2205双相不锈钢焊接、热处理、金相分析论文 - 图文

1 前言

双相不锈钢发展应用开始于20世纪30年代，至今已发展了三代双相不锈钢。第一代双相不锈钢：

(1) 以美国在20世纪40年代开发的AISI329钢为代表，含高Cr、Mo，耐局部腐蚀性能好，但含碳量较高（C≤0.10%），焊接后其接头耐腐蚀性和韧性都较差，使钢在应用上受到限制，只适用于铸锻件。

(2) 日本在美国329钢基础上降低了含碳量，开发了SUS329J1钢，可作为焊接用钢。

(3) 60年代中期，瑞典开发了著名的3RE60钢，特点是超低碳，含Cr量为18%。焊接及成型性能良好，使之成为第一代双相不锈钢的代表钢种。 第二代双相不锈钢：

(1) 20世纪80年代瑞典先开发了不含Mo的超低碳型双相不锈钢。代表钢种为SAF2304钢。

(2) 而后在第一代双相钢的基础上开发了含氮的超低碳型双相不锈钢。典型钢种是瑞典开发的SAF2205钢，使双相钢应用范围很广。 第三代双相不锈钢：

(1) 20世纪50年代后期发展了超级双相不锈钢，其特点是含碳量低（≤0.03%）含Mo、N量高（Mo约为4%，N约为0.3%）；钢中铁素体含量达到40~45%；具有优良的抗点蚀能力，其PRE值大于40。代表钢种为SAF2507钢。

双相不锈钢作为一种特殊的不锈钢材料，正在被日益广泛地应用于压力容器等相关的设备中。双相不锈钢与奥氏体不锈钢相比，在抗晶间腐蚀、腐蚀、点蚀、间隙腐蚀，特别是抗氯化物导致的应力腐蚀开裂方面具有绝对的优势。在石油、化工领域里应用前景非常远大。

如表1-1所示为部分双相不锈钢的牌号与化学成分[1]。

表1-1 部分双相不锈钢的牌号与化学成分

钢号 3RE60 Uranus50 SAF2205 DP-3 第二代 08X21H6M2Ti 0Cr21Ni5Ti SAF2507 第三代 DP-3W 0Cr21Ni5Mo3 国别 瑞典 芬兰 瑞典 日本 俄罗斯 C 0.03 0.04 0.03 0.03 Cr 18.5 21.5 22.0 25.0 Ni 4.9 Mo 2.7 Mn ≤2.0 -- Si 1.7 N -- 第一代 6.5 1.5 -- -- 5.5 3.0 ≤2.0 0.4 0.8 0.14 0.20 6.5 3.5 -- ≤0.08 21.0 7.5 2.0 -- -- -- 中国 0.06 22.0 5.8 -- ≤0.8 0.8 -- 瑞典 日本 0.03 0.03 25.5 25.5 7.0 4.5 -- -- 0.30 0.32 7.6 3.0 2.5 -- 中国 ≤0.08 26.5 5.0 3.0 ≤1.5 1.0 -- 数据来源：2004年2月《焊接设备与材料[J].焊接技术》

2 双相不锈钢

双相不锈钢系指不锈钢中既有奥氏体（α），又有铁素体（γ）组织结构的钢种，而且此二相组织要独立存在，且含量较大。一般认为，在奥氏体基体上有≥15%铁素体或在铁素体基体上有≥15%的奥氏体，均可称为奥氏体+铁素体双相不锈钢，本文简称为双相不锈钢。

2.1 双相不锈钢在中国的发展历史

在国外发展双相不锈钢的基础上，中国自70年代中期也开始发展了双相不锈钢，主要是研制含氮钢，关注氮对钢性能和工艺的影响。至今已有包括5个钢种的系列牌号，但只有低铬的钢种纳入了国家标准，其余都按企标生产，目前钢板的国标正在修订，Cr22和Cr25型的双相不锈钢将考虑纳标。中国的双相不锈钢只是处于国外第二代双相不锈钢的发展水平，钢中的含氮量在0.2％以下。至于目前国外己步入市场的含氮在0.25％－0.35％的超级双相不锈钢，中国仍处于实验室开发阶段，AOD精炼工艺和双相不锈钢连铸工艺的成熟将有助于超级双相不锈钢板的工业试生产成功。

目前国内双相不锈钢主要产品是管、板和复合板，也有锻件和铸件，产量都不大。φ219mm的无缝管和φ457mm薄壁等离子焊管都已研制成功，2205与Q345C的复合板也己用在长江三峡工程的排沙管，泄洪深孔衬砌等。据不完全统计，1999年双相不锈钢国内的消费量约2000t，近两年的年消费量达到4000t，翻了一番。随着应用的发展，国内产品满足不了要求，尤其一些工程项目，主要仍是靠进口。

目前国内已具有制造双相不锈钢和超级双相不锈钢设备的实力和较好的水平。南京化工有限公司化工机械厂，上海石化机械制造公司，金州重型机器有限公司等近十家大中型机械制造公司已经制造了近百台的双相不锈钢设备，南京化工有限公司化工机械厂和金州重型机器有限公司也能按照国外标准制造不只一台设备，分别出口至印度和马来西亚。南京化工有限公司化工机械厂和上海石化机械制造公司不仅能制造普通双相不锈钢设备，还能制造超级双相不锈钢设备，当然所用的UNS S32750和UNS S32760超级双相不锈钢的管材都是进口。至于油气和石化所需的管线钢，国内近两年已开始制造和野外施工焊接，还有待积累这方面的经验[1]。

2.2 双相不锈钢的主要代表牌号

双相不锈钢一般可分为四类：

低合金型--代表牌号是UNS S32304（23Cr-4Ni-0.1N），PREN值24～25； 中合金型--代表牌号是UNS S31803（22Cr-5Ni-3Mo-0.15N），PREN值32～33； 高合金型--标准牌号有UNS S32550（25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N），PREN值38～

39；

超级双相不锈钢型--标准牌号有UNS S32750（25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N），PREN值＞40[7]。

(※ PREN 耐孔蚀指数 PREN=Cr%+3.3×Mo%+16×N%) 低合金型UNS S32304不含钼, 在耐应力腐蚀方面可代替AISI304或316使用。 中合金型UNS S31803的耐蚀性能介于AISI 316L和6%Mo+N奥氏体不锈钢之间。

高合金型，一般含25%Cr，还含有钼和氮，有的还含有铜和钨,这类钢的耐蚀性能高于22 %Cr 的双相不锈钢。超级双相不锈钢型，含高钼和氮,有的也含钨和铜,可适用于苛刻的介质条件，具有良好的耐腐蚀与力学综合性能，可与超级奥氏体不锈钢相比美。

代表牌号的主要化学成分如表2-1所示：

表2-1 代表牌号的主要化学成分 类型 低合金型 低合金型 低合金型 低合金型 超级DSS UNS 牌号 S32304 S31803 S32205 S32550 S32750 C ≤0.03 ≤0.03 ≤0.03 0.04 ≤0.03 Cr 23 22 22 25 25 化学成分,% Ni 44 5 5 6 7 Mo 2 3 3 3 4 Cu 0.05 0.08 0.14 0.10 0.24 N 0.20 0.20 0.20 0.25 0.32 数据来源：2004年2月《焊接设备与材料[J].焊接技术》

2.3 双相不锈钢的性能特点

(1) 含钼双相不锈钢低应力下有良好的耐氯化物应力腐蚀性能。 (2) 含双相不锈钢有良好的耐孔蚀性能，抗孔蚀当量 PRE=Cr%+3.3xMo%+16xN%。

(3) 有良好的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能。 (4) 综合力学性能好，有较高的强度和疲劳强度。

