彈性模量 KN/mm2 | 熱膨脹系數(shù)×10-6/℃ | 導(dǎo)熱系數(shù)W/m℃ | |||||
| ASTM | EN* | GB | kg/dm3 | 20℃ | 400℃ | 20℃ | 400℃ | 20℃ | 400℃ | |
| 2205 | S31803 | 1.4462 | 7.8 | 200 | 172 | 13.0 | 14.5 | 15 | 20 | |
| 304 | 304 | 1.4301 | 7.9 | 200 | 172 | 16.0 | 17.5 | 15 | 20 | |
| 254SMO | S31254 | 1.4547 | 00Cr20Ni18Mo6CuN | 8.0 | 195 | 166 | 16.5 | 18.0 | 14 | 18 |
| 合金625 | N10276 | 2.4856 | 8.4 | 200 | 180 | 12.0 | 13.5 | 10 | 16 | |
2 超級(jí)奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能
在很大程度上，奧氏體不銹鋼的發(fā)展是為了滿足各種環(huán)境中對(duì)防腐性能的要求。許多合金曾是被設(shè)計(jì)用于一種特定環(huán)境的，隨后其應(yīng)用范圍發(fā)展得越來越廣泛。因此，對(duì)超級(jí)奧氏體不銹鋼的選用，其耐腐蝕性能是一個(gè)很重要的依據(jù)。這里主要介紹均勻腐蝕、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕破裂。
3.1 均勻腐蝕
提高不銹鋼穩(wěn)定性的最重要合金元素為鉻和鉬。超級(jí)奧氏體不銹鋼中這些成分的含量均較高，因此在各種溶液中都顯出很好的耐腐蝕性。在有些環(huán)境中，硅、銅和鎢等元素的添加可進(jìn)一步提高材料的耐腐蝕性。
圖1所示是一些奧氏體不銹鋼在純硫酸中的等腐蝕速度曲線圖?？梢钥闯觯辖鸷枯^高的不銹鋼，如904L，254 SMO和654 SMO等，在較大濃度和溫度范圍內(nèi)比普通型奧氏體不銹鋼，如304和316等，具有更好的耐腐蝕性。該圖同時(shí)也顯示了高硅不銹鋼SX具有非常強(qiáng)的，抵抗?jié)饬蛩岬哪芰Α?/span>
圖1 一些奧氏體不銹鋼在純硫酸中的等腐蝕速度曲線圖，腐蝕速度為0.1毫米/年
說明在特定環(huán)境中抗均勻腐蝕能力的另一個(gè)方法是測量造成每年0.1毫米(或每年0.5毫升)腐蝕速度的溫度。表5例出了一系列濃度不同的化學(xué)溶液。這些溶液都是在化學(xué)生產(chǎn)中較常見的，同時(shí)也給出了不同鋼種在這些溶液中腐蝕速度為0.1毫米/年時(shí)的臨界溫度?？梢钥闯?，臨界溫度隨著合金含量的增加而提高。在所有溶液中超級(jí)奧氏體不銹鋼，如254 SMO和654 SMO的臨界溫度都是最高的，充分顯示了其優(yōu)異的耐均勻腐蝕性能。
表5還包括了兩種常見的濕法工業(yè)磷酸，WPA 1和WPA 2其主要成分在表6中給出。
表5 在不同化學(xué)制品中導(dǎo)致0.1毫米/年的腐蝕速度的臨界溫度℃
| 溶液 | 654SMO | 254SMO | 317LMN | 2205 |
| 1%HCi | 95 | 70 | 50 | 85 |
| 10%H2SO4+0.33%NaCl+SO2,飽和 | 75 | 60 | 50 | <10 |
| 96%H2SO4 | 30 | 20 | 35 | 25 |
| 85%H3PO4 | 90 | 110 | 120 | 50 |
| 83%H3PO4+2%HF | 85 | 90 | 120 | 50 |
| WPA1 | 95 | 80 | 50 | 45 |
| WPA2 | 80 | 60 | 35 | 60 |
| 5%CH3COOH+50%(CH3CO)2O | >126* | 126* | >126* | 100 |
| 50%NaOH | 135 | 115 | 144* | 90 |
| 表6 WPA 1和WPA 2的主要化學(xué)成分，重量百分比 |
| WPAM No | H3PO4 | Cl- | F- | H2SO4 | Fe2O3 | Al2OS | SiO2 | CaO | MgO |
| 1 | 75 | 0.20 | 0.5 | 4 | 0.3 | 0.2 | 0.1 | 0.2 | 0.7 |
| 2 | 75 | 0.02 | 2.0 | 4 | 0.3 | 0.2 | 0.1 | 0.2 | 0.7 |
因此，在為制造業(yè)中的設(shè)備，如反應(yīng)器、管道和儲(chǔ)罐，推薦最適合的不銹鋼時(shí)一定要非常謹(jǐn)慎。最好能掌握有關(guān)工況條件的具體數(shù)據(jù)。
2.2 點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕
