特別なステンレス鋼材料 - デュプレックスステンレス鋼

二相ステンレス鋼は、オーステナイト系およびフェライト系ステンレス鋼の特性を組み合わせています。フェライト系ステンレス鋼と比較して、より高い塑性と靭性を持ち、室温脆性がなく、粒界腐食耐性と溶接性能が顕著に改善されています。同時に、フェライト系ステンレス鋼の475の脆性と高い熱伝導率を維持し、超塑性などの特性を持っています。オーステナイト系ステンレス鋼と比較して、より高い強度と顕著に改善された粒界腐食耐性および塩化物応力腐食耐性を持っています。二相ステンレス鋼は、点食腐食に対する優れた耐性を持ち、ニッケル節約型ステンレス鋼でもあります。

1. 歴史的発展

1940年代にアメリカで誕生して以来、二相ステンレス鋼は第3世代に発展しました。その主な特徴は、降伏強度が400-550MPaに達し、通常のステンレス鋼の2倍であるため、材料を節約し、設備製造コストを削減できることです。腐食耐性に関しては、特に高塩化物イオン含有量の海水などの過酷な媒体環境下で、二相ステンレス鋼の点食腐食、隙間腐食、応力腐食、および腐食疲労に対する耐性は、通常のオーステナイト系ステンレス鋼よりも顕著に優れており、高合金オーステナイト系ステンレス鋼に匹敵します。

2. 性能特性

二相構造の特性により、化学組成と熱処理プロセスを正しく制御することで、二相ステンレス鋼はフェライト系ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の利点を組み合わせています。オーステナイト系ステンレス鋼の優れた靭性と溶接性を、高強度と塩化物応力腐食耐性を持つフェライト系ステンレス鋼と組み合わせています。これらの優れた特性により、二相ステンレス鋼は溶接可能な構造材料として急速に発展しました。1980年代以降、マルテンサイト系、オーステナイト系、フェライト系ステンレス鋼と並ぶ鋼種となりました。二相ステンレス鋼は以下の性能特性を持っています：

(1) モリブデンを含む二相ステンレス鋼は、低応力下での塩化物応力腐食に対する優れた耐性を示します。一般に、18-8オーステナイト系ステンレス鋼は60°C以上の中性塩化物溶液で応力腐食割れを起こしやすいです。このタイプのステンレス鋼で作られた熱交換器、蒸発器、およびその他の設備は、微量の塩化物および硫化水素の工業媒体で応力腐食割れを経験しやすいですが、二相ステンレス鋼は優れた耐性を持っています。

(2) モリブデンを含む二相ステンレス鋼は、点食腐食に対する優れた耐性を持っています。同じ点食耐性の等価値（PRE=Cr%+3.3Mo%+16N%）を持つ場合、二相ステンレス鋼の臨界点食電位はオーステナイト系ステンレス鋼と同様です。二相ステンレス鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の点食および隙間腐食耐性は、AISI 316Lと同等です。特に窒素を含む25% Crを含む高クロム二相ステンレス鋼の点食および隙間腐食耐性は、AISI 316Lを超えています。

(3) 腐食疲労および摩耗腐食に対する優れた耐性を持っています。特定の腐食性媒体条件下でポンプやバルブなどの電力機器の製造に適しています。

(4) 優れた総合的な機械的性能を持っています。高い強度と疲労強度を持ち、降伏強度は18-8オーステナイト系ステンレス鋼の2倍です。固溶状態の伸び率は25%に達し、靭性値AK（V字溝）は100J以上です。

3. 構造とタイプ

二相ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼とフェライト系ステンレス鋼の両方の特性を持ち、その二相構造によりオーステナイトとフェライトの含有量がほぼ同じです。降伏強度は400Mpa〜550MPaに達し、通常のオーステナイト系ステンレス鋼の2倍です。フェライト系ステンレス鋼と比較して、二相ステンレス鋼はより高い靭性、より低い脆性遷移温度、顕著に改善された粒界腐食耐性および溶接性能を持っています。同時に、フェライト系ステンレス鋼の特性の一部を保持しており、475の脆性、高い熱伝導率、低い線膨張係数、超塑性、および磁性を持っています。オーステナイト系ステンレス鋼と比較して、二相ステンレス鋼はより高い強度、特に顕著に改善された降伏強度、および点食腐食耐性、応力腐食耐性、腐食疲労耐性などの特性において顕著な改善を示します。

二相ステンレス鋼は、その化学組成に基づいて4つのタイプに分類できます：Cr18タイプ、Cr23（Moを除く）タイプ、Cr22タイプ、およびCr25タイプです。Cr25二相ステンレス鋼は、通常タイプとスーパー二相ステンレス鋼に分けられ、Cr22タイプとCr25タイプがより一般的に使用されます。中国で使用される二相ステンレス鋼は主にスウェーデンで生産されており、具体的なグレードには3RE60（Cr18タイプ）、SAF2304（Cr23タイプ）、SAF2205（Cr22タイプ）、およびSAF2507（Cr25タイプ）が含まれます。

4. 分類

第一のタイプは低合金タイプに属し、グレードUNS S32304（23Cr-4Ni-0.1N）で表され、鋼中にモリブデンを含まず、PREN値は24-25です。応力腐食抵抗の観点からAISI304または316を置き換えることができます。