(5) 可焊性良好，热裂倾向小，一般焊前不需预热，焊后无需热处理可与奥氏体

不锈钢或碳钢等异种钢焊接。

(6) 含低铬（18%Cr）的双相不锈钢热加工温度范围宽，抗力小，不经过锻造，直接轧制开坯生产钢板。含高铬（25%）的双相不锈钢热加工比奥氏体不锈钢略显困难，可生产板、管和丝等产品。

(7) 冷加工时比18-8型奥氏体不锈钢加工硬化效应大，在管、板承受变形初期，需施加较大应力才能变形。

(8) 与奥氏体不锈钢相比，导热系数大，线膨胀系数小，适合制作设备的衬里和生产复合板，也适合制作热交换器的管芯，换热效率比奥氏体不锈钢高。 (9) 高铬铁素体不锈钢的各种脆性倾向，不宜用在高于300℃的工作条件。双相不锈钢中含铬量愈低，σ等脆性相的危害性也愈小。

2.4 双相不锈钢的性能比较

由于双相不锈钢两相组织的特点，通过正确控制化学成分和热处理工艺，使双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的特点。 (一)与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的优势如下：

(1) 屈服强度比普通奥氏体不锈钢高一倍多，且具有成型需要的足够的塑韧性。采用双相不锈钢制造储罐或压力容器的壁厚要比常用的奥氏体减30-50%，有利于降低成本。

(2) 具有优异的耐应力腐蚀破裂的能力，即使是含合金量最低的双相不锈钢也有比奥氏体不锈钢更高的耐应力腐蚀破裂的能力，尤其在含氯离子的环境中。应力腐蚀是普通奥氏体不锈钢难以解决的突出问题。

(3) 在许多介质中应用最普遍的2205双相不锈钢的耐腐蚀性优于普通的316L奥氏体不锈钢，而超级双相不锈钢具有极高的耐腐蚀性，再一些介质中，如醋酸、甲酸等甚至可以取代高合金奥氏体不锈钢，乃至耐蚀合金。

(4) 具有良好的耐局部腐蚀性能，与合金含量相当的奥氏体不锈钢相比，它的耐磨损腐蚀和疲劳腐蚀性能都优于奥氏体不锈钢。

(5) 比奥氏体不锈钢的线膨胀系数低，和碳钢接近，适合与碳钢连接，具有重要的工程意义，如生产复合板或衬里等。

(6) 不论在动载或静载条件下，比奥氏体不锈钢具有更高的能量吸收能力，这对结构件应付突发事故如冲撞，爆炸等，双相不锈钢优势明显，有实际应用价值。

(二)与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的弱势如下：

(1) 应用的普遍性与多面性不如奥氏体不锈钢，例如其使用温度必须控制在250摄氏度以下。

(2) 其塑韧性较奥氏体不锈钢低，冷、热加工工艺和成型性能不如奥氏体不锈钢。 (3) 存在中温脆性区，需要严格控制热处理和焊接的工艺制度，以避免有害相的出现，损害性能。

(三)与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的优势如下：

(1) 综合力学性能比铁素体不锈钢好，尤其是塑韧性，不象铁素体不锈钢那样对

脆性敏感。

(2) 除耐应力腐蚀性能外，其他耐局部腐蚀性能都优于铁素体不锈钢。 (3) 冷加工工艺性能和冷成型性能远优于铁素体不锈钢。

(4) 焊接性能也远优于铁素体不锈钢，一般焊前不需预热，焊后不需热处理。 (5) 应用范围较铁素体不锈钢宽。

(四)与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的弱势如下：

(1) 双相不锈钢元素含量高，价格相对高，一般铁素体不含镍。

综上所述，可以概括地看出双相不锈钢的使用性能和工艺性能的概貌，它以其优越的力学与耐腐蚀综合性能赢得了使用者的青睐，已成为既节省重量又节省投资的优良的耐蚀工程材料。

2.5 双相不锈钢的应用

2.5.1 双相不锈钢在工业上的应用及范围

(1) 炼油工业（氯化物及硫化氢） A. 原油脱盐装置中热交换器和管道。

B. 催化裂化装置。催化吸收解吸塔衬里，塔盘板、管等，汽油再热器。 C. 加氢劣化装置。空冷器，脱硫反应器，水冷器的热交换器。 (2) 石化工业（中性氯化物）

A. 聚氯乙烯（PVC）汽提塔和热交换器。

B. 氯乙烯装置中的盘管式氧氯化反应器、氯乙烯再沸器。

C. 甲醇合成反应器的催化剂管束、物料/流出物流浇花器，中压闪蒸罐顶冷凝器。 D. 羰基合成醇管道式环形反应器。

E. 醋酸等有机酸（甲醛、甲酸）的生产装置及管道。 (3) 陆上和海上油气工业（酸性油井井管及管线）。 A. 输送管道及集气管。

B. 海上石油平台的热交换器、水处理和供水系统，消防系统、喷水系统，稳水

系统。 (4) 纸浆和造纸工业

A. 连续式硫酸蒸煮或间歇式蒸煮装置。如：木屑预热器、蒸煮器、冷凝器等。 (5) 化肥工业

A. 尿素工业。CO2压缩机冷却器管线。甲铵泵泵体。气提塔的气提管，高压冷

凝器的冷凝管，高压分解塔的分解管及输送管道。 B. 磷肥工业。反应槽、料浆循环及料浆输送管线。 (6) 高强度结构件

A.采用平台上钻井架的张拉系统、海底管道。蒸汽透过平叶片、驳船、槽车等。

2.5.2 中国双相不锈钢的应用业绩

国外双相不锈钢己广泛地应用于各工业领域，诸如纸浆和造纸、陆上和海上的油气工业、化学加工工业、运输业（化学品船和槽车）、制药和食品工业以及建筑业等。大多用来制造反应容器，各种工业设备和输送管道等。在大多数应用中，双相不锈钢被认为是具有成本效益的材料，填补了普通奥氏体不锈钢如316和高合金奥氏体不锈钢之间的空白。

以下是中国的双相不锈钢在有关工业领域应用的典型实例。 (1) 石油和天然气工业

这是国外应用双相不锈钢的主要领域之一，目前铺设的油气输送管线已有1000km。国内只有南海油田少量使用，全部进口。另外，西气东输工程西起塔里木盆地的集气管线考虑要用双相不锈钢焊管，国内已有条件生产和制造。

炼油工业是最早使用国产双相不锈钢的部门，在南京、镇海、天津、济南等炼化公司多集中用在常减压蒸馏塔的塔顶衬里（或复合板）、塔内构件、空冷器和水冷器等，最长的已使用20年。镇海炼化公司是我国最大的炼油基地，加工

能力为1600万吨，进入世界百强，冷凝冷却系统中多套设备使用双相不锈钢。

(2) 化学和石化加工工业

这一领域涉及的范围很宽，工况情况复杂，介质多种多样，也是使用双相不锈钢较早和较多的领域。甲醇是重要的能源化工原料，2002年国内产量210万吨，进口量与此相当，国产缺口很大，当然也有少量（数千吨）出口韩国，目前20万吨的大型和多套10万吨以下的中小型的甲醇合成反应器的触媒管都是采用双相不锈钢，大中型装置采用2205钢管，使用进口管较多，小型装置多采用18－5Mo型国产钢管。

齐鲁石化公司氯乙烯装置的氧氯化反应器中的冷却蛇管的介质条件（HCI，水蒸气）苛刻，目前已使用进口的2205双相不锈钢，使用结果有待观察。上海石化公司乙烯装置的催化剂再生冷却器采用国产类似DP3钢的00C25Ni7Mo3WCuN双相不锈钢做海水冷却器管，海水出口温度40℃，至今已间歇使用15年，效果很好。河南煤化工厂的粉煤气化装置的数台冷却器都是采用进口2205钢管制造。

(3) 化肥工业

尿素工业也是最早使用国产双相不锈钢的部门，装置中含氯离子水的换热设备使用得较多，例如尿素装置中CO2压缩机三段冷却器原使用304L奥氏体不锈钢管束，l个月后即因应力腐蚀破裂而泄漏，双相不锈钢可用5年以上，随后一、二段冷却器也都换用了18－5Mo或2205双相不锈钢。

