Thép không gỉ duplex kết hợp các đặc tính của thép không gỉ austenitic và ferritic. So với thép không gỉ ferritic, nó có độ dẻo và độ dẻo dai cao hơn, không có độ giòn ở nhiệt độ phòng, khả năng chống ăn mòn giữa các hạt và hiệu suất hàn được cải thiện đáng kể. Đồng thời, nó duy trì độ giòn 475 và độ dẫn nhiệt cao của thép không gỉ ferritic, và có các đặc tính như siêu dẻo. So với thép không gỉ austenitic, nó có độ bền cao hơn và khả năng chống ăn mòn giữa các hạt và ăn mòn do ứng suất chloride được cải thiện đáng kể. Thép không gỉ hai pha có khả năng chống ăn mòn rỗ tuyệt vời và cũng là một loại thép không gỉ tiết kiệm niken.
1. Sự phát triển lịch sử
Kể từ khi ra đời tại Hoa Kỳ vào những năm 1940, thép không gỉ duplex đã phát triển đến thế hệ thứ ba. Đặc điểm chính của nó là độ bền chảy có thể đạt 400-550MPa, gấp đôi so với thép không gỉ thông thường, do đó tiết kiệm vật liệu và giảm chi phí sản xuất thiết bị. Về khả năng chống ăn mòn, đặc biệt là trong môi trường trung bình khắc nghiệt như nước biển có hàm lượng ion chloride cao, khả năng chống ăn mòn rỗ, ăn mòn kẽ hở, ăn mòn do ứng suất và ăn mòn mỏi của thép không gỉ duplex tốt hơn đáng kể so với thép không gỉ austenitic thông thường, và có thể so sánh với thép không gỉ austenitic hợp kim cao.
2. Đặc điểm hiệu suất
Do các đặc tính của cấu trúc hai pha, bằng cách kiểm soát đúng thành phần hóa học và quy trình xử lý nhiệt, thép không gỉ duplex kết hợp các ưu điểm của thép không gỉ ferritic và thép không gỉ austenitic. Nó kết hợp độ dẻo dai và khả năng hàn tuyệt vời của thép không gỉ austenitic với độ bền cao và khả năng chống ăn mòn do ứng suất chloride của thép không gỉ ferritic. Chính những tính chất vượt trội này đã dẫn đến sự phát triển nhanh chóng của thép không gỉ duplex như một vật liệu kết cấu có thể hàn được. Kể từ những năm 1980, nó đã trở thành một loại thép ngang hàng với thép không gỉ martensitic, austenitic và ferritic. Thép không gỉ hai pha có các đặc điểm hiệu suất sau:
(1) Thép không gỉ duplex chứa molybden thể hiện khả năng chống ăn mòn do ứng suất chloride tuyệt vời dưới ứng suất thấp. Thông thường, thép không gỉ austenitic 18-8 dễ bị nứt do ăn mòn ứng suất trong dung dịch chloride trung tính trên 60 ° C. Các thiết bị trao đổi nhiệt, bốc hơi và các thiết bị khác được làm bằng loại thép không gỉ này trong môi trường công nghiệp có vết chloride và hydro sulfide có xu hướng bị nứt do ăn mòn ứng suất, trong khi thép không gỉ duplex có khả năng chống tốt.
(2) Thép không gỉ duplex chứa molybden có khả năng chống ăn mòn rỗ tốt. Khi có cùng giá trị tương đương của khả năng chống ăn mòn rỗ (PRE=Cr%+3.3Mo%+16N%), tiềm năng rỗ quan trọng của thép không gỉ duplex tương tự như của thép không gỉ austenitic. Khả năng chống ăn mòn rỗ và ăn mòn kẽ hở của thép không gỉ duplex có hàm lượng crôm cao chứa 25% Cr, đặc biệt là nitơ, vượt trội hơn so với AISI 316L.
(3) Có khả năng chống ăn mòn mỏi và ăn mòn mài mòn tốt. Phù hợp để sản xuất thiết bị điện như bơm và van trong điều kiện môi trường ăn mòn nhất định.
(4) Hiệu suất cơ học tổng hợp tốt. Nó có độ bền cao và độ bền mỏi, với độ bền chảy gấp đôi so với thép không gỉ austenitic 18-8. Tỷ lệ giãn dài của trạng thái dung dịch rắn đạt 25%, và giá trị độ dẻo dai AK (rãnh hình chữ V) trên 100J.