第二のタイプは中合金タイプに属し、グレードUNS S31803（22Cr-5Ni-3Mo-0.15N）で表され、PREN値は32-33です。その耐食性はAISI 316Lと6% Mo+Nオーステナイト系ステンレス鋼の間に位置します。

第三のタイプは高合金タイプに属し、一般的に25%のCr、モリブデン、窒素を含み、一部には銅とタングステンも含まれています。標準グレードはUNSS32550（25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N）であり、PREN値は38-39です。このタイプの鋼の耐食性は、22%のCrを含む二相ステンレス鋼よりも高いです。

第四のタイプはスーパー二相ステンレス鋼タイプに属し、高モリブデンと窒素を含んでいます。標準グレードはUNS S32750（25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N）であり、一部にはタングステンと銅も含まれています。PREN値は40を超え、過酷な媒体条件で使用でき、優れた耐食性と機械的総合性能を持ち、スーパーオーステナイト系ステンレス鋼に匹敵します。

5. 溶接特性

二相ステンレス鋼は良好な溶接性能を持っています。フェライト系ステンレス鋼やオーステナイト系ステンレス鋼と比較して、フェライト系ステンレス鋼の溶接熱影響部を持たず、深刻な粒子粗大化による塑性と靭性の低下が大幅に軽減され、オーステナイト系ステンレス鋼のように溶接熱割れに敏感ではありません。

二相ステンレス鋼はその独自の利点により、石油化学設備、海水および廃水処理設備、石油およびガスパイプライン、製紙機械などの産業分野で広く使用されています。近年では、橋梁の荷重支持構造への利用が研究されており、大きな発展の可能性を秘めています。

「経済的な二相ステンレス鋼」でよく発生する溶接性能の問題は問題ではありません。しかし、標準的な二相ステンレス鋼の溶接は問題ではなく、使用するプロセスに関係なく、これらの用途に適した溶接材料があります。金属組織学的観点から見ると、2101（1.4162）の溶接は全く問題ありません。実際、この材料はアセチレン溶接プロセスを使用して溶接することができるため、標準グレードの二相ステンレス鋼よりも溶接が容易です。標準的な二相ステンレス鋼材料の場合、このプロセスは常に避ける必要があります。2101の溶接で直面する実際の問題は、溶融プールの粘度が異なるため、湿潤性がやや劣ることです。これにより、オペレーターは溶接プロセス中にアーク溶接をより多く使用することを余儀なくされますが、まさにそこに問題があります。超合金を選択することで補償することはできますが、通常は適合する溶接材料を選びたいと考えます。

6. 材料とグレード

多くの二相ステンレス鋼のグレードが、中国の新しい標準GB/T 20878-2007「ステンレス鋼および耐熱鋼のグレードと化学組成」に追加されました。例えば、14Cr18Ni11Si4AlTi 022Cr19Ni5Mo3Si2N、12Cr21Ni5Tiなどです。標準にはさらに多くのグレードが記載されています。

さらに、有名な2205二相鋼は、中国の022Cr23Ni5Mo3Nに相当します。

最後に、一部のウェブページや論文では、二相ステンレス鋼を二相ステンレス鋼と誤って呼んでいます。二相とは、2種類の金属組織構造の存在を指し、方向性の「オリエンテーション」ではありません。

化学組成

7. 溶接材料選択の要件

二相ステンレス鋼に使用される溶接材料は、溶接シームにおいてオーステナイトが支配的な二相構造を特徴とし、主な耐食性元素（クロム、モリブデンなど）の含有量が母材と同等であるため、母材と同等の耐食性を確保します。溶接におけるオーステナイトの含有量を確保するために、通常、ニッケルおよび窒素の含有量を増やす必要があります。つまり、ニッケル当量を約2％から4％増やします。二相ステンレス鋼の母材には一般的に一定量の窒素が含まれており、溶接材料にも一定の窒素含有量が望ましいですが、あまりにも高いと気孔が発生します。これにより、高ニッケル含有量が溶接材料と母材の大きな違いとなります。

耐食性および接合部の靭性に対する異なる要件に応じて、母材の化学組成に一致する溶接棒を選択します。たとえば、Cr22二相ステンレス鋼を溶接する場合、Cr22Ni9Mo3溶接棒（E2209溶接棒など）を使用できます。酸性溶接棒を使用する場合、スラグの除去が優れており、溶接シームが美しいですが、衝撃靭性は低いです。溶接金属に高い衝撃靭性が必要であり、全位置溶接が必要な場合は、アルカリ性溶接棒を使用する必要があります。ルートの底を溶接する際には、通常、アルカリ性溶接棒が使用されます。溶接金属の耐食性に特別な要件がある場合、スーパー二相鋼組成のアルカリ性電極も使用する必要があります。

ソリッドガスシールド溶接ワイヤの場合、溶接金属が優れた耐食性と機械的特性を持つことを保証しながら、その溶接プロセス性能にも注意を払う必要があります。フラックスコアードワイヤの場合、美しい溶接形成が求められる場合は、ルチルまたはチタンカルシウムタイプのフラックスコアードワイヤを使用できます。高い衝撃靭性が求められる場合や高拘束条件下での溶接が必要な場合は、高アルカリ性のフラックスコアードワイヤを使用する必要があります。

サブマージアーク溶接では、小径の溶接ワイヤを使用して、小型および中型の溶接仕様で多層および多パス溶接を行うことが推奨されます。これにより、溶接熱影響部および溶接金属の脆化を防ぎ、適合するアルカリ性フラックスを使用します。