由于双相不锈钢在尿素介质中有良好的抗腐蚀疲劳性能，很适合制造尿素生产的关键设备——甲按泵泵体。国产的0Cr25Ni6Mo2N钢可以通过Huey法的晶间腐蚀倾向检验，己用于黑龙江化肥厂、洞庭氮肥厂（五柱塞式）等大型化肥厂。国内中小化肥厂的甲按泵泵体基本上采用18－5Mo钢制造，有数十家采用的是高铬含铅双相不锈钢。此外这种钢的泵阀锻件通过了日本JISG0573、G0591硝酸法和硫酸法的检验，批量出口日本，价格要比日本当地生产的便宜。

此外，采用国产0Cr25Ni6Mo3CuN时效强化双相不锈钢，利用其耐磨损腐蚀性能，用于尿素装置主工艺管路多种规格的高压截止阀的内件等，效果不错。

(4) 运输业

最近几年海上化学品运输船行业是国外最大的双相不锈钢用户，消费量约占

热轧板的50％。化学品船装载的液体货物多种多样，包括化学和石化产品，食品等，要求船舱材料既能耐腐蚀，又有高的强度。如今2205双相不锈钢已代替316L和317L奥氏体不锈钢，成为海上化学品船的标准用材。

国内在这方面刚刚起步，中国长江航运集团青山船厂采用欧洲建造标准，使用进口的2205钢板，自行制造成功第一艘18500t化学品船，钢板消耗量约1200t，己出口比利时。实现了我国用双相不锈钢建造化学品船零的突破，该厂已形成规模生产能力[2]。

(5) 造纸和制盐轻工业

由于双相不锈钢在中性氯化物溶液中有较好的耐孔蚀和缝隙腐蚀的能力，利用这一特点，国内开发了该钢在真空制盐和盐硝联产装置上的应用，20万~30万吨制盐厂的大型盐水和芒硝蒸发罐采用了双相不锈钢的衬里和复合板，解决了设备结盐垢和腐蚀问题，最长的已有10年的使用历史。双相不锈钢用于大型真空制盐装置，国内已有成熟的经验[2]。

在制纸浆和造纸业领域，国内几乎是空白，硫酸盐蒸煮法仍多采用低碳钢制造的蒸煮锅，而国外早已普及使用双相不锈钢的蒸煮、漂白等设备，目前国内也有引进，但数量极少。

综上所述，可以看出国内双相不锈钢的使用是有一定局限性的，像国外大量使用双相不锈钢的诸如纸浆和造纸工业、油气工业、运输业、甚至建筑业几个大的领域我们涉及得不多，有的还只是刚刚开始。根据国情，利用双相不锈钢的性能优势，今后除继续扩大在化工和石化等领域的应用外，结合纸浆和造纸工业的技术改造需要开发在这一领域中的应用，至于油气管线目前很难推广，双相不锈钢的价格是太高了但是制造有关油气田需要的耐氯离子和硫化氢的装置像集气管线和换热设备等还是可以采用双相不锈钢，甚至超级双相不锈钢的。

海上运输业的发展，化学品船制造业方兴未艾，需要大量大张的钢板，这一缺口有待填平补齐。至于在建筑业方面的应用，至今还完全未涉及，其实滨海的城市雕塑景观和开发2304钢用于民用热水器方面完全可代替304和316奥氏体不锈钢。

3 2205双相不锈钢

2205双相不锈钢是20世纪70年代首先由瑞典研制成功，材料牌号为

SAF2205，属于第二代双相不锈钢。双相不锈钢2205合金是由22%铬，2.5%钼及4.5%镍氮合金构成的典型的含N、超低碳、双相铁素体一奥氏体复式不锈钢。

其化学成分为：W(C)≤0.03%，W (N)≤2.0% ，W (P)≤0.03% ，W (S)≤0.02% ，W (Si)≤1.0%，W (Ni) =4.5%～6.5% ，W (Cr)=21%～23% ，W (Mo)=2.5%～3.5% ，W (N) = 0.08%～0.2%。它具有高强度、良好的冲击韧性以及良好的整体和局部的抗应力腐蚀能力。与316L和317L奥氏体不锈钢相比，2205合金在抗点腐蚀及隙腐蚀方面的性能更优越,它具有很高的抗腐蚀能力，与奥氏体不锈钢相比,它的热膨胀系数更低，导热性更高以及更好的焊接性。

现在国内2205不锈钢产品种类有2205不锈钢管、2205双相不锈钢无缝管；2205双相不锈钢板材、2205不锈钢棒材、锻材、管件、带材等。早期的双相不锈钢可以耐中等强度的均匀腐蚀和氯应力腐蚀断裂，但是在焊接情况下使用时，其性能会大大降低。为了改善这种情况，就在双相不锈钢2205中加入了氮，这样不仅使耐腐蚀性能上升，而且得到良好的焊接性能。由于2205双相钢特殊的性能特色，其应用范围很广，至今是大量使用的一个双相不锈钢牌号。

3.1 2205双相不锈钢各项性能特点

(1) 均匀腐蚀性

由于铬含量（22%），钼（3%）及氮含量（0.18%），2205的抗腐蚀特性在大多数环境下优于316L和317L。

(2) 局部抗腐蚀性

2205双相不锈钢中铬、钼及氮的含量使其在氧化性及酸性的溶液中，对点腐蚀及隙腐蚀具有很强的抵抗能力。

(3) 抗应力腐蚀性

不锈钢的双相微观结构有助于提高不锈钢的抗应力腐蚀龟裂能力。在一定的温度、应张力、氧气及氯化物存在的情况下,奥氏体不锈钢会发生氯化物应力腐蚀。由于这些条件不易控制，因此304L、316L和317L的使用在这方面受到限制。

(4) 抗腐蚀疲劳性

2205双相钢的高强度及抗腐蚀能力使其具有很高的抗腐蚀疲劳强度。加工设备易受腐蚀环境和加载循环的影响，2205的特性非常适合这样的应用。

(5) 耐压性

双相不锈钢2205合金与奥氏体不锈钢相比，它的耐压强度是其两倍，与316L和317L相比，设计者可以减轻其重量。2205合金特别适用于-50°F/+600°F温度范围内，在严格限制的情况下(尤其对于焊接结构)，也可以用于更低的温度。

(6) 热成形

在进行热成形处理时，整个工件应整体受热，应在1750°F 到2250°F 的温度范围内进行，2205合金在此温度下非常柔软。如果温度过高，2205合金易于热撕裂。如果低于此温度，奥氏体就会发生断裂。低于1700°F时，由于温度和形变的影响，金属间相会很快形成。热成形进行完后，应立即对其在最低为1900°F的温度下进行固熔退火，并进行淬火来还原其相位平衡、韧性及抗腐蚀能力。我们不建议进行应力消除，但如果必须这样做，材料应在最低为1900°F的温度下进行固熔退火，然后迅速冷却，进行水淬火。

(7) 冷成形

2205 合金可以进行切割和冷成形。然而，由于2205 合金自身的高强度及硬度，它比奥氏体钢铁更需要进行冷成形，也正因为它的高强度，要充分考虑到回弹的因素。

(8) 热处理

2205 合金应在最低为1900°F 的温度下进行退火处理，然后迅速冷却，进行水淬火。这项处理应用于固熔退火及应力解除。应力解除处理如在低于1900°F 的温度下进行，容易导致有害的金属或非金属相位的析出。

(9) 机械切削性

在高速的机床上，2205合金的进给率和切削速度和316L是一样的。如果采用炭化刀，切割速度与316L相比降低了大约20%，机器设备及其部件的性能在此起着关键性的作用。

