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什么是超级不锈钢

一、超级不锈钢的基本概念


1、超级不锈钢的涵义


20 世纪末,国内外都试制了不锈钢的“超级”牌号。不同文献对超级不锈钢的定义不一,有的文献认为,高性能不锈钢也称超级不锈钢;有的文献认为,高合金不锈钢称为超级不锈钢;有的文献认为:超级不锈钢也包括高性能的、有特殊要求的一些合金含量较低的不锈钢,如超级304H 铬镍奥氏体不锈钢等;有的文献认为,超级不锈钢指耐点蚀当量PREN 值≥35(铁素体不锈钢)或≥40(奥氏体不锈钢和双相不锈钢)的高合金化高性能不锈钢;有的文献进一步认为,超级不锈钢还应包括超高洁净度、超高均匀性、特细组织、特高表面质量、优异的耐苛刻介质局部腐蚀性能、良好的工艺制造性能等涵义。


2、超级不锈钢的共同特点


■具有比四大类不锈钢更精细的特殊成份设计;

■具有超高结净度;

■具有超高均匀性(成份、组织和性能);

■具有在苛刻环境中比四大类不锈钢更优异的性能;

■具有良好的工艺制造性能;

■具有高的性价比;


3、超级不锈钢的界定


■超级不锈钢是不锈钢中的一类,即Cr含量为12-30%的铁基合金中的一类,超级不锈钢中必含12%以上的Cr,但Cr含量通常≤30%;

■超级不锈钢不属于铁镍基耐蚀合金,因铁镍基耐蚀合金的含Ni 量>30%,Ni+Fe≥50%;所以对含Ni的超级不锈钢而言,含Ni量一定≤30%;

■超级不锈钢在苛刻环境中必须具有更优异的性能,如抗点蚀等局部腐蚀性能,以耐点蚀当量PREN=%Cr+3.3(%Mo)+16(%N)来表征。通常超级奥氏体不锈钢和超级双相不锈钢的PREN 应≥40,超级铁素体不锈钢的PREN 应≥35。对于特殊使用要求的超级不锈钢必须在关键性能的薄弱环节上有异常突破,如超级马氏体不锈钢必须是可焊接的“软马氏体不锈钢”;超级高温级奥氏体不锈钢必须突破600℃以上、300bar应力的蠕变问题等。


二、超级不锈钢的基本类型


超级不锈钢从不锈钢的四大基础类型出发,亦可分为:


超级奥氏体不锈钢、

超级铁素体不锈钢、

超级双相不锈钢

超级马氏体不锈钢四个大类。


超级马氏体不锈钢




显微组织


超级马氏体不锈钢典型的基体金属显微组织为回火马氏体。这种低碳回火马氏体组织具有很高的强度和韧性。根据含镍量的不同、热处理条件的差异,一些牌号的超级马氏体不锈钢基体显微组织中可能会出现10%~40%的细小弥散状残留奥氏体。对于含铬16%等级的超级马氏体不锈钢,显微组织中可能出现少量的δ铁素体。为了获得理想的细晶粒回火马氏体,在钢板交货之前一般都经过淬火加回火处理。




机械性能


超级马氏体不锈钢不仅具有较好的耐腐蚀性、可焊接性,而且具有强度高和低温韧性好的特点。典型的机械性如下:


延伸率大于12%




焊接性能


马氏体不锈钢含铬13%,由于铁素体晶粒在焊接过程中粗化和硬化,而使其可焊性很差。以往,这类不锈钢的用途严格限制于非焊接零件的安装。经过冶炼工艺的不断改进,降低了马氏体不锈钢中的碳、氮、硫含量,又增加了一定量的镍(最高含量达6.5%)和钼(最高含量2.5%),从而开发出了超级马氏体不锈钢。这种材料在加工制造过程中又采取了特殊的工艺措施,使得新的超级马氏体不锈钢的焊接性能大大超过了传统的马氏体不锈钢。


超级马氏体不锈钢的焊接可以采用人们熟悉的焊接工艺,诸如气体保护金属极电弧焊(GMAW或SMAW),气体保护钨电弧焊(GTAW)。埋弧焊(SAW)和励磁线圈电弧焊(FAW)。对于环缝焊接可以使用GTSW、GMAW和SAW,直缝焊大多数使用SAW。但是,激光焊和电子束焊也非常有吸引力。激光焊对生产直缝焊管是一种经济的焊接方法。由于冷却速度快,在焊缝中可以获得全马氏体显微组织,从而得到很好的韧性和满意的耐蚀性。




