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雙相 (奧氏體-鐵素體)不銹鋼的牌號及應用

發布時間：2023-12-21

背 景

眾所周知，緊固件產品包括成千上萬種規格，在保證安全或考慮溫度的影響，惡劣的環境或其它危險的地方，常常對緊固件用鋼材的安全、耐用性和表面質量提出較高的要求，這就是鋼材必須滿足耐應力腐蝕或耐熱、耐高強度的條件。因此，不銹鋼和耐熱鋼已大量在緊固件制造上應用。


GB/T 3098.6-2023《緊固件機械性能 不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱》、GB/T 3098.15-2023《緊固件機械性能 不銹鋼螺母》推薦性國家標準，經國家市場監督管理總局、國家標準化管理委員會2023年5月23日發布，2023年12月1日實施。


新標準分別修改采用ISO 3506-1:2020《緊固件 耐腐蝕不銹鋼緊固件機械性能 第1部分：規定組別和性能等級的螺栓、螺釘和螺柱》（英文版），代替 GB/T3098.6-2014；和修改采用ISO 3506-2:2020《緊固件 耐腐蝕不銹鋼緊固件機械性能 第2部分：規定組別和性能等級的螺母》（英文版），代替 GB/T3098.15-2014。


新標準分別是GB/T3098《緊固件機械性能》的第6部分和第15部分，該標準針對不同類別不銹鋼緊固件機械性能分別進行了規定，為緊固件設計、制造、驗收檢查和使用提供了依據。



現狀

當今工業生產過程中，高壓容器是必不可少的設備之一。然而，由于高溫、高強和高濃度等因素的影響，金屬材料容易發生腐蝕現象，從而導致容器失效甚至爆炸事故。因此，對壓力容器中的不銹鋼和耐熱鋼材料進行深入的研究是非常必要的。


目前，全球各國都開展了相關研究工作，其中，美國的研究重點在于分析不同種類的壓力容器中的腐蝕機理及其影響因素；德國的研究則著重于探索新型的耐腐蝕材料以及其應用方法；而英國則更注重于提高壓力容器的安全性能及壽命；而國內也已經取得了一定的研究成果。隨著材料和制造工藝的進步，修訂后的GB/T3098.6-2023和GB/T3098.15-2023 引入雙相不銹鋼材料和更高強度等級的性能要求，滿足了腐蝕條件下高強度設計要求。


雙相 (奧氏體-鐵素體)不銹鋼（duplex 「austenitic- ferritic」stain less steels），基體兼有奧氏體和鐵素體兩相組織(其中較少相的含量至少大于25%) ，可磁化，一般通過冷加工使其強化的不銹鋼。雙相不銹鋼性能上不僅保留了奧氏體不銹鋼優良的韌性和焊接性能，同時，具有鐵素體不銹鋼的高強度等優點。



雙相不銹鋼牌號

雙相(奧氏體-鐵素體)不銹鋼的主要成分為 Fe、Cr、Ni、Mo等元素，雙相不銹鋼鑄造牌號執行 ASTM A890 /A890M 標準。在 ASTM A890/A890M-18a 標準中，根據化學成分的差別，鑄造雙相不銹鋼有1B、1C、2A、3A、4A、5A、6A 和 7A 等 8 個等級。我國雙相不銹鋼鑄件標準 GB/T 2100-2017中也有與ASTM A890/890M標準相對應的材料牌號。


美國鍛造雙相不銹鋼主要執行標準為 ASTMA182 /A182M-20，其中有F50、F51、F52、F53、F54、F55、F57、F59 F60、F61、F65、F66、F67、F68、F69和 F71等16個牌號。我國不銹鋼鍛件標準NB/T47010-2017《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》中規定了六種鍛造雙相不銹鋼牌號。由于使用習慣且美標牌號更豐富，目前，國內閥門緊固件產品仍主要采用美國雙相不銹鋼牌號標準，其中，常用牌號主要為 ASTM A182 標準的 F51/F53/F55/F61，ASTM A890 標準的1B/4A/5A/6A。雙相不銹鋼的耐點蝕能力和點蝕敏感系數（PREN=Cr%+3.3%Mo+16%N）相關，而 PREN值跟材料的成分相關，材料牌號不同，成分不同，耐點蝕能力也有差異。


在GB/T20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分》國標的基礎上，為了適應市場需求標準進行了修訂，明年將發布的GB/T20878-2024新增加了不銹鋼牌號及化學成分85個，其中，雙相(奧氏體-鐵素體) 不銹鋼牌號共20個，新增 9個，見表1，擴大了緊固件市場的應用范圍。

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雙相不銹鋼性能及應用

不銹鋼的成分和組織對應力腐蝕開裂敏感性（SCC）起著關鍵性作用。奧氏體不銹鋼在氯化物溶液中容易發生 SCC，而鐵素體具有更好的抗SCC 性能。鐵素體晶粒越小，抗SCC性能越好，所以雙相不銹鋼具有較高的抗氯化物SCC性能，其應力腐蝕開裂的門檻值約為奧氏體不銹鋼的3倍。在 Cr-Ni系不銹鋼中，固溶組織中鐵素體相和奧氏體相的比例常使用“鉻當量”和“鎳當量”來計算和評價。


雙相不銹鋼解決了304L、316L等奧氏體不銹鋼在Cl-應力腐蝕下產生SCC的危險，尤其是在孔蝕引起的應力腐蝕破裂場合。所以在Cl-應力腐蝕的諸多場合，雙相不銹鋼得到廣泛應用，例如，煉油工業的催化裂化和加氫裂化裝置、石化行業的聚氯乙烯裝置和氯乙烯生產裝置、煤化工的污水處理裝置緊固件等。


熱處理工藝事項

雙相不銹鋼組織中σ相硬且脆，其析出量直接影響雙相鋼的耐腐蝕性能。為了避免造成韌性和耐腐蝕性能下降，雙相不銹鋼固溶熱處理后需要快冷以縮短σ相析出過程。雙相鋼在316～540℃范圍內長時間停留就會析出σ相，國家和石化行業標準均對雙相鋼材料的使用溫度做出了相關規定，雙相不銹鋼的連續使用溫度上限要低于奧氏體不銹鋼。SH/T3059—2012《石油化工管道設計器材選用規范》第6.2節規定：雙相不銹鋼的使用溫度不宜高于300℃。GB/T20801.2-2020《壓力管道規范 工業管道》附錄C3.2和附錄C6.9分別提出設計選材時應注意雙相鋼 475℃脆性和σ相脆化的問題，所以在進行緊固件選材時，不應將雙相鋼應用在高溫場合。


另外，雙相不銹鋼緊固件一般采用 950℃固溶退火處理消除應力，因為在950℃以下，馬氏體組織會逐漸析出脆性相，這與奧氏體不銹鋼通常在600～800℃條件下進行熱處理來消除應力有所不同。

雙相不銹鋼是一種非常優秀的耐腐蝕材料，因為它具有高強度和優異的機械性能。但由于它的價格相對較高，所以，在實際應用中通常只用于特殊場合。如果需要長時間儲存或運輸含有酸性或堿性溶液，則可以選擇不銹鋼緊固件作為主要材料的壓力容器。在選擇壓力容器中的不銹鋼緊固件材料時，需要考慮其適用范圍、成本效益以及與其他材料之間的相互作用等問題。只有綜合考慮各種因素后才能做出最優的選擇。


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