低成本不锈钢产品开发及生产中的若干技术问题浅析

不锈钢具有优良的耐蚀性能、力学性能、工艺性能，且在较大的工作温度范围(零下269摄氏度~1050摄氏度)具有高度化学稳定性，适于制造要求耐腐蚀、抗氧化、耐高温和超低温的零部件和设备，广泛应用于石油、化工、电力、仪表、食品、医疗、航空、航海及核能等领域。

不锈钢按金相组织可分为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、双相不锈钢（铁素体+奥氏体不锈钢）、沉淀硬化不锈钢等5种。其中，奥氏体不锈钢应用较广，占比约为70%。此外，双相不锈钢因兼具两种不锈钢的优点，应用范围逐渐扩大，发展潜力巨大。

普通奥氏体不锈钢性能的控制取决于需求市场的适应性

C（碳）+N（氮）共控是当今普通奥氏体不锈钢生产发展的主导趋势。因含C量较高，304钢和316钢耐蚀性和焊接性都不理想，存在敏化问题，成为其扩大市场适应性的障碍。304L钢和316L钢当含C量降到0.030%以下时，虽然克服了敏化问题，但是出现了强度可能较低的问题。适当增加少量的N，可以克服上述两个钢种的缺点，即变种为304L(N)/316L(N)钢，可取代304/316钢。目前，316L(N)钢管在不锈钢焊管的应用中具有绝对优势，不锈钢无缝钢管产品全部采用316L(N)钢管，完全取代了316钢管。这说明C+N共控是当前普通奥氏体不锈钢管适应市场发展的趋势。

分析来看，304L(N)/316L(N)之所以能取代304/316，还在于其经济性。304L(N)和316L(N)等钢种的标准所规定的最低Cr（铬）和Ni含量供货值(如含Ni下限为10%)实现了这些钢种成分的低配优化，从而最大限度地节省了Ni等稀缺合金用料，降低了成本，成为经济性钢种。但有一个例外，304不锈钢管的生产量仍远高于304L(N)，这是因为304不锈钢管生产成本低于304L(N)钢管。可见，经济性在主导市场需求。

此外，需关注下耐蚀性。304钢是最基本的奥氏体不锈钢种，主要应用于耐蚀性要求不太高的大气或者洁净水环境等结构防腐，强度仍是设计者考虑的重要因素，因而不选择304L。在油气田腐蚀环境条件下，有文献说，304系列广泛应用于高氯离子环境，316L系列是高二氧化碳环境的首选材料，Incoloy系列镍基合金材料是高硫化氢环境的首选材料。含Mo（钼）的316系列钢，如316L具有较高耐点蚀性，是含氯化物液体环境及对抗敏化等耐蚀性要求高的环境下的经济性(基本)选材。有专家认为，304L钢不具备耐海水腐蚀性能。

从具体案例来看，国内某新建600兆瓦超超临界机组使用国产的凝汽器不锈钢焊管的材质为TP304L，在冷却水试验时，产生腐蚀泄漏。似乎验证了前述304L钢不具备耐海洋腐蚀的性能。然而，该企业从德国进口的TP304L不锈钢焊管却没有出现腐蚀泄漏。经对比分析发现，从德国进口的TP304L不锈钢焊管W(Mo)=0.25%，远高于国产TP304L不锈钢焊管W(Mo)=0.07%。此外，从德国进口的TP304L不锈钢焊管W(P)=0.028%，远低于国产TP304L不锈钢焊管W(P)=0.042%，只有国产TP304L不锈钢W(P)的2/3。具体数据见表1。据文献报道，Mo是提高不锈钢在含氯离子介质中耐缝隙腐蚀和点蚀的有效元素，而P能增加不锈钢的氯脆趋势。

由此可得出3点启示。一是不能只看304L不锈钢的钢号，要看其具体化学成分。二是不锈钢管产品市场具有规格品种多、批量小的特点，生产线的工艺配置建议以短流程、中型规格电炉冶炼为最佳。三是不锈钢钢管生产企业要具备技术开发能力，即同一钢号能根据市场需求而调整钢种成分。

双相不锈钢因抗腐蚀性能优异而得到广泛应用

由于奥氏体不锈钢在抗腐蚀环境中的性能还存在局限，双相不锈钢便应运而生。双相不锈钢是基于石油化工行业中强酸强碱易造成局部点蚀、应力腐蚀及孔隙腐蚀等情况，采用奥氏体钢难以胜任而研制开发的。双相不锈钢具有很强的耐腐蚀性(应力腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀等)及较高强度和韧性，在海洋工程、化工电力等领域得到广泛应用，并在代替奥氏体钢上具有性能与价格的双重优势。

双相不锈钢是指含有奥氏体相及铁素体相的钢种，兼有二种的优点：奥氏体降低了高Cr铁素体的脆性，又保持了优良的韧性；铁素体提高了奥氏体的屈服强度，又有抗腐蚀能力。一般应保证铁素体相及奥氏体相的体积分数都大于35%，两相均含有超12%的Cr，从而具有优良的耐腐蚀及力学性能。奥氏体(面心立方晶格Fcc)不锈钢是无磁性的，而铁素体(体心立方晶格Bcc)不锈钢是有磁性的。要注意到，奥氏体不锈钢冶炼、轧制后期的相变产物会含有少量(约≤8%)的铁素体；奥氏体不锈钢焊管焊缝区含铁素体可达5%~7%，但这并不构成双相不锈钢。又由于存在少量铁素体，虽有磁性，但并不是铁素体钢管。