點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕是兩種緊密相關(guān)的腐蝕類型，均屬于局部腐蝕。其主要生產(chǎn)條件為含有氯離子的環(huán)境。但溫度及酸堿度(pH值)等也起著很重要的作用。當(dāng)不銹鋼處于含氯環(huán)境中時(shí)，在一定溫度下就會(huì)發(fā)生點(diǎn)腐蝕。眾所周知，鉻和鉬含量的提高有助于增強(qiáng)不銹鋼抗局部腐蝕的能力。鉻、鉬和氮對(duì)抵抗局部腐蝕能力的綜合影響，經(jīng)常用經(jīng)驗(yàn)公式WS（Wirksumme）來表示。
WS(PRE)=％鉻＋3.3×％鉬＋16×％氮
式中的WS值一般被稱之為“耐點(diǎn)腐蝕能力指數(shù)(PRE)”。所以也常常用PRE來表示。公式所給出的氮的系數(shù)16是最經(jīng)常使用的。但據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道也有采用其它系數(shù)的，比如Mannesmann研究院的Herbsleb博士就建議使用30。諸如鎢等其它成分對(duì)防腐性能也有積極影響。按重量百分比的算法計(jì)算，其效果約為鉬的一半。為了進(jìn)行比較，同時(shí)用16和30作為PRE 公式中氮的系數(shù)為表1中的一些鋼種計(jì)算PRE值。結(jié)果在表7中給出。
表7 PRE值及一些高合金不銹鋼的臨界點(diǎn)蝕溫度和臨界縫隙腐蝕溫度
| 合金 | ASTM | EN* | PRE(16) | PRE(30) | CPT℃** | CPT℃** |
| 2205 | S31803 | 1.4462 | 34 | 36 | 53 | 35 |
| 317LMN | 317LMN | 1.4439 | 33 | 35 | 53 | - |
| 904L | NO8904 | 1.4539 | 36 | 37 | 61 | 15 |
| Sanicro28 | - | 1.4563 | 39 | 40 | - | - |
| AL-6X | - | - | 41 | 41 | - | - |
| 254SMO | S31254 | 1.4547 | 43 | 46 | 90 | 60 |
| 654SM0 | S32654 | 1.4652 | 56 | 63 | >100 | 100 |
可以看出， PRE(16)和PRE(30)對(duì)許多鋼種來說差別并不是很大。最重要的是兩個(gè)系數(shù)對(duì)排列不同不銹鋼并無任何影響。
表7同時(shí)也給出了一些不銹鋼的臨界點(diǎn)蝕溫度(CPT)和臨界縫隙腐蝕溫度(CCT)。這兩個(gè)臨界溫度常常被用來衡量不銹鋼耐局部腐蝕的能力。大量的研究工作和實(shí)用經(jīng)驗(yàn)表明，PRE值與不銹鋼耐局部腐蝕的能力，如CPT和CCT值，是成比例關(guān)系的。317LMN，904L兩種奧氏體不銹鋼和2205型雙相不銹鋼的 PRE 值大致相同，其抗點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的能力也應(yīng)該是相同的。所記錄的使用數(shù)據(jù)顯示，904L不銹鋼的抗點(diǎn)蝕能力略優(yōu)于其它鋼種，而2205的抗縫隙腐蝕能力則較強(qiáng)，這種現(xiàn)象與實(shí)際使用情況相符。
含6％鉬和7％鉬的超級(jí)奧氏體不銹鋼，如254 SMO和654 SMO，均具有較高的PRE值和CPT/CCT值，見表7。表示其優(yōu)越的耐局部腐蝕的能力。因此，超級(jí)奧氏體不銹鋼家族也一直被廣泛地應(yīng)用于抗點(diǎn)蝕要求較高的用途中，比如用作海水處理設(shè)備，紙漿漂白及煙氣脫硫裝置中的部件等。在一次用于評(píng)估煙氣脫硫設(shè)備所用材料的試驗(yàn)中測定了會(huì)導(dǎo)致縫隙腐蝕的臨界氯離子濃度。材料被浸泡在飽含二氧化硫并含有酸性(pH值為1)氯化物，且溫度為80℃的溶液中。對(duì)一些侯選材料的測試結(jié)果如表8所示。
表8 在溫度為80℃的模擬脫硫塔環(huán)境中可導(dǎo)致縫隙腐蝕的臨界氯含量
| 合金 | ASTM | EN* | Cl-ppm |
| 316L | 316L | 1.4404 | 50 |
| 904L | N08904 | 1.4539 | 500 |
| 254SMO | S31254 | 1.4547 | 5000 |
| 654SMO | S32654 | 1.4652 | 12500 |
| 合金625 | NO6625 | 2.4856 | 4000-5000** |
由此可見，在這個(gè)非?？量痰沫h(huán)境中，超級(jí)奧氏體不銹鋼的防腐蝕能力與鎳基合金是在一個(gè)水平上的。