3. Cấu trúc và Loại
Thép không gỉ hai pha có các đặc tính của cả thép không gỉ austenitic và thép không gỉ ferritic do cấu trúc hai pha của nó gồm austenite và ferrite, và hàm lượng của hai pha này về cơ bản là như nhau. Độ bền chảy có thể đạt 400Mpa~550MPa, gấp đôi so với thép không gỉ austenitic thông thường. So với thép không gỉ ferritic, thép không gỉ duplex có độ dẻo dai cao hơn, nhiệt độ chuyển giòn thấp hơn, khả năng chống ăn mòn giữa các hạt và hiệu suất hàn được cải thiện đáng kể; Đồng thời, nó giữ lại một số đặc tính của thép không gỉ ferritic, chẳng hạn như độ giòn 475, độ dẫn nhiệt cao, hệ số giãn nở tuyến tính thấp, siêu dẻo và từ tính. So với thép không gỉ austenitic, thép không gỉ duplex có độ bền cao hơn, đặc biệt là độ bền chảy được cải thiện đáng kể, và cải thiện đáng kể các tính chất như khả năng chống ăn mòn rỗ, chống ăn mòn do ứng suất và chống ăn mòn mỏi.
Thép không gỉ hai pha có thể được phân loại thành bốn loại dựa trên thành phần hóa học của nó: loại Cr18, loại Cr23 (không bao gồm Mo), loại Cr22 và loại Cr25. Đối với thép không gỉ duplex Cr25, nó có thể được chia thành loại thông thường và thép không gỉ siêu duplex, trong đó loại Cr22 và loại Cr25 được sử dụng phổ biến hơn. Thép không gỉ duplex được sử dụng ở Trung Quốc chủ yếu được sản xuất ở Thụy Điển, với các cấp cụ thể bao gồm 3RE60 (loại Cr18), SAF2304 (loại Cr23), SAF2205 (loại Cr22) và SAF2507 (loại Cr25).
4. Phân loại
Loại thứ nhất thuộc loại hợp kim thấp, được đại diện bởi cấp UNS S32304 (23Cr-4Ni-0.1N), không chứa molypden trong thép và có giá trị PREN từ 24-25. Nó có thể thay thế AISI304 hoặc 316 về khả năng chống ăn mòn do ứng suất.
Loại thứ hai thuộc loại hợp kim trung bình, được đại diện bởi cấp UNS S31803 (22Cr-5Ni-3Mo-0.15N), với giá trị PREN từ 32-33. Khả năng chống ăn mòn của nó nằm giữa AISI 316L và thép không gỉ austenit 6% Mo+N.
Loại thứ ba thuộc loại hợp kim cao, thường chứa 25% Cr, cũng như molypden và nitơ, và một số cũng chứa đồng và vonfram. Cấp tiêu chuẩn là UNSS32550 (25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N), với giá trị PREN từ 38-39. Khả năng chống ăn mòn của loại thép này cao hơn so với thép không gỉ duplex với 22% Cr.
Loại thứ tư thuộc loại thép không gỉ siêu duplex, chứa molypden và nitơ cao. Cấp tiêu chuẩn là UNS S32750 (25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N), và một số cũng chứa vonfram và đồng. Giá trị PREN lớn hơn 40, có thể được sử dụng trong điều kiện môi trường khắc nghiệt và có khả năng chống ăn mòn và hiệu suất cơ học tổng hợp tốt, tương đương với thép không gỉ austenit siêu cấp.
5. Đặc điểm hàn
Thép không gỉ hai pha có hiệu suất hàn tốt. So với thép không gỉ ferritic và thép không gỉ austenitic, nó không có vùng ảnh hưởng nhiệt hàn của thép không gỉ ferritic, điều này làm giảm đáng kể độ dẻo và độ bền do sự thô hóa hạt nghiêm trọng, cũng không nhạy cảm với các vết nứt nóng khi hàn như thép không gỉ austenitic.
Do những ưu điểm độc đáo của nó, thép không gỉ duplex được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp như thiết bị hóa dầu, thiết bị xử lý nước biển và nước thải, đường ống dầu khí, máy móc giấy, v.v. Trong những năm gần đây, nó cũng đã được nghiên cứu để sử dụng trong các cấu trúc chịu tải của cầu và có triển vọng phát triển lớn.
Các vấn đề về hiệu suất hàn thường gặp với "thép duplex kinh tế" không phải là vấn đề. Tuy nhiên, hàn thép duplex tiêu chuẩn không phải là vấn đề, và bất kể quy trình nào được sử dụng, có các vật liệu hàn phù hợp cho các ứng dụng này. Từ góc độ hiển vi, hàn 2101 (1.4162) không phải là vấn đề gì cả. Thực tế, nó thậm chí còn dễ hàn hơn thép duplex tiêu chuẩn vì vật liệu này thực sự có thể được hàn bằng quy trình hàn axetylen. Đối với các vật liệu thép duplex tiêu chuẩn, quy trình này phải luôn được tránh. Vấn đề thực tế khi hàn 2101 là độ nhớt của bể nóng chảy khác nhau, do đó độ ướt hơi kém hơn. Điều này buộc các nhà vận hành phải sử dụng hàn hồ quang nhiều hơn trong quá trình hàn, đó chính là lý do tại sao vấn đề nằm ở đây. Mặc dù có thể bù đắp bằng cách chọn siêu hợp kim, chúng tôi thường muốn chọn các vật liệu hàn phù hợp.