(10) 焊接性能

2205合金的焊接性很好，2205合金所要达到的性能为焊接金属和热变质部分仍然保持和基底金属同样的抗腐蚀能力、强度及韧性。2205的焊接难度不大，但需设计其焊接程序以便焊接后，可以保持良好的相位平衡状

态，避免有害的金属相位或非金属相位的析出。2205可在以下设备中进行焊接：GTAW (TIG)；GMAW (MIG)；SMAW (“stick” electrode)；SAW；FCW；and PAW。

(11) 性能比较

双相不锈钢2205合金与316L和317L奥氏体不锈钢相比，2205合金在抗斑蚀及裂隙腐蚀方面的性能更优越，它具有很高的抗腐蚀能力，与奥氏体相比，它的热膨胀系数更低，导热性更高。

双相不锈钢2205合金与奥氏体不锈钢相比，它的耐压强度是其两倍，与316L和317L相比，设计者可以减轻其重量。2205合金特别适用于-50°F/+600°F温度范围内，在严格限制的情况下(尤其对于焊接结构)，也可以用于更低的温度。

3.2 2205双相不锈钢的应用领域

由于2205双相不锈钢具有很强的耐腐蚀性(包括应力腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀以及晶间腐蚀等)，以及较高的强度和韧性。使其在以下领域得以广泛应用。 (1) 压力器皿、高压储藏罐、高压管道、热交换器(化学加工工业)。 (2) 石油天然气管道、热交换器管件。 (3) 污水处理系统。

(4) 纸浆和造纸工业分类器、漂白设备、贮存处理系统。 (5) 高强度耐腐蚀环境下的回转轴、压榨辊、叶片、叶轮等。 (6) 轮船或卡车的货物箱。 (7) 食品加工设备。

4 2205双相不锈钢的焊接性能与工艺研究

4.1 2205双相不锈钢焊接机理

焊接是一个冶金过程，2205双相不锈钢的焊接质量,决定于其焊缝和热影响区的铁素体和奥氏体含量的平衡和两相组织的均匀性。在焊接过程中，金属从熔融到冷却，从凝固点到1 200℃为铁素体组织；1200℃～800℃奥氏体从铁素体中析出；800～475℃将可能有中间相(σ相、碳化物、氮化物)析出。因此，焊接线能量的输入大小直接影响着焊缝和热影响区中铁素体的含量。线能量太小，不利

于奥氏体析出；线能量太大，则会引起合金元素Cr、Ni、Mo的烧损，导致材料的耐腐蚀性能下降、机械性能劣化，不能得到良好的金相组织,更容易析出中间相。

焊接热循环的最高温度和快速冷却可促使双相不锈钢组织铁素体化，由于δ铁素体含量的增加导致了冲击韧性和耐蚀性降低。因此，选择合适的焊接工艺参数十分重要。

与奥氏体不锈钢的焊接相比，2205双相不锈钢的焊接对污染更敏感，特别是对湿气和水分。任何类型的油污、油脂和水分等污染物都会影响材料的抗腐蚀性及力学性能，因此在焊接前要对材料严格清理。双相不锈钢的焊接接头形式应预先经过充分地准备，如采用热加工方法切割坡口,应将坡口表面打磨至露出金属光泽，并对坡口表面进行渗透检测,焊接坡口最好采用机械加工。通常情况下，双相不锈钢的焊接不采用预热,因为预热会降低焊接热影响区的冷却速度。当然，预热对于降低钢材表面的湿气是有益的，当采用预热的方法降低湿气时，首先必须清理焊接表面,然后均匀地加热到95℃。如果焊缝的冷却速度太快,使得焊接热影响区的铁素体含量增加太大时，采用预热是有意义的。例如，将薄板焊接到厚板上和容器上焊接衬垫等情况下冷却速度是很快的，可以考虑预热。

与奥氏体钢相比，双相不锈钢具有导热性好和热膨胀系数低的特点，因此不会产生很大的残余应力，具有更高的抵抗热裂纹的能力，故双相不锈钢可以采用较大线能量焊接，最大的层间温度为150℃。在实际焊接中必须保证层间温度不高于工艺试验设定的层间温度。当焊接量很大时，应合理地安排焊接顺序以保证焊缝层间有足够的冷却时间，这样既能保证层间温度，又能提高劳动生产率。焊接工艺评定的试板尺寸会影响冷却速度和层间温度，要注意焊接工艺评定确定的层间温度应比实际焊接时低。因此，工艺评定不能预测由于在实际中采用较高的层间温度而导致冷却速度降低的程度。

焊后不必热处理，双相不锈钢在300～1000℃对温度很敏感，在300～700℃进行消除应力处理会导致σ相析出而产生475℃脆化现象，引起韧性和抗腐蚀性降低；在700～1000℃进行应力消除处理，会导致金属间化合物的析出,也会引起韧性和抗腐蚀性的降低。

4.2 SAF2205双相钢接头的基本要求及达到要求的措施

（一）焊接要求：

焊接接头不存在超过质量标准规定的缺陷，同时力学性能满足焊接结构预期的使用性能要求。不出现焊接热裂纹和冷裂纹、应力腐蚀、点蚀，δ相脆化现象的出现。

（二）防止措施：

(1) 双相不锈钢具有良好的焊接性，一般选用与母材成分相同或相近的焊接材料，由于含碳量对抗腐蚀性有很大的影响，因此熔敷金属含碳量不用高于母材。腐蚀性弱或仅为避免锈蚀污染的设备，可选用含Ti或Nb等稳定化元素或超低碳焊接材料。对于耐酸腐蚀性能较高的工件，常选用含Mo的焊接材料。选用适合的焊接材料不会发生焊接热裂纹和冷裂纹，如选用焊条型号E309MoL-16焊条牌号A042氩弧焊焊丝H00Cr18Ni14Mo2。

(2) 合理设计焊接接头。避免腐蚀介质在焊接接头部位聚集，降低或消除应力集中，消除或降低焊接接头残余应力，用常用工艺措施，加热温度在800-900℃之间才可得到比较理想的消除应力效果；结构设计时要尽量采用对接接头，避免十字交叉焊缝，单V形坡口改用Y形坡口。

(3) 采用小的热输入，即小电流，大的焊接速度，减少横向摆动，待前一道焊缝冷却到预热温度后，再焊下一道焊缝，焊后进行750-800℃退火处理，退火后应快冷，防止出现δ相和475℃脆化。

4.3 2205双相不锈钢焊接技术

2205双相不锈钢焊接的一些关键技术如下： (1) 焊接方法和材料的选择

一般用于奥氏体不锈钢的焊接方法，如手工电弧焊、钨极惰性气体保护电弧焊和熔化极气体保护焊等，都可用于双相不锈钢的焊接。焊接材料要选用比母材含镍量高的双相钢焊制。确保焊缝中奥氏体相占优势。焊缝铁素体含量控制在30％～45％为宜。

(2) 焊接工艺参数的选择

焊接线能量太大或太小都不好。一般控制在0.5～2.5 kJ/cm范围。其具体大小要根据焊件厚度选择。一般焊接时不需要预热，但焊件壁厚过大或环境温度过低时，为防止冷速过快造成焊缝和热影响铁素体含量过高，必要时要采取预热措

施。为避免冷却速度过低而引起析出相的产生，要控制多层／多道焊的层间温度。

(3) 焊接熔池及背面的保护

气体保护焊时保护气体中加氮可以提高焊缝的耐蚀性。有效的背面气体保护是保证焊接质量的前提。保护气体的纯度应满足工艺要求，应采取有效的背面保护工装，开始焊接时要对焊缝背面的氧含量进行检测，满足工艺要求后才能开始焊接。

(4) 定位焊缝

定位焊缝焊接时，如果长度过短，焊接未建立起平衡过程即结束，焊缝冷却会很快，可能导致铁素体含量过高、低韧性并因氮化物析出而降低耐腐蚀性能。因此，如采用定位焊，对定位焊缝的最短长度应进行规定，且应采用较大热输入规范参数。