耐蚀性能


超级马氏体不锈钢由于含碳量低,相当于提高了基体金属中含铬量的比例,所以耐腐蚀性好。


对于弱酸性腐蚀环境,超马氏体不锈钢有取代其它耐蚀合金的趋势。但是,在高温和有二氧化碳存在的腐蚀条件下,会产生一般腐蚀和局部腐蚀,在二氧化碳和硫化氢同时存在的腐蚀条件下,必须考虑在室温下产生的应力腐蚀裂纹和在高温下产生的局部腐蚀和一般腐蚀。根据腐蚀条件的不同(如CO2或CO2+H2S),开发了不同牌号的超马氏体不锈钢(含钼或不含钼)。这种超13Cr不锈钢已成功地应用于北海地区的Gullfaks油田和Asgard油田。




应用前景


超级马氏体不锈钢除具有传统马氏体不锈钢的特点,可以应用于泵、压缩机、阀门及其它机加工用途外,超级马氏体不锈钢的海洋用管也开发成功,满足了海上石油天然气公司对工艺用无缝管和输送管道的要求,成为海洋用钢的新成员。


荷兰的NAM石油天然公司决定对他们位于荷兰北部格罗宁根的天然气田的湿天然气处理设施进行现代化改造,包括对30个球罐进行大修和对所有输送管道的更换,新选用的材料全部是超级马氏体13Cr不锈钢。


阿曼的液态天然气工程需要铺设几十公里长的输送管线,也采用的是超级马氏体不锈钢。


此外,超级马氏体不锈钢在水力发电、采矿设备、化工设备、食品工业、交通运输及高温纸浆生产设备等也极具应用潜力。


经济性


在超级马氏体不锈钢取得成功之前,对许多应用不锈钢的领域,特别是含二氧化碳,或者含二氧化碳和硫化氢腐蚀介质的环境,往往使用双相不锈钢,一些特殊部件甚至要求使用超双相不锈钢。之后,人们越来越多地用超级马氏体不锈钢来部分取代双相不锈钢和超双相不锈钢,这除了超马氏体不锈钢在某些腐蚀环境下仍具有强度高、耐蚀性好以及-40℃的冲击韧性好之外,更主要的原因是超氏体不锈钢比双相不锈钢更经济。


首先,在重量相等、耐腐蚀性相当的前提下,采用超13Cr不锈钢比采用双相不锈钢便宜大约30%。


其次,超13Cr不锈钢的强度比双相不锈钢高得多,所以,用超13Cr不锈钢制作的零部件(如三通、弯头、输送管和支管)的壁厚可以减薄,成本降低10%~15%。总计下来,超13Cr不锈钢与双相不锈钢相比较,总成本降低35%~40%。这样大幅度的成本降低,使得人们不能忽略它在竞争日益激烈的工业,如石油天然气工业上的应用。




超级奥氏体




发展历史


超级奥氏体不锈钢的概念是与超级铁素体不锈钢及超级双相不锈钢一起出现的。典型的例子为含6%钼和7%钼的超级奥氏体不锈钢。这些钢种都是针对一些工况条件苛刻的工业,如石化,化工,造纸和海上系统等等而开发出来的。


奥氏体不锈钢管中著名的牌号有18-8(日常18-10 或 19-9)型的304不锈钢(中国为00Cr19Ni10)和18-12-2的316(0Cr17Ni12Mo2)。为了解决奥氏体不锈钢焊后因铬碳化物析出所导致的铬贫化而引起的晶间腐蚀敏感性,早期是加入碳化物稳定化元素钛和铌,20世纪60年代后期,AOD和VOD等炉外精炼工艺技术的问世,降低了钢中碳量到≤0.03%,解决了奥氏体不锈钢敏化态(焊后)晶间腐蚀的敏感性,提高了钢中的纯净度,也解决了钢的固溶态晶间腐蚀的敏感性。因此,自20世纪80年代以来,所开发的新奥氏体不锈钢基本上都是超低碳型的。


