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对双相不锈钢的一些了解

中国铸造协会 李传栻

含Cr18%左右、含Ni8%左右的不锈钢（18-8铬镍不锈钢），通常称之为奥氏体不锈钢。实际上这种钢的组织中并不完全是奥氏体，都含有一定量的铁素体，铁素体所占的体积分数，决定于不锈钢的实际化学成分，约在5%～20%之间。

这里所说的双相不锈钢钢，与其不同之处是铁素体含量高得多，约占50％左右。

铸造双相不锈钢的开发和应用，按正式的记载，最早开始于上世纪50年代。当时，为了寻求一种耐蚀性能不低于18-8铬镍不锈钢、而强度更高的铸造不锈钢，美国合金铸造学会（ACI）支持并资助了这项研究课题，研究的结果是创立了牌号为CD-4MCu的铸造双相不锈钢，并于1959年列为标准牌号，其化学成分（质量分数，%）是：

C Si Mn Cr Ni Mo Cu P S

≤0.04 ≤1.0 ≤1.0 24.5～26.5 4.75～6.00 1.75～2.25 2.75～3.25 ≤0.04 ≤ 0.04

CD4MCu双相不锈钢中铁素体含量高，且含有铜和钼，与奥氏体不锈钢相比，抗晶间腐蚀、点腐蚀性能都比较好，抗氯化物应力腐蚀的能力有很大改善，尤适于制造在海水中作业的铸件。同时，CD4MCu的力学性能也优于奥氏体不锈钢,屈服强度是18-8不锈钢的二倍以上。

但是，这种双相不锈钢中，有几种导致脆性的因素，作为一种铸造用钢，在用以制造厚壁铸件、或壁厚差别较大的铸件时，在浇注后的冷却过程中、铸件焊修时、热处理过程中、以及铸件长时间在320℃以上作业时，铸件都易于产生裂纹。

因此，尽管CD4MCu不锈钢有很多优点，但作为一项良好的铸造钢种，却一直存在着争议。针对这些问题，在合金成分的改进、各项工艺参数的优化方面，都有不少同行进行了大量的研究工作。

为了适应各种工况条件对铸件质量的要求，双相不锈钢当然不能只局限于CD4MCu一种，因而，通过适当调整成分的组配，不断增加了新的品种。

要特别强调的是：双相不锈钢中增加一定的氮含量，在很多方面都会使钢的性能大幅度改善，几十年来，已为很多研究工作的结果所确认。这一点，目前已成为世界各国铸钢行业的共识。

我国标准GB/T 2100-2002和国际标准ISO 11927∶1998中都列有两种含氮的双相不锈钢牌号；欧洲标准EN 10283∶1998中6种双相不锈钢牌号，都含有氮；日本标准JIS5121∶2003中也有两种含的氮双相不锈钢牌号。

一、双相不锈钢的牌号和规格 1、美国ASTM标准中规定的牌号

美国是最早将CD4MCu列入标准的国家，早期美国ASTM标准体系中，ASTM A351、ASTM A743和ASTM A744等3项标准中都只列有CD4MCu牌号，后来又增加了含氮的牌号CD4MCuN。但是，90年代以后，ASTM又专为双相不锈钢制订了两项标准，即ASTM A890和ASTM A995。此后，ASTM A351、ASTM A743和ASTM A744

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等标准中就不再列双相不锈钢的牌号。

A890标准中共列有8个牌号。其中，虽然仍然保留了CD4MCu，看来其作用只在于记载历史的传承，并不推荐采用。美国铸钢学会编写的《铸钢手册》中，就特别说明：“虽然ASTM A890标准中列有CD4MCu的牌号，但我们强烈地建议用CD4MCuN将其代替”。该标准中其余7项牌号，都是含氮的钢种。

ASTM A890标准中规定的8项双相不锈钢的牌号和相应的ACI牌号见表1。 ASTM A995标准中所列的都是用于制造承压件的双相不锈钢，共规定了6项牌号（1B、2A、3A、4A、5A和6A），都见于ASTM A890。

表1 ASTM A890标准规定的牌号和美国合金铸造学会（ACI）对应的牌号 ASTM A8901A 牌号 ACI牌号 CD4MCu 1B CD4MCuN 1C CD3MCuN 2A CE8MN 3A CD6MN 4A CD3MN 5A CE3MN 6A CD3MWCuN 各牌号钢的化学成分见表2，其中：CE-3MN钢中钼含量高，CD-3MWCuN钢中钼含量较高、而且加有钨，往往称之为‘超级双相不锈钢’，其特点是抗点腐蚀指数高于40。