2.3 應(yīng)力腐蝕破裂
普通奧氏體不銹鋼比鐵素體不銹鋼和雙相不銹鋼更容易發(fā)生由氯化物引起的應(yīng)力腐蝕破裂。然而，超級(jí)奧氏體不銹鋼卻具有非常高的抗應(yīng)力腐蝕破裂的能力，在許多情況下其效果還優(yōu)于雙相不銹鋼抗應(yīng)力腐蝕破裂的能力。表9所示為蒸發(fā)情況下(根據(jù)點(diǎn)滴試驗(yàn)確定)導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕破裂的臨界應(yīng)力。測試時(shí)間為500小時(shí)。
可以清楚地看出，與普通不銹鋼相比，超級(jí)奧氏體不銹鋼有著非常優(yōu)異的抗應(yīng)力腐蝕破裂的能力。
表9 導(dǎo)致裂紋的臨界應(yīng)力
| 合金 | ASTM | EN* | 200℃時(shí)的臨界屈服強(qiáng)度 |
| 316 | 316 | 1.4401 | <10 |
| 2205 | S31803 | 1.4462 | 40 |
| 904L | N08904 | 1.4539 | 70 |
| 254SMO | S31254 | 1.4547 | 90 |
| 654SMO | S32654 | 1.4652 | >100 |
硫化氫(常出現(xiàn)于油井和氣井中)的存在會(huì)增加出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕破裂的風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)殍F素體相的氫脆性，雙相不銹鋼，特別是經(jīng)過深加工的部件，則較容易出現(xiàn)裂紋。在硫化氫和氯離子同時(shí)存在的情況下，不銹鋼出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕破裂的危險(xiǎn)性就更大。而超級(jí)奧氏體不銹鋼在此類“酸性”環(huán)境中是具有很強(qiáng)的抗應(yīng)力腐蝕破裂能力的。NACE MR0175－95是專門為油氣生產(chǎn)中，針對(duì)硫化應(yīng)力腐蝕破裂問題如何選材所制定的標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)中包括了254 SMO，而且也同時(shí)包括了退火和冷加工狀態(tài)。所容許的最大硬度值(35 HRC)也比普通型奧氏體不銹鋼 (22 HRC)要高的多。從這一點(diǎn)看，在含有大量硫化氫，最惡劣的油氣環(huán)境中，超級(jí)奧氏體不銹鋼是最佳的材料選擇。
2.4 海水中的腐蝕
導(dǎo)致不銹鋼發(fā)生點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕破裂最常見的環(huán)境是在水中，尤其是在海水中。因?yàn)楹Ｋ穆入x子含量是非常高的。由于超級(jí)奧氏體不銹鋼的臨界點(diǎn)腐蝕溫度和臨界縫隙腐蝕溫度均非常高，見表7，說明其在海水中耐局部腐蝕的能力也是非常的強(qiáng)。所以含6％鉬和7％鉬超級(jí)奧氏體不銹鋼同鎳基合金一樣曾廣泛地被應(yīng)用于海水中。由于實(shí)際情況有很大的不同，所報(bào)道的使用結(jié)果也大不相同。有的使用了幾年仍狀況良好，有的僅在一年之內(nèi)就出現(xiàn)了嚴(yán)重的腐蝕問題。如同所有與含氯化物的水接觸的不銹鋼一樣，決定性的因素仍是因焊接而產(chǎn)生的氧化物和微小的縫隙，同時(shí)殘余氯含量也是一個(gè)非常重要的因素。
添加到海水中用于殺死海洋微生物的氯是一種很強(qiáng)的氧化劑，它可輕易地使不銹鋼的腐蝕電位超過其臨界點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕電位。
在低于50℃的情況下，在干凈的6鉬超級(jí)奧氏體不銹鋼表面不應(yīng)出現(xiàn)任何點(diǎn)蝕問題。但在一些實(shí)際應(yīng)用中，也有6鉬超級(jí)奧氏體不銹鋼在較高工作溫度下具有較好使用性能的實(shí)例。最具限制性的因素是縫隙腐蝕。如果縫隙情況嚴(yán)重的話，即使在20～30℃)的溫度下也會(huì)發(fā)生腐蝕。然而，至少在溫度高達(dá)30℃及殘余氯含量約為百萬分之0.5的情況下，這種類型的不銹鋼一般都是合格的。在縫隙情況很嚴(yán)重時(shí)(比如在某些類型的板式換熱器上會(huì)發(fā)現(xiàn)這種情況），即使將溫度一直保持在25℃以下，一般也不將6鉬超級(jí)奧氏體不銹鋼用于此類用途。在縫隙很嚴(yán)重但未添加氯的用途中，至少在35℃的溫度下，6鉬超級(jí)奧氏體不銹鋼的使用則一直是很成功的。
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