(5)焊接过程材料的保护

材料表面的弧击和起弧，是一个瞬间高温过程，冷却速度很快。表面显微组织中铁素体含量很高，这种组织对裂纹和腐蚀很敏感，应尽力避免，如果产生必须用细砂轮打磨去除。现场焊接过程中材料的保护非常重要，应避免碳钢、铜、低熔点金属或填它杂质对不锈钢焊材的污染。可能情况下，不锈钢板材和碳钢板材应分开存放和焊接。焊接和切割过程中应采取措施防止飞溅、弧击、渗碳、局部过热等。

2205双相不锈钢焊接注意事项：

(1) 2205双相不锈钢有很高的强度，其延伸率小于奥氏体不锈钢。因此，在焊缝组对时，应严格控制组对质量，如果强力组对，焊接完成后很难矫形，既使能够矫形，也会产生很大的残余应力，使力学性能劣化，抗腐蚀性能下降。

(2) 2205双相不锈钢的焊接对污染更敏感，任何类型的油污、油脂和水分均会影响材料的抗腐蚀性及力学性能。因此，焊接前应对焊接区域用丙酮进行清洗，彻底清除油污、泥土、灰尘和水分等污染。

(3) 选择合理的焊接线能量非常重要。当采用很小焊接线能量时，由于快速冷却使得焊接热影响区和焊缝的铁素体含量偏高，对耐腐蚀性能和力学性能不利；但是过高的焊接线能量会烧损合金元素、冷却太慢而使得中间相析出，引起相组织的不平衡，同样对耐腐蚀性能和力学性能不利。因此,通过调整焊接线能

量输入可以得到最佳的焊缝和焊接热影响区性能。

(4) 焊接完成后,应对焊缝和焊缝热影响区进行铁素体检测，检验焊接工艺的合理性。当铁素体含量低于30%时， 2205双相不锈钢会产生脆化[3]。

4.4 实验材料和焊接工艺

4.4.1 试验材料及焊条

本次试验所用原材料来自于瑞典山特维克公司，牌号为SAF2205 (ASTM 240—00，UNS 31803)，焊接试样加工尺寸为150mm×80mm×6mm，焊条为ER2209(φ=2.Omm)，试验板材及焊丝化学成分见表4-1和表4-2。

表4-1 2205双相不锈钢母材及ER2209焊条的化学成分（质量分数％）

母材 焊条 C 0.0166 0.013 表4-2 2205试验板母材力学性能 屈服强度 Mpa 抗拉强度 Mpa 断后延伸率 % 硬度(HRB) S 0.001 0.007 P 0.024 0.018 Si 0.36 0.49 Mn 0.82 1.54 Cr 22.48 22.92 Ni 5.46 8.61 Mo 3.12 3.18 N 0.16 0.18 Cu -- 0.012 660 815 33.0 40.1 4.4.2 焊接工艺指导书

根据研究掌握的技术，拟定工艺规程进行焊接工艺评定。表4-3是SAF2205双相不锈钢板焊接工艺指导书。

表4-3 2205双相不锈钢管焊接工艺指导书 日期： 5月4日 焊接工艺评定报告编号： 001 焊接方法： 手工电弧焊 机械化程度： 半自动化 焊接接头形式及坡口尺寸： 接头形式： 如右图所示 坡口形式： Y型坡口 间 隙e： 1.5mm 钝 边p： 2mm 坡口角α： 75° 衬垫（材料及规格）： —— 其 他： —— 焊接母材： 焊接材料：22052PW,瑞典Avesta公司生产 母材规格：150mm×80mm×8mm 板材 焊接材料： 焊材类别 焊材标准 填充金属尺寸 焊材规格 其他 焊条说明： ER2209是钛钙药皮的不锈钢焊条，具有优良的力学性能及抗晶间腐蚀性能，可交直流两用。操作性能极好。用于焊接工作温度低于300℃，耐腐蚀的不锈钢结构。 注意事项： 焊接前焊条须要经250℃烘焙1小时，尽可能采用直流电源，用交流焊接时，熔深较浅，电流不宜过大，以免焊条发红。 ER2209双相不锈钢焊条 易焊接，可熔合性良好 2.00mm φ3.2×350mm —— 简图 焊接位置： 对接焊缝位置： 平焊 焊接方向：（向上、向下） ---- 焊接温度：25℃ (室温) ,层间温度小于150℃ 角焊缝位置： --- 焊接方向：（向上、向下） ---- 焊缝金属宽度（范围）： 8～12 mm 缝金属厚度（范围）： 2～4 mm 焊后热处理： 温度范围：（℃） —— 保温时间：（h） —— 焊接设备: 电焊机型号：松下直流脉冲TIG/手工弧焊机SA-300TP-3型 电焊机各项技术参数: 1.输出电压：380v 2.相 数：单相 3.频 率：50/60 Hz 4.额定输入容量：KVA DC20.2 AC30.8 5.输出电流(A) DC 起弧电流 氩弧焊：5～300 手工焊接：5～300 焊接电流：5～300 收弧电流：5～300 6.氩弧焊：10～300 手工焊接：10～300 焊接电流：10～300 收弧电流：10～300 7.输出电压(V) DC 氩弧焊：10.2～22.6 手工焊接：20～32 AC：10.2～22.6 空载电压(V)： DC 100 8.额定暂载率：周期10分钟 9.整流方式：可控硅单相全波整流方式 10.外部特性：定电流特性 11.脉冲频率：0.5～15Hz 12.脉冲宽度：15～85% 13.渐增时间：0.5～5.0sec连续调节 14.衰减时间：0.5～5.0sec连续调节 15.气体预流时间：0.2sec在PCB内调节 16.气体滞后时间：2～20sec连续调节 17.点焊定时：0.5～5sec连续调节 18.外形尺寸(WxDxH) ：415x625x853(mm) 19.重量：193Kg 电特性: 电流种类： 直流 极 性： 反接 焊接电流范围：(A) 65--80 引弧电压(V)： 150-220 焊接工艺参数： 焊道/焊层 焊接 方法 1 填充材料 焊接电源 电弧 电压 焊接 速度 (cm/min) 线能量 (kJ/cm) 牌号 厚度 极电流性 （A） 焊条A042 电弧焊 3.2mm 反接 70 30 45 12 2 焊条电A042 弧焊 3.2mm 反接 70 30 45 12 焊接要求: 1.坡口加工，板材切割后，采用砂轮机打磨出坡口，坡口角度为单边30°±2.5°，钝边0.5—1.5mm。加工坡口不允许使母材产生过热变色。 2.坡口及焊丝清理：坡口及其两侧各25mm以内的内外表面进行清理，清理程序如下：磨光机打磨—丙酮（或无水乙醇）清洗。清洗后不能直接进行焊接作业，待坡口端面晾干后方可以作业。焊丝也用沾丙酮（或无水乙醇）的海绵擦拭干净。 3.板材焊接施工前，应根据焊接工艺评定编制焊接作业指导书，焊工应按指定的焊接作业指导书施焊。 4.小电流，快速焊，输入热量应控制在0.2～2.5KJ/mm（各工艺参数严格按焊接工艺就不会超出范围）层间温度最大为100℃，对于多焊层焊缝，填充焊道的电弧能量不得高于打底时的能量。最外层焊缝的热影响区因缺少外层焊缝的热处理作用，难以达到平衡的双相组织，因而在制定焊接工艺时尽可能使最后一道焊缝位于非工作介质面上。环缝引弧应在焊道内进行，纵焊缝引弧和收弧均必须在引弧板和熄弧板上进行。 5.避免过多的焊条横向摆动和过宽的熔池，以避免过大的电流和较高的残余应力。 6.手工电弧焊焊完之后，要等焊缝冷却下来之后再敲掉药皮，让焊缝在药皮的保护下冷却下来， 防止氧化。 7.在使用焊条电弧焊时，应按照合适的长度和间隔进行定位焊。根部焊道不应从定位焊起焊。为 了避免由于定位焊点导致根部焊道出现裂纹，焊工应在定位焊点前中断根部焊，在完全打磨掉该定位焊点后，继续根部焊。 8.焊条应在任何时候保持干燥并存放在保温桶中，不允许焊条乱丢乱放。 9.不允许补焊。 技术措施: 摆动焊或不摆动焊： 不摆动焊接 摆动参数： —— 焊前清理和层间清理： 机械抛光 清理方法： 机械抛光 单道焊或多道焊（每面）： 双面单道焊缝 单丝焊或多丝焊：单丝焊 导电嘴至工件距离：(mm) 3～5 其他： —— 工艺标准: 焊接完成后进行外观检查，不存在咬边、气孔、裂纹和夹渣等缺陷。焊缝余高0. 8mm， 按JB473022005标准无损检测,照相质量AB级，Ⅱ级合格。 [4]焊接后板材试样：（如图示4-1（a）、（b））

