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超級奧氏體不銹鋼的性能對比
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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鉬超級奧氏體不銹鋼,而654 SMO為典型的7鉬超級奧氏體不銹鋼。
  超級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,很有可能會出現(xiàn)些金屬中間相,如chi和σ相。這些金屬中間相常常會出現(xiàn)在板材的中心部位。但是如果熱處理正確,就會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,它們也不會對機(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。
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,高氮超級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 

合金鋼種牌號氮含量屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度延伸率
ASTMENGB%Rp0.2MPaRmMPaAs%
316L316L1.4404 0.0622052045
904LNO89041.453900Cr20Ni25Mo4.5Cu0.0622052035
317LMN317LMN1.4439 0.1527058040
254SMOS312541.454700Cr20Ni18Mo6CuN0.2030065040
654SMOS326541.4652 0.5043075040
表3 高溫下高合金奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度(Rp0.2MPa) 
合金ASTMEN*GB氮含量%100℃200℃400℃
316L316L1.4404 0.06166137108
904LN089041.453900Cr20Ni25Mo4.5Cu0.06225175125
317LMN317LMN1.4439 0.15225185150
254SMOS312541.454700Cr20Ni18Mo6CuN0.20230190160
654SMOS326541.4652 0.50350315295
  如表2和表3所示,在所有溫度下機(jī)械強(qiáng)度均隨氮含量的增加而提高。盡管強(qiáng)度增加了許多,但超級奧氏體不銹鋼的延伸率仍然很高。甚至高于許多低合金鋼的延伸率。這主要是由于其較高的含氮量和與之相關(guān)的另一個特點(diǎn)——高加工硬化率,見圖2和圖3。因此經(jīng)冷加工成型的部件就可獲得很高的強(qiáng)度??衫眠@一特性的用途包括較深井中的管道及螺栓等。和普通奧氏體不銹鋼一樣,超級奧氏體不銹鋼的低溫性能也是很好的。超級奧氏體不銹鋼的抗撞擊及抗斷裂能力是很高的,并且只有在低達(dá)-196℃時才會略有下降。
1.3 物理性能
  物理性能主要取決于奧氏體結(jié)構(gòu),同時也部分地取決于材料的化學(xué)成分。就是說超級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
合金鋼種牌號密度彈性模量
KN/mm2
熱膨脹系數(shù)×10-6/℃導(dǎo)熱系數(shù)W/m℃
ASTMEN*GBkg/dm320℃400℃20℃400℃20℃400℃
2205S318031.4462 7.820017213.014.51520
3043041.4301 7.920017216.017.51520
254SMOS312541.454700Cr20Ni18Mo6CuN8.019516616.518.01418
合金625N102762.4856 8.420018012.013.51016
   含6鉬超級奧氏體不銹鋼的熱膨脹度比雙相不銹鋼2205要大,因此焊接時在結(jié)合部位上可能會出現(xiàn)一些變形。雖然鎳基合金的熱膨脹度一般較低,但其較差的導(dǎo)熱性正好將其這一優(yōu)點(diǎn)抵消。這些物理性能在設(shè)計用不銹鋼制作部件或不銹鋼與其它合金連接時,具有很重要的意義。
2 超級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)境中對防腐性能的要求。許多合金曾是被設(shè)計用于一種特定環(huán)境的,隨后其應(yīng)用范圍發(fā)展得越來越廣泛。因此,對超級奧氏體不銹鋼的選用,其耐腐蝕性能是一個很重要的依據(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。可以看出,合金含量較高的不銹鋼,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/年時的臨界溫度。可以看出,臨界溫度隨著合金含量的增加而提高。在所有溶液中超級奧氏體不銹鋼,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654SMO254SMO317LMN2205
1%HCi95705085
10%H2SO4+0.33%NaCl+SO2,飽和756050<10
96%H2SO430203525
85%H3PO49011012050
83%H3PO4+2%HF859012050
WPA195805045
WPA280603560
5%CH3COOH+50%(CH3CO)2O>126*126*>126*100
50%NaOH135115144*90
 表6 WPA 1和WPA 2的主要化學(xué)成分,重量百分比
WPAM NoH3PO4Cl-F-H2SO4Fe2O3Al2OSSiO2CaOMgO
1750.200.540.30.20.10.20.7
2750.022.040.30.20.10.20.7
  不同合金之間的排序隨工況情況的不同而變化。2205型雙相不銹鋼就是一個很好的例子。這種鋼在有些環(huán)境中的性能甚至比一些高合金奧氏體不銹鋼還要好。但在有些環(huán)境中其表現(xiàn)就不太好。另一個例子是904L型不銹鋼。在純磷酸中,這種不銹鋼是所有鋼中表現(xiàn)最好,但在濕法工業(yè)磷酸中,它則比不上其它兩種超級奧氏體不銹鋼。在一種混合液 WPA 2中,其耐腐蝕性能則是最差的, 見表5。
  因此,在為制造業(yè)中的設(shè)備,如反應(yīng)器、管道和儲罐,推薦最適合的不銹鋼時一定要非常謹(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,在一定溫度下就會發(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防腐性能也有積極影響。按重量百分比的算法計算,其效果約為鉬的一半。為了進(jìn)行比較,同時用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ASTMEN*PRE(16)PRE(30)CPT℃**CPT℃**
2205S318031.446234365335
317LMN317LMN1.4439333553-
904LNO89041.453936376115
Sanicro28-1.45633940--
AL-6X--4141--
254SMOS312541.454743469060
654SM0S326541.46525663>100100
*歐洲統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),**在 1摩爾的NaCl 溶液中,***在3.5%的NaCl溶液中,腐蝕電位為700mV SCE
  可以看出, PRE(16)和PRE(30)對許多鋼種來說差別并不是很大。最重要的是兩個系數(shù)對排列不同不銹鋼并無任何影響。
  表7同時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。在一次用于評估煙氣脫硫設(shè)備所用材料的試驗(yàn)中測定了會導(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ASTMEN*Cl-ppm
316L316L1.440450
904LN089041.4539500
254SMOS312541.45475000
654SMOS326541.465212500
合金625NO66252.48564000-5000**
 *歐洲統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),**對于金相組織較差的試樣,氯離子濃度低達(dá)4000ppm時也曾出現(xiàn)過問題。
由此可見,在這個非??量痰沫h(huán)境中,超級奧氏體不銹鋼的防腐蝕能力與鎳基合金是在一個水平上的。
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。測試時間為500小時。
  可以清楚地看出,與普通不銹鋼相比,超級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ASTMEN*200℃時的臨界屈服強(qiáng)度
3163161.4401<10
2205S318031.446240
904LN089041.453970
254SMOS312541.454790
654SMOS326541.4652>100
*歐洲統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)
  硫化氫(常出現(xiàn)于油井和氣井中)的存在會增加出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕破裂的風(fēng)險。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存在的情況下,不銹鋼出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕破裂的危險性就更大。而超級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,同時殘余氯含量也是一個非常重要的因素。
  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(比如在某些類型的板式換熱器上會發(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鉬超級奧氏體不銹鋼的使用則一直是很成功的。
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