设备工程师必须了解的双相和沉淀硬化不锈钢

前言

本文介绍5大类不锈钢中的最后两类:双相和沉淀硬化不锈钢。双相不锈钢最初是为解决奥氏体不锈钢的晶间腐蚀问题而研制。沉淀硬化不锈钢由于兼具铁素体和奥氏体不锈钢的优点已被广泛应用于医疗航空航天领域。

图1不锈钢分类

本文分5个部分,正文字数约,阅读时长约分钟。

图2本文结构

一、双相和沉淀硬化不锈钢的应用场景

1.1双相不锈钢

纸浆和造纸工业:双相不锈钢最早应用在亚硫酸盐造纸工业上,因其强度高,可以在同等的应力条件下,使用壁厚更薄的材料,而更薄的材料意味着更短的焊接时间,更低的运输成本。所以早期被大量用作造纸工业中的漂白设备、蒸煮器、木片储罐等。

图4蒸煮器

化肥工业:由于双相不锈钢在尿素介质中也有优异的抗腐蚀疲劳性能。相较奥氏体04L不锈钢制作的热交换设备使用寿命经常在一个月后就因应力腐蚀破裂导致泄露,当替换为双相不锈钢材料后至少可使用五年。

图5热交换器设备

石油和天然气工业需要优良的耐酸性能,以及更轻的材料性能,以减轻井上管道系统的承重,双相不锈钢材料是解决这两点的不二之选。例如,美国阿拉斯加、墨西哥等地的油气井生产、海上采油平台设施等都是采用了双相不锈钢。

图2海上油气井

海洋建筑及桥梁:海洋中的环境较为复杂,海洋工程设计中除了考虑到自然环境中带来的各种力的作用外,还需要考虑海水腐蚀、微生物腐蚀等因素。例如,我国香港的昂船洲大桥,设计寿命年并免维修。

图昂船洲大桥

1.2沉淀硬化不锈钢

航天航空:随着航空器性能的不断提高,钢材越来越多的被钛合金、复合材料等替代,但是沉淀硬化不锈钢在五类不锈钢中具有最高的强度、硬度兼具优异的耐腐蚀性能,使其在航天航空中多用于暴露在腐蚀性和负载环境下的重型机械零部件等。例如,涡轮机叶片等。

图6涡轮机叶片

医疗器械:沉淀硬化不锈钢早在20世纪七八十年代就已经有沉淀硬化不锈钢用于手术器械的实例。因其可硬化以及良好的力学性能,且防锈性能不亚于奥氏体不锈钢。可用于电外科器械、微创手术器械、专科器械等。

图7微创手术器

二、双相和沉淀硬化不锈钢的定义

双相不锈钢是指由铁素体相和奥氏体相的组成,分别占50%左右。双相不锈钢具有铁素体和奥氏体不锈钢的特点,双相不锈钢的强度、塑性及韧性较高,耐晶间腐蚀和耐氧化应力腐蚀等性能表现较为良好。

图8双相不锈钢显微下组织

沉淀硬化不锈钢是指在各类不锈钢中加入了单独或复合的硬化元素,然后通过沉淀硬化析出不同类型和数量的碳化物、氧化物、碳氧化物和金属间化合物,不但提高了钢的强度还保持足够的韧性。

图9左马氏体、中奥氏体、右奥氏体沉淀硬化不锈钢

三、双相和沉淀硬化不锈钢各国牌号的转换

不锈钢牌号的标准,在我国是GB标准,在美国被称为ASTM标准,日本为JIS标准以及欧洲的EN标准等。图10是双相、沉淀硬化不锈钢常用牌号在各国间的转换。

图10双相、沉淀硬化不锈钢在各国间的牌号转换

四、双相、沉淀硬化不锈钢的化学成分组成

双相不锈钢含碳较低的情况下,铬含量在18%~28%之间,镍含量在%~10%,有部分钢还含有钼、铜、钛等元素。

沉淀硬化不锈钢中除了铬和镍,还添加了容易形成沉淀相的合金元素,例如,钛、铌、钼、铜等。沉淀硬化不锈钢的碳含量较低,一般为低碳和超低碳。

双相、沉淀硬化不锈钢常用牌号的化学成分表如图11。

图11常用牌号化学成分表

五、双相、沉淀硬化不锈钢的物理力学性能

双相不锈钢具有较好的耐晶间腐蚀性能和焊接性能,同时还兼具铁素体不锈钢的导热性能高。

沉淀硬化不锈钢中加入了不同元素,从而获得了良好的耐腐蚀性和抗氧化性,同时具有优良的成型性和焊接性等综合性能。

图12物理性能表

双相不锈钢的综合力学性能较好,具有较高的强度、塑性、韧性、疲劳强度、屈服强度等。双相不锈钢的铬含量越高脆性越大,而含铬量越低,脆性的危害性也就越小。

沉淀硬化不锈钢的强度是通过热处理后时效析出后具有高强度,同时有良好的韧性。

图1力学性能表

截至本篇为止,五大类不锈钢已全部介绍完毕。因为不锈钢具有其他钢种所不具备的耐腐蚀特性,将被广泛应用在机械、石油、化工、食品、医药等各个行业中




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