（a） （b）

图4-1 2205双相不锈钢焊接后板材试样

5 热处理工艺对2205双相不锈钢各项性能的影响

5.1 金相试样的制备方法

选择以上双相不锈钢成型焊接板材中符合焊接及焊缝要求的，将焊接板材周围的焊渣及焊缝毛刺利用手工打磨机打磨平滑至要求规格。将打磨处理后的板材用数控线切割机切成10mm×10mm×8mm的小块以备后续试验选用。

金相显微试样的制备包括：取样、镶嵌、磨制、抛光、浸蚀等五个步骤。试验所用设备及材料：⑴金相显微镜；⑵砂轮机；⑶抛光机；⑷吹风机；⑸试样；⑹不同型号的砂纸；⑺玻璃板；⑻抛光粉悬浮液；⑼酒精；⑽由1体积浓硝酸与3体积浓盐酸混合而成的王水溶液；⑾棉花；⑿夹子。

(1) 取样 取样是进行金相显微分析中很重要的一个步骤，显微试样的选取应根据研究的目的，取其具有代表性的部位。本实验中是选择焊接板材中焊缝条件较好的切片，磨面时要倒角。在试样的切取过程中不宜使试样温度过于升高，

以免引起金属组织的变化，影响分析结果。

(2) 锒嵌 对于尺寸过于细小，如丝、片、带、管等形状不规则，以及有特殊需要（观察表层组织）的试样可以进行锒嵌，锒嵌方法很多，如低熔点合金的锒嵌、塑料锒嵌、环氧树脂锒嵌、夹具夹持法等。

目前一般多采用塑料锒嵌。用塑料锒试样所用塑料有：热固性，热塑性两类。前者为胶木粉或电木粉，不透明，有多种颜色（一般是黑色的），这种塑料比较硬，但抗酸、碱等腐蚀性能比较差。后者为半透明或透明，抗酸、碱等腐蚀性能好，但较软。这两种塑料锒嵌试样时，均须放入锒片机上的锒压膜内加热，其加热温度对热固性塑料为110-150℃；对热塑性塑料为140-160℃。并同时加压，其压力均为200kg/cm2，保持一定时间后，去除压力将锒嵌试样从压膜中顶出。这种锒嵌方法速度快，但须加热加压，可能使某些金相组织发生变化。如淬火马氏体组织被回火等。当试样需要观察几个面时，不能进行锒嵌。

(3) 磨制 试样的磨制一般分为粗磨与细磨。目的是为了获得平整光洁的表面。为抛光做准备。

①粗磨（磨平） 试样在磨制前，先用砂轮磨平或用锉刀锉平。磨制时，应使试样的磨面与砂轮侧面保持平行，缓缓地与砂轮接触，并均匀地对试样加适当地压力。在磨制过程中，试样应沿砂轮向往返缓慢接触，并均匀地对试样加适当地压力。在磨制过程中，试样应沿砂轮径向往返缓慢移动，避免在一处磨而使砂轮出现凹槽导致试样不平。此外，还应注意不使试样因磨制而发热。因此须不时地将试样放入冷水中冷却，保证磨面组织不致因磨制过程中温度升高而发生变化。

试样磨面一般要倒角，并将其磨面棱角去掉（须保留棱角地，如渗碳层检验用地除外），以免细磨及抛光时撕破砂纸或刮破抛光布料。甚至造成试样从抛光机上飞出伤人。当试样表面平整后，粗磨就告完成，然后将试样用水冲洗擦干。 ②细磨 粗磨后地试样仍保留有较粗较深地磨痕，为抛光做准备，须要进行细磨，细磨是将经粗磨后地试样，在由粗到细地砂纸上进行磨光。

细磨分为手工磨和机械磨两种。手工磨是将砂纸放在玻璃板上，把试样先从较粗地砂纸开始磨，磨制方向应和砂轮地磨痕方向垂直，直至原磨痕消除为止。当前一道砂纸地磨痕全部被磨掉后，才能更换下一道较细地砂纸。更换砂纸时，

须将试样清理干净，避免将砂粒带到砂纸上，使试样划出较深滑痕。每次更换砂纸后试样地磨制方向也应做相应改变（一般转90℃），如此一次进行下去，细磨是将杀之平铺在玻璃板上，一手将试样磨面轻压在砂纸上，并向前退役进行磨削，不能来回推，模块到头，拿回来再推磨。磨制过程中应使磨面受压均匀，而且压力适中保证试样表面不发热不出生过深滑痕。直到磨面上仅有一个方向均匀磨痕为止。磨面达到抛光前地光洁度。

细磨是在一套粗细测定不同地金相砂纸上由粗到细依次序进行的。 砂纸号数：180、280、320、0、01、03、04、05

(4) 抛光 试样的抛光是最好一道磨制工序。其目的是取出试样表面上的磨痕，达到光亮而无磨痕的镜面。

试样的抛光一般分为：机械抛光，电解抛光，电解抛光和化学抛光。本次试验中的试样抛光采用机械抛光法。

①机械抛光 试样的机械抛光是在专用抛光机上进行的。抛光机的主要结构是由电动机和撕破抛光盘组成，转速300～500转/分钟。抛光盘上铺以细帆布、呢、绒、丝绸等抛光织物。抛光时在抛光盘上不断滴注抛光液，抛光液通常采用Al2O3﹑MgO或Cr2O3等细粉末（粒度约为0.3～1μ）在水中的悬浮液（每升水中加入Al2O3 5～10克）或采用由极细钻石粉制成的膏状抛光剂等。Al2O3又称刚玉，白色透明，用于粗抛和精抛。MgO白色，适用于铝、镁及其合金等软性材料的最后精抛。Cr2O3绿色，具有很高的硬度，适用于淬火后的合金钢、高速钢以及钛合金的抛光。

机械抛光就是靠极细的抛光粉于磨面产生相对磨削和滚压作用来消除磨痕。操作时将试样磨面均匀地压在旋转地抛光盘上（可先轻后重）并沿盘地边缘到中心不断作径向往复移动，抛光时间一般约3～5分钟，抛光后的试样表面应看不出任何磨痕而呈光亮的镜面。需要指出的是抛光时间不易过长，压力液不可过大，否则将会产生紊乱层而导致组织分析得出错误的结论。

抛光结束后用水冲洗试样并用棉花擦干或吹风机吹干，若只需观察金属中的各种夹杂物或铸铁中的石墨形状时，则可将试样直接置于金相显微镜下观察。 (5) 浸蚀 经抛光后的试样磨面，如果直接放在显微镜下观察时，所能看到的只是一片亮光，除某些夹杂物或石磨外，无法辨别除各种组织的组成物机器形