从双相不锈钢发展阶段来看，相比奥氏体不锈钢，第一代双相不锈钢在耐腐能力（特别是耐应力腐蚀开裂）和力学性能上优势很强。第二代双相不锈钢含有氮(N)，增加了价格优势。第三代双相不锈钢性能和经济性更优，如超级双相不锈钢SAF2507与254SMo相比，几乎具有同样的耐点蚀和缝隙腐蚀能力，但是SAF2507的强度是254SMo的2倍，价格比254SMo低得多。最常用的双相不锈钢SAF2205，其耐点蚀和缝隙腐蚀能力与高合金奥氏体不锈钢904L处同一水平，但其强度是同系列奥氏体不锈钢的2倍。在相同工况下，使用双相不锈钢与相同耐腐蚀能力的奥氏体不锈钢相比，可以节约35%~40%的材料。双相不锈钢发展各阶段的部分牌号见表2。

双相不锈钢根据其合金成分和性能可分为经济节约型(低合金)双相不锈钢(2101、2304)、标准双相不锈钢(2205)及超级双相不锈钢(2507)。

经济节约型双相不锈钢采用“以Mn（锰）、N代替Ni”的合金设计理念，减少了贵金属Ni的用量，大大地降低了合金成本。但是，由于以Mn、N代替Ni会降低不锈钢中奥氏体的稳定性，使奥氏体呈亚稳态，而亚稳态奥氏体在塑性变形过程中会发生形变诱导马氏体相变，形成相变诱导性塑性效应，从而显著提高材料的塑性。以2304为起点，以2101为代表的低Ni-Mo经济性双相不锈钢于近10多年来在欧美引起广泛重视，美标中该类钢种已超过10种，如制造厚璧焊管的钢种已有5种，即S32304、S32002、S32202、S81921和S82121。Ni和Mo含量极低的经济性S32101钢在透气差的酸性或中性海洋泥土环境中耐腐蚀性亦优于或等同于316L、304L及2205钢种。

标准双相不锈钢是中合金双相不锈钢W(Cr)=22%的代表品种，组织中铁素体和奥氏体各占约50%，在零下50摄氏度~280摄氏度范围内具有优良的耐蚀性能、力学性能、加工性能和焊接性能，是目前应用最普遍的双相不锈钢。2004年，我国2205双相不锈钢消费量为5226吨，在全球占比为1/3；全球双相不锈钢总产量的80%为2205双相不锈钢。研究表明，2205双相不锈钢在含氯化物环境中的耐点蚀性能优于18-5Mo型双相不锈钢，更优于316L奥氏体不锈钢；耐缝隙腐蚀能力优于00Cr18Ni5Mo3Si2不锈钢，与316L奥氏体不锈钢耐蚀能力相当，比一般钢具有更高的SSCC（硫化物应力腐蚀开裂）下限应力值。在中性氯化物溶液和硫化物中，2205双相不锈钢耐应力腐蚀性能优于304L和316L奥氏体不锈钢及18-5Mo型双相不锈钢。

2205双相不锈钢含有N，高温加热后仍保留有大量的奥氏体相(1250摄氏度时为30%~40%)，焊接高温热影响区冷却时会沿铁素体相晶界由铁素体相快速转变为奥氏体相，这两种相结构降低了钢的晶间腐蚀倾向，使钢具有良好的耐晶间腐蚀性能。

2205双相不锈钢在固溶状态(1020摄氏度~1100摄氏度水冷)下铁素体含量为40%~50%，随着温度的升高，铁素体含量逐渐增加，且晶粒成轴状，至1300摄氏度时仍保留一定量的奥氏体相；在350摄氏度~975摄氏度加热后有铁素体相等第二相粒子的析出。因此，在2205双相不锈钢复合板的使用加工中应避免第二相的析出，最佳使用温度≤280摄氏度。

2205双相不锈钢具有较高的屈服强度，冷加工及冷成型性能较奥氏体不锈钢低，一般冷成型超过10%，需要固溶退火处理。热成型如热弯管应在温度范围内进行，低于950摄氏度会进入铁素体相脆性范围，热成型后应进行固溶退火处理。固溶退火处理为1020摄氏度~1100摄氏度，加热快冷，使铁素体和奥氏体的比例达到1∶1。

超级双相不锈钢的常用牌号包括S32750、S32760、S39295/S32950(S39295商品牌号为7Moplus，早期的UNS为S32950)。其中，S32760是在超级双相不锈钢S32750基础上加W（钨）和Cu合金化而成的一种高合金的超级双相不锈钢，使用状态下的铁素体和奥氏体最佳比例为1∶1，使S32760具有比奥氏体不锈钢更低的热膨胀系数和更高的热导率，它的孔蚀系数大于40，具有优异的含氯离子及酸性介质环境下的耐应力腐蚀开裂能力、良好的耐氯离子点蚀及缝隙腐蚀能力、耐冲刷腐蚀及腐蚀疲劳力学性能优异、焊接性能良好等特点，主要应用于石油天然气、化工、航海船舶等领域。

此外，需注意的是，475摄氏度脆化限定了铁素体不锈钢钢管、双相不锈钢钢管等常用双相不锈钢，以及S32750、S32760、S32950等超级双相不锈钢在280摄氏度以下温度服役。然而，近期研究揭示，280摄氏度~500摄氏度短时时效并不损害双相不锈钢铁素体区的耐蚀性，这种称为亚稳界分解热处理的工艺，可能成为既达到强化又优化耐蚀性的附加热处理方法。

总的来看，根据“C+N”的冶金原理，304L(N)/316L(N)及双相不锈钢实现Cr、Ni、Mo稀缺资源的低配优化，节省了Cr、Ni等材料的用量，降低了成本，提高了质量。在我国不锈钢资源严苛条件的约束下，低成本不锈钢产品的开发和应用、推广及规模化十分重要，不锈钢产业结构调整要着力于资源配置效率最优化和效益最大化。

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