各牌号双相不锈钢钢的力学性能要求见表3。 表2 双相不锈钢的牌号和化学成分（未规定范围者为上限值） （质量分数，%） ACI牌W N C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu 号 CD4MCu 0.01.1.0.00.024.5/24.75/61.75/22.7/3－ － 4 0 0 4 4 6.5 .0 .25 .3 CD4MCu0.01.1.0.00.024.5/24.7/6.1.70/22.7/3－ 0.10/0N 4 0 0 4 4 6.5 0 .30 .3 .25 CD3MCu0.01.1.0.00.024.0/25.6/6.2.90/31.4/1－ 0.22/0N 3 2 1 3 3 6.7 7 .80 .9 .33 CD8MN 0.01.1.0.00.022.5/28.0/113.30/4－ － 0.10/08 0 5 4 4 5.5 .0 .50 .30 CD6MN 0.01.1.0.00.024.0/24.0/6.1.75/2－ － 0.15/06 0 0 4 4 7.0 0 .50 .25 CD3MN 0.01.1.0.00.021.0/24.5/6.2.50/3≤1.0 － 0.10/03 5 0 4 2 3,5 5 .50 .30 CE3MN 0.01.1.0.00.024.0/26.0/8.4.0/5.－ － 0.10/03 5 0 4 4 6.0 0 0 .30 CD3MWC0.01.1.0.00.024.0/26.5/8.3.0/4.0.5/10.5/10.20/0uN 3 0 0 3 25 6.0 5 0 .0 .0 .30 表3 双相不锈钢的牌号和力学性能要求（最低值） ACI牌号 CD4MCD4MCCD3MCCE8MCCD6CD3CE3CD3MWCCu uN uN uN MN MN MN uN 抗拉强度，690 690 690 655 655 620 690 690

2

MPa 屈服强度，485 MPa 伸长率，% 16 485 16 450 25 450 25 485 415 515 25 25 18 450 25 2、我国标准GB/T 2100-2002和ISO ISO 11927∶1998标准中规定的牌号 我国标准GB/T 2100-2002是等效采用国际标准ISO 11927∶1998制定的，其中列有两种双相不锈钢牌号：ZG03Cr26Ni5Mo3N（ISO 11972∶1998(E)中对应牌号为GX2CrNiMoN26 53）和ZG03Cr26Ni5Cu3Mo3N （ISO 11972∶1998(E)中对应牌号为GX2CrNiCuMoN26 533）。

牌号ZG03Cr26Ni5Mo3N的化学成分要求如下：

C Si Mn P S Cr Mo Ni N

≤0.03 ≤1.0 ≤1.5 ≤0.035 ≤0.025 25.0～27.0 2.5～3.5 4.5～6.5 0.12～0.25

牌号为ZG03Cr26Ni5Cu3Mo3N的双相钢，除规定应含Cu 2.4～3.5％外，其它成分与牌号ZG03Cr26Ni5Mo3N完全相同。

ZG03Cr26Ni5Mo3N和ZG03Cr26Ni5Cu3Mo3N两牌号钢的力学性能要求相同，如下：

屈服强度σ0.2 （MPa） 抗拉强度σb （MPa） 伸长率δ （％） 冲击吸收AKV (J)

≥450 ≥650 ≥18

≥50

3、欧洲标准EN 10283∶1998中规定的牌号

欧洲标准EN 10283∶1998中列有6种双向不锈钢的牌号，都含有氮，化学成分见表4，力学性能要求见表5.

4、日本标准JIS 5121∶2003中规定的牌号

日本JIS 5121∶2003标准中规定了两个双相不锈钢牌号，其中： 牌号SC33与我国的ZG03Cr26Ni5Mo3N完全相同。

牌号SC32的化学成分和力学性能要求基本上都与我国的ZG03Cr26Ni5Cu3Mo3N相同，只是Cu含量的规定范围为0.25～0.35％，稍有差异。 表4 EN 10283∶1998中双相不锈钢的化学成分（未给出范围者为最大值） （％） 牌号 C SMP S Cr Mo Ni N Cu W i n GX6CrNN26-7 0.0110.00.025.0/－ 5.5/0.10/－ － 8 ..35 20 27.0 7.5 0.20 5 5 Gx2CrNiMoN220.0120.00.021.0/2.5/4.5/0.12/－ － -5-3 3 ..35 25 23.0 3.5 6.5 0.20 0 0 GX2CrNiMoN250.0120.00.024.5/2.5/5.5/0.12/－ －