态特征。因此，必须使用浸蚀剂对试样表面进行“浸蚀”，才能清楚地显示出显微组织[5]。

最常用地金相组织显示方法是化学浸蚀法。化学浸蚀法的主要原理就是利用浸蚀剂对试样表面所引起的化学溶解作用或电化学作用（即微电池原理）来显示金属的组织，它们的浸蚀方式则取决于组织中组成相的性质和数量。 对于纯金属和单相合金来说浸蚀仍是一个纯化学溶解过程，由于金属及合金的晶界上原子排列混乱，并具有较高的能量，因此晶界处较为容易被浸蚀而呈现凹沟，同时由于每个晶粒原子排列的位向不同，所以各自的溶解速度各不一样，致使被浸蚀的深浅程度也有区别，在垂直光线照射下将显示处明暗不同的晶粒。 对于两相以上的合金组织来说，则浸蚀主要是一个电化学腐蚀过程，由于各组成相的成分不同，各自具有不同的电极电位，当试样浸入具有电解液作用的浸蚀剂中，就在两相之间形成无数对“微电池”，具有负电位的一相成为阴极，在正常电化学作用下不会受浸蚀而保持原有的光滑表面。当光线照射到凹凸不平的试样表面时，由于各处对光线的反射作用程度不同，在显微镜下就能观察到各种不同的组织及组成相。

浸蚀方法通常是将试样磨面浸入浸蚀剂中，也可用棉花沾上浸蚀剂擦试样表面，浸蚀时间要适当，一般使试样磨面发暗时就可停止，如果浸蚀不足，可重复浸蚀，浸蚀完毕后立即用清水冲洗，然后用棉花沾上酒精擦拭磨面并吹干，至此，金相试样的制备工作全部结束，即可在显微镜下进行组织观察和分析研究。

5.2 金相试样的热处理工艺与显微组织观察

将试样在SRJX-4-3型箱式电阻炉中加热进行热处理。一组试样在950℃，1050℃和1150℃固溶2h，然后水冷；另一组试样在1050℃固溶2h水冷后，在650℃，750℃和850℃时效处理不同时间，然后水冷。650℃时效处理时，保温时间为10 min，30 min，1h和2h；750和850℃时效处理时，保温时间为2h，4h，10h和20h。热处理后试样经200#、280#、320# 、400#、600#金相砂纸磨光后采用1μm的Al2O3抛光，在5mg FeCl3+15ml HNO3+50ml HCl+100ml H2O溶液中进行腐蚀。温度为82～89℃，时间为2～6 min。在QantLab金相分析系统上进行组织观察和定量分析。

2205不锈钢试样在不同温度时效处理后的显微组织，如图5-1所示。可以确定时效过程中在铁素体中确实发生了δ→γ+σ相变。时效温度高时σ相在δ/γ相界和δ相内同时形核、生长；温度低时则偏聚在δ/γ相界生核，然后向δ相内生长。并且σ相的形态会随着温度的不同而有所差别。温度高时，σ相易形成块状；温度低时，σ相易形成片状组织。σ相的形核位置和形态随温度的不同而变化的现象可以这样来解释，σ相的析出受Cr、Mo 的扩散行为控制。温度升高，Cr、Mo容易扩散和富集，因此易在相界和相内同时形核，同时σ相也容易聚集长大成块状。温度低时，Cr、M o的扩散系数减小，但由于晶界的扩散高于晶内的扩散系数，而且δ/γ相界面的C r、Mo比率有利于σ相的形成，所以此时主要为相界析出，形成片状组织。

（a） （b） （c）

图5-1 2205双相不锈钢不同温度时效后的显微组织

(a) 650℃保温2h; ( b ) 750℃保温2h; (c) 850℃保温2h

2205不锈钢在600℃时效不同时间后的显微组织如图5-2所示。由图5-2可以看出， σ相的含量随时效时间的延长而增加。σ相是由双相组织中δ相分解而产生的，当

时效时间足够长，最终使δ相近乎消失，即固溶组织(δ+γ)因时效最终转变为(γ+σ)的两相组织。同时在长时间的时效中，σ相会发生粗化并聚集成块状。

（a） （b） （c）

图5-2 2205双相不锈钢时效不同时间后的显微组织变化 (a) 750℃保温2h; (b) 750℃保温4h; (c) 750℃保温10h

5.3 热处理工艺对试样力学性能的影响

由表5-1看出，与1050℃固溶处理相比，经过650℃和750℃时效处理后材料的强度有明显提高，但韧性降低。时效时间一定时，材料的强度随着时效温度的升高而降低，伸长率(δ)、断面收缩率(ψ) 也随之下降；当时效温度一定时，随着时效时间的延长，材料的强度明显升高，但塑性明显降低。说明时效处理对材料产生一定的强化作用。试样进行时效处理后，组织中出现σ相，并且析出相的含量随着时效时间的延长而增加。σ相属于脆性相，硬度高，脆性大。当材料发生塑性变形时，晶界析出的脆性相阻碍铁素体相和奥氏体相的位错运动，产生平面塞积群，使位错运动困难，同时位错滑移的距离变短，表现在提高材料的变形抗力，产生一定的强化效应，同时塑性降低。随着析出相含量增加，脆性相的强化

效应增强。

650℃、750℃与850℃时效处理与1050℃固溶处理后材料的拉伸性能比较如表5-1所示。650℃*1h时效处理显著提高了材料的强度，σs、σb分别提高了17.7% 和18.2%，塑性略有降低，σ、ψ别降低了12.6%和15.8%，说明650℃时效时材料产生了强烈的强化效应。

表 5-1 2205不锈钢不同时效处理后试样的力学性能 试样编号 原始板材 1050℃固溶 650℃*1h 750℃*2h 750℃*10h 850℃*10h 屈服强度σs/MPa 660 705 746 750 771 710 抗拉强度σb/MPa 815 695 820 830 835 820 伸长率δ/% 33.0 25.5 22.4 19.8 15.5 13.1 断面收缩率/% 75.0 76.0 27.9 18.3 11.3 11.1 双相不锈钢在650℃时效时，两相组织中的α相发生调幅分解，α相分解为弥散分布的富铬的α＇和富铁的α相。富铬的α＇在纳米数量级，在α相的面析出，并与母相α相成共格关系，产生严重的共格畸变, 显著提高位错运动的摩擦阻力，阻碍位错运动，使滑移困难，因而产生强烈的强化效应，使材料的强度升高。α相中析出的富铬的α＇对组织中γ相的塑性变形却影响很小，对材料的塑性影响较小。

5.4 热处理工艺对双相不锈钢维氏硬度的影响

5.4.1 维氏硬度测量原理

维氏硬度试验是压入硬度试验之一种，其测量值用HV表示。

维氏硬度试验最初于20世纪20年代初被提出，比起其他硬度试验其优点有：硬度值与压头大小、负荷值无关；无需根据材料软硬变换压头；正方形的压痕轮廓边缘清晰，便于测量。维氏硬度被应用于所有金属，并是应用最广泛的硬度标准之一。只要被测材料质地均匀，维氏硬度试验可以用低负荷和小压痕得到可靠

的硬度值，这样能减少材料破坏，或用于薄小的试验材料。这一点上维氏硬度要优于布氏硬度。

维氏硬度试验原理基本上和布氏硬度相同，所不同的是压头用金刚石正四棱锥压头。正四棱锥两对面的夹角为136°，底面为正方形，如图5-3所示。 维氏硬度试验基本原理是将两相对面夹角为136°（两相对棱夹角为148°6＇42＂）的金刚石正四棱锥压头，在一定的试验力作用下压入试样表面，保持一定的时间后，卸除试验力，测量压痕对角线长度，如图5-4所示，以试验力除以压痕锥形表面积所得的商表示维氏硬度值。