6. Vật liệu và cấp
Nhiều cấp thép không gỉ duplex đã được thêm vào tiêu chuẩn mới GB/T 20878-2007 "Cấp và Thành phần Hóa học của Thép Không Gỉ và Thép Chịu Nhiệt" ở Trung Quốc. Ví dụ: 14Cr18Ni11Si4AlTi 022Cr19Ni5Mo3Si2N, 12Cr21Ni5Ti. Nhiều cấp hơn có thể được tìm thấy trong tiêu chuẩn.
Ngoài ra, thép duplex nổi tiếng 2205 tương đương với 022Cr23Ni5Mo3N của Trung Quốc.
Cuối cùng, một số trang web và thậm chí cả các bài báo nhầm lẫn gọi thép không gỉ duplex là thép không gỉ duplex. Biphase đề cập đến sự hiện diện của hai loại cấu trúc hiển vi, thay vì "hướng" có định hướng.
Thành phần hóa học
| Cấp |
C≤ |
Mn≤ |
Si≤ |
S≤ |
P≤ |
Cr≤ |
Ni |
Mo |
Cu≤ |
N |
| S32750(SAF2507) |
0.03 |
1.2 |
0.8 |
0.02 |
0.035 |
24.0/26.0 |
6.0/8.0 |
3.0/5.0 |
0.5 |
0.24/0.32 |
| 00Cr25Ni7Mo4N |
||||||||||
| S31803(SAF2205) |
0.03 |
2 |
1 |
0.02 |
0.03 |
21.0/23.0 |
4.50/6.50 |
2.50/3.50 |
0.08/0.20 |
|
| 00Cr22Ni5Mo3N |
||||||||||
| S31500(3RE60) |
0.03 |
1.2/2.00 |
1.4/2.00 |
0.03 |
0.03 |
18.0/19.0 |
4.25/5.25 |
2.50/3.00 |
0.05/0.10 |
|
| 00Cr18Ni5Mo3Siz |
7. Yêu cầu về lựa chọn vật liệu hàn
Vật liệu hàn được sử dụng cho thép không gỉ duplex được đặc trưng bởi cấu trúc duplex chiếm ưu thế bởi austenit trong mối hàn, với các nguyên tố chống ăn mòn chính (chromium, molybdenum, v.v.) có hàm lượng tương đương với vật liệu cơ bản, do đó đảm bảo khả năng chống ăn mòn tương đương với vật liệu cơ bản. Để đảm bảo hàm lượng austenit trong mối hàn, thường cần tăng hàm lượng nickel và nitrogen, tức là tăng hàm lượng nickel tương đương khoảng 2% đến 4%. Trong các vật liệu cơ bản thép không gỉ duplex, thường có một lượng nhất định nitrogen, và cũng mong muốn có một lượng nitrogen nhất định trong vật liệu hàn, nhưng không nên quá cao, nếu không sẽ xảy ra hiện tượng rỗ. Điều này làm cho hàm lượng nickel cao là một sự khác biệt chính giữa vật liệu hàn và vật liệu cơ bản.
Chọn que hàn phù hợp với thành phần hóa học của kim loại cơ bản theo các yêu cầu khác nhau về khả năng chống ăn mòn và độ bền mối nối. Ví dụ, khi hàn thép không gỉ duplex Cr22, có thể sử dụng que hàn Cr22Ni9Mo3 như que hàn E2209. Khi sử dụng que hàn axit, việc loại bỏ xỉ rất tốt và mối hàn có tính thẩm mỹ cao, nhưng độ bền va đập thấp. Khi yêu cầu độ bền va đập cao cho kim loại mối hàn và yêu cầu hàn ở mọi vị trí, nên sử dụng que hàn kiềm. Khi hàn đáy của gốc, thường sử dụng que hàn kiềm. Khi có yêu cầu đặc biệt về khả năng chống ăn mòn của kim loại mối hàn, cũng nên sử dụng điện cực kiềm với thành phần thép siêu duplex.
Đối với dây hàn khí rắn, trong khi đảm bảo rằng kim loại mối hàn có khả năng chống ăn mòn và tính chất cơ học tốt, cũng cần chú ý đến hiệu suất quy trình hàn của nó. Đối với dây hàn lõi thuốc, khi yêu cầu hình thành mối hàn đẹp, có thể sử dụng dây hàn lõi thuốc loại rutile hoặc titan canxi. Khi yêu cầu độ bền va đập cao hoặc hàn dưới điều kiện hạn chế cao, nên sử dụng dây hàn lõi thuốc có độ kiềm cao.
Đối với hàn hồ quang chìm, nên sử dụng dây hàn có đường kính nhỏ hơn để đạt được hàn nhiều lớp và nhiều đường chuyền dưới các thông số hàn nhỏ và trung bình, nhằm ngăn ngừa sự giòn của vùng ảnh hưởng nhiệt hàn và kim loại mối hàn, và sử dụng các chất trợ dung kiềm phù hợp.