3

-6-3 GX2CrNiMoCuN25-6-3-3 GX2CrNiMoN25-7-3 GX2CrNiMoN26-7-4 3 0.03 0.03 0.03 .0 1.0 1.0 1.0 .0 1.5 1.5 2.0 35 25 26.5 3.5 7.0 0.25 － 0.00.024.5/2.5/5.5/0.12/2.75/35 25 26.5 3.5 7.0 0.22 3.50 0.00.024.0/3.0/6.0/0.15/30 20 26.0 4.0 8.5 0.25 0.00.025.0/3.0/6.0/0.12/35 25 27.0 5.0 8.0 0.22 1.0 － 1.0 1.0 表5 EN 10283∶1998标准中双相不锈钢的力学性能要求（最低值） 牌号 屈服强度σ0.2抗拉强度σb伸长率δ冲击吸收功（MPa） （MPa） （％） KV（J） GX6CrNN26-7 420 590 20 30 Gx2CrNiMoN22-5-420 600 20 30 3 GX2CrNiMoN25-6-480 650 22 50 3 GX2CrNiMoCuN25-480 650 22 50 6-3-3 GX2CrNiMoN25-7-480 650 22 50 3 GX2CrNiMoN26-7-480 650 22 50 4 二、双相不锈钢的组织特点

为了了解双相不锈钢的微观组织，有必要参照成分近似的合金相图。考虑到常用双相不锈钢的主要合金元素是Cr（含量约为25%）和Ni（含量约为5%），因而，先不考虑其它合金元素的作用，选取Fe-Cr-Ni三元合金相图中Fe含量为70%的截面的一部分列于图1，作为了解双相不锈钢的基础。

图1 Fe-Cr-Ni三元合金相图中Fe含量为70%的部分截面 （深暗色部位表示δ-铁素体向奥氏体γ转变区；L表示液相）

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由图1可见，这种钢固相线和液相线之间的间距很窄。液相中首先晶出的是δ-铁素体，如果镍含量低于3.5％，也不加入其它稳定奥氏体的元素，凝固时晶出的固相全部是δ-铁素体。含Ni 5～7％的双相不锈钢，如果不含氮，则δ-铁素体和奥氏体的含量大致相当，都在50％左右。奥氏体的特点是韧性好；δ-铁素体硬度较高，有助于改善力学性能和可焊性。

图1中深暗色的部位，是δ-铁素体向奥氏体转变的区域，奥氏体晶粒是在δ-铁素体中析出的，只与铁素体连接，不与其它奥氏体晶粒连接，因而，不易在晶界上形成贫铬层，所以具有良好的抗晶间腐蚀能力。

双相不锈钢的组织主要由δ-铁素体和奥氏体组成。加入的其他合金元素，就可能影响δ-铁素体的数量、形态和分布状况。

常用的双相不锈钢，碳含量都比较低，只有少量碳化物分布在基体中，在放大倍率不高的条件下难以察觉，但是，为了保证耐蚀性能，铸件还是应该经固溶处理，使其溶于基体。

厚壁铸件的凝固速率低于薄壁铸件，但是，在成分一定的条件下，这种凝固速率的差异对δ-铁素体的数量、形态和分布状况的影响并不太大。凝固后的冷却速率以及此后的固溶处理，对组织的影响也不明显。

波兰矿业冶金大学对双相不锈钢所作的试验研究工作，很能说明凝固速率对双相不锈钢组织的影响。

试验所用的钢是氮含量较低的双相不锈钢（C 0.02%、Si 1.94%、Mn 1.7%、Cr 21.7%、Ni 5.67%、Mo 1.8%、Cu 1.3%、N 0.14%），由砂型铸造工艺制成3级阶梯试样（厚度分别为20、40和120㎜），试样不同截面处的铸态组织见图2。

图2 阶梯试样不同厚度处 的铸态组织×100 a、厚度20㎜；b、厚度40㎜； c、厚度120㎜

（明亮处是奥氏体，暗黑处是δ-铁

素体）

图2可见，不同截面处δ-铁素体所占的体积分数差别不大，奥氏体的形态

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