图5-3 维氏金刚石棱锥压头 图5-4 维氏硬度试验基本原理图

5.4.2 测量方法

维氏硬度试验使用正四棱锥形的金刚石压头，其相对面夹角为136°。由于其硬度极高，金刚石压头可以用于压入几乎所有材料，而且棱锥的形状使得压痕和压头本身的大小无关。将压头用一定的负荷（试验力）压入被测材料表面。保持负荷一定时间后，卸除负荷，测量材料表面的方形压痕之对角线长度。对相互垂直的二对角线长度（l1和l2）取其算术平均值。

图5-5 左为压痕在材料表面的投影，l1和l2为压痕对角线长；

右为金刚石压头的侧面观，其相对面夹角为136°。

（a） （b）

图5-6 维氏硬度测量时棱锥形压痕

维氏硬度值的计算公式为：

F?0.102?S2Fsin?2 ( 5-1 )

HV?0.102?d2F = 负荷 (牛顿力) S = 压痕表面积 (平方毫米) α = 压头相对面夹角=136° d = 平均压痕对角线长度 (毫米)

5.4.3 实验操作步骤

(1)根据材料的性质选择试验力进行试验；

(2)根据选用的试验力，选择相适应的标准块进行校验； (3)调节试样高度，使试样表面在目镜中获得清晰成像；

(4)转动目镜，使压头位于成像的正上方；

(5)压下加载开关，在试验力的作用下，金刚石头对试样表面进行加载； (6)保持一定时间后卸载；

(7)转动目镜观察到清晰的对角线，并在目镜上读出对角线长；

(8)根据压痕对角线平均值L和A选定的试验力查GB/T4340.1-1999表读出对应的维氏 硬度值，并作好记录。实验结果如表5-2和图5-7所示。

表5-2 试验板材固溶处理前后维氏硬度值 母材硬度（HV） 测试序数 热处理前 1 2 3 4 5 130 137 135 129 132 图5-7 试验板材固溶处理前后维氏硬度值变化曲线 热处理后 121 113 106 127 122 热处理前 140 135 133 141 138 热处理后 121 143 122 126 106 热处理前 160 159 168 163 155 热处理后 143 147 156 142 157 焊缝边缘区硬度（HV） 焊缝区硬度（HV） → 母材区 ←

→ 焊缝边缘区 ←

→ 焊缝区 ←

由表5-2和图5-7所示可以看出，与固溶处理前相比，在1050℃固溶处理后，试验板材的焊缝区及焊接边缘区硬度均有明显下降。固溶处理使合金中各种相充分溶解，强化了固溶体，提高了板材的韧性，有效的消除了板材的焊接应力，从而材料的硬度值趋于下降。通过分析试验中测得的试样板材各部分的维氏硬度值可以看出，焊缝边缘区域的硬度值较焊缝区域硬度值较低一些。在理论上，焊接后板材的各项力学性能应不低于焊接前的水平，这样才能保障焊接工艺的有效性。试验中的观测数据很好的证明了这一点，焊接区域的硬度值略大于焊缝边缘区域，说明试验板材焊接工艺的有效性和焊接过程的可靠性。ER2209型不锈钢焊条很好地满足了2205双相不锈钢的焊接要求，试验的焊接工艺能够在工业焊接领域得以有效应用。

5.4.4 实验环境要求

(1)实验一般在10℃～35℃室温下进行，对于温度要求严格的实验室为23℃； (2)在稳固的基础上水平安装维氏硬度计；

(3)整个环境无振动，无腐蚀介质，相对湿度<65%。

结束语

本文以SAF2205双相不锈钢为例，对双相不锈钢及SAF2205双相不锈钢板材的焊接性能、接头力学性能、热处理工艺、显微组织结构、硬度等进行了细致的理论分析和试验研究。从试验研究过程中可以看出双相不锈钢板材的焊接工艺极为重要，良好的焊接工艺往往是保障接头力学性能的关键因素。试样焊接前后，一定要严格遵循双相不锈钢的焊接要求，焊接前要拟定清晰的焊接工艺说明书。

材料热处理前后硬度的变化与固溶和人工时效时金相的变化有关。在时效过程中铁素体会发生δ→γ+σ相变。时效温度高时σ相在δ/γ相界和δ相内同时形核、生长；温度低时则偏聚在δ/γ相界生核，然后向δ相内生长。并且σ相的形态会随着温度的不同而有所差别。温度高时，σ相易形成块状，此时材料硬度提高；温度低时，σ相易形成片状组织，此时材料硬度下降。温度低时，Cr、M o的扩散系数减小，但由于晶界的扩散高于晶内的扩散系数，而且δ/γ相界面的C r、Mo比率有利于σ相的形成，所以此时主要为相界析出，形成片状组织。

与1050℃固溶处理相比，时效处理后材料的强度有明显提高，但韧性降低。时效时间一定时，材料的强度随着时效温度的升高而降低，伸长率(δ)、断面收缩率(ψ) 也随之下降；当时效温度一定时，随着时效时间的延长，材料的强度明显升高，但塑性明显降低。说明时效处理对材料产生一定的强化作用。同时在1050℃固溶处理后，试样材料的硬度也趋于下降。说明固溶处理过程很好地消除了焊接时的热应力影响，固溶处理强化了固溶体，提高了板材的韧性。这些对双相不锈钢在工业生产的不同领域的应用提供了良好的指导作用。

在试验过程中通过对试样板材的研究分析发现部分试样板材也存在着以下问题：焊接出现热裂纹和冷裂纹、应力腐蚀、点蚀，固溶热处理后出现δ相脆化现象。综合实验测量数据和金相图片可以解释以上焊接和热处理缺陷。

(1)焊接裂纹的出现是因为焊接母材中Si、C、P等元素含量偏高，由于这些杂质的存在，焊缝金属在结晶后期抗裂纹能力下降，同时在热变形的拉应力作用

下使焊缝金属在结晶后期出现开裂。这些裂纹可以通过焊后不同的热处理以消除残余应力得到很好解决。

(2) 应力腐蚀、点蚀的出现主要与选择的焊条有关。由于不锈钢焊接时一般要求焊条与母材元素接近，但焊条与母材总存在一定的差异，所以在焊接时由于不同元素的从新分配就会在焊缝边缘出现一定程度的应力腐蚀和点蚀。合理选择焊条，尽可能保证焊条与母材元素的一致性可以减轻腐蚀的出现。

(3) δ相脆化现象在工业应用中也应极力避免，这往往是危害双相不锈钢使用安全的首要因素。双相不锈钢在400-850℃长时间受热时会形成一种Fe-Cr金属间化合物，是一种既脆又硬的相，这会使不锈钢的强度降低。δ相脆化主要与母材中的Cr含量有关，当Cr含量高时，容易产生。而双相不锈钢的Cr含量一般较高所以在400-850℃温度范围是极易出现脆化现象。为了减轻δ相脆化现象，在不锈钢原料生产过程中应尽力避免在脆化温度范围内进行热处理操作，或缩短该温度范围内的热处理时间。

双相不锈钢与奥氏体不锈钢相比，在抗晶间腐蚀、点蚀、间隙腐蚀，特别是抗氯化物导致的应力腐蚀开裂方面具有绝对的优势，而且具有良好的力学性能，应用前景广阔。从国内外多种研究中可以看出，双相不锈钢正在被广泛的应用于工业生产的诸多领域。随着双相不锈钢应用的不断增长，双相不锈钢的生产工艺、焊接技术、热处理等工艺技术也在持续的发展中。在双相不锈钢发展动向中值得关注的是低合金含锰双相不锈钢的开发。近十年来有关国家如美国、南非等研究以锰代镍双相不锈钢的开发，近年瑞典开发的低锰低镍双相不锈钢则比较成熟，目标明确，为了节镍以取代用途很广的304，甚至能代替价格与304相当，但使用并不广的2304双相不锈钢，有实际推广的价值[12]。随着双相不锈钢的发展和应用，新型双相不锈钢的开发，我们相信双相不锈钢的价值会越来越凸显出来，也必将为工业生产提供强有力的保障。

致 谢

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