为了适应现代工业发展中的耐苛刻介质全面腐蚀的需求,在304、316等不锈钢管基础上提高钢的铬、镍、钼含量,以及加入铜、硅等元素或降低杂质元素的残余量,又发展了许多高合金的新牌号,例如含约4.5%Mo的317LM(00Cr18Ni16Mo5)和904L不锈钢(00Cr20Ni25Mo4.5Cu)以及尿素级、硝酸级、核级、食品级等类型的奥氏体不锈钢管。根据1962~1997年间对不锈钢管大量腐蚀破坏形态的统计,可以看出,1962~1971年间全面腐蚀和晶间腐蚀已大量减少,而1962年起到1997年,应力腐蚀、点腐蚀、间隙腐蚀以及腐蚀疲劳等局部腐蚀在腐蚀破坏中仍占有相对高的比例。其中点蚀和缝隙腐蚀仍占20%以上,应力腐蚀和腐蚀疲劳仍占10%以上。通过研究,人们已经了解到提高奥氏体不锈钢管中的镍量可以显著提高钢的耐应力腐蚀性能,提高铬、钼量可以显著提高钢的耐点蚀和耐缝隙腐蚀的性能,而刚的应力腐蚀和腐蚀疲劳通常都是有点蚀和缝隙腐蚀为起源,因此,人们开始关注耐点蚀、耐缝隙腐蚀性能优良的高合金奥氏体不锈钢的研制。


1970年起,氮作为重要的合金元素在不锈钢管中的广泛应用,使得不锈钢管的发展进入了一个新的阶段,氮在奥氏体不锈钢中的应用也为超级奥氏体不锈钢的诞生创造了条件。超级奥氏体不锈钢管的发展来自许多途径。例如,在已有的AL-6X(00Cr21Ni24Mo6)基础上加入了氮,产生了AL-6XN(00Cr21Ni24Mo6N),在高钼的904L不锈钢管基础上将钼含量提高到约6%并加入氮。




特性


由于超级奥氏体不锈钢是属于高镍高钼而且含有铜、氮的奥氏体不锈钢,是比较难熔炼的钢种,易偏析、开裂等,因此超级奥氏体不锈钢是不锈钢中生产工艺要求最高、难度最大的品种,它是钢厂工艺技术的集中体现。与其他常用的Cr-Ni奥氏体钢一样,超级奥氏体不锈钢具有良好的冷,热加工性能。


1、热锻时最高加热温度可达1180摄氏度,最低停锻温度不小于900摄氏度。


2、热成型可在1000—1150摄氏度进行。


3、热处理工艺为1100—1150摄氏度,加热后快冷。


4、虽可采用通用的焊接工艺进行焊接,但是最恰当的焊接方法是手工电弧焊和钨极氩弧焊。


由于904L、254SMO超级奥氏体不锈钢具有很强的抗点蚀、缝隙腐蚀、氯离子应力腐蚀和抗晶间腐蚀能力尤其对硫酸根离子、氯离子等酸根离子有很好的耐腐蚀性,可以使用在极其恶劣的工作环境下,因此超级奥氏体不锈钢的应用越来越广泛。




应用领域


1、石油、石化设备,如石化设备中的波纹管。


2、纸浆、造纸漂白设备,如纸浆蒸煮器、漂白设备。


3、发电厂烟气脱硫装置,主要使用部位有:吸收塔的塔体、烟道、档门板、内件、喷淋系统等。


4、海上系统或海水处理,如电厂中用海水冷却的薄壁冷凝管道、海水淡化处理设备。


5、盐工业,如制盐或除盐设备。


6、热交换器,尤其在有氯离子工作环境中的热交换器。


上海逸翔金属材料有限公司是一家经营不锈钢材料的经销商和制作商,与江苏几家有专业资质的厂家相结合,加工和生产不锈钢、不锈铁、合金钢等特殊材料产品;本公司与各大钢厂和库存商建立了良好的合作关系,目前已成为国内石油、化工、装饰工程、环保防汛、液压罐,液体罐,疫苗罐,发酵罐等机械加工制作行业的优质定点供应商;经过多年的积累和充实,目前在上海仓库备有价值数百万元的不锈钢材料的现货库存。

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