| 超級不銹鋼 在二十世紀末，國內外都著手于不銹鋼品種的開發、對已有的四大不銹鋼類都試制了“超級”的牌號，其共同特點是：從成分設計上保證更穩定的組織；在更苛刻環境下具有優良的耐蝕性能；更好的力學性能。鉬不僅可滿足上述要求，也是取代昂貴高合材料的重要合金元素，四類“超級”牌號的不銹鋼大都加入了合金元素鉬。 “超級”牌號不銹鋼的化學成分，% | 不銹鋼鋼類 | Cr | Mo | N | Ni | Mn | | 超雙相 SAF2507 | 25 | 4 | 0.3 | 7 | 1.2 | | 超奧氏體 | 25 | 5 | 0.2 | 25 | | | 超鐵素體 | 29 | 4 | - | - | | | 超馬氏體（合金1） X80 11Cr-2Ni | 11 | < 0.5 | < 0.012 | 2.0 | < 2.0 | | 超馬氏體（合金2） X80 12Cr-4.5Ni-1.5Mo | 12 | 1.5 | < 0.012 | 4.5 | < 2.0 | | 超馬氏體（合金3） X80 11Cr-6.5Ni-2.5Mo | 12 | 2.5 | < 0.012 | 6.5 | < 2.0 | 超級雙相不銹鋼型，含高鉬和氮，標準牌號UNSS32750（25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N），有的也含鎢和銅，PREN值大于40，可適用于苛刻的介質條件，具有良好的耐蝕與力學綜合性能，可與超級奧氏體不銹鋼相媲美。 | 超級DSS Super duplex stainless steel | UNS S32760 W.Nr1.4501 | Zeron100 | 0.03 | 25 | 7 | 3.5 | 0.24 | 0.7 | 0.7 | 40 | 41.5 | | | | | | | | | | | | | UNS S32750 W.Nr1.4410 SS 2328 | SAF2507 UR47N+ | 0.03 | 25 | 7 | 3.8 | 0.28 | - | - | 41 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | UNS S32550 W.Nr1.4507 | UR52N+ | 0.03 | 25 | 7 | 3.5 | 0.25 | 1.5 | - | 41 | | | | | | | | | | | | | | UNS S32740 | DP3W | 0.03 | 25 | 7 | 3 | 0.27 | - | 2.0 | 39 | 42.5 | 1、超馬氏體不銹鋼的典型化學成分 這類新型的超馬氏體不銹鋼，為了適應不同的使用條件，比利時沙勒洛伊公司（FaEER）研究設計了三種不同化學成分的合金 近年來，各國不銹鋼生產廠在開發低碳、低氮超馬氏體不銹鋼方面，作出了巨大的努力，生產出了適用于不同用途的超馬氏體不銹鋼。 三種合金的目標化學成分/% | 元 素 | 合金1 | 合金2 | 合金3 | | C | < 0.015 | < 0.015 | < 0.015 | | Mn | < 2.0 | < 2.0 | < 2.0 | | P | < 0.030 | < 0.030 | < 0.030 | | S | < 0.020 | < 0.002 | < 0.002 | | Si | 0.15 | 0.15 | 0.15 | | Cu | 0.40 | 0.40 | 0.40 | | Ni | 2.0 | 4.5 | 6.5 | | Cr | 11.0 | 12.0 | 12.0 | | Mo | < 0.5 | 1.5 | 2.5 | | N | < 0.012 | < 0.012 | < 0.012 | 2、超馬體不銹鋼的顯微組織 超馬氏體不銹鋼典型的基體金屬顯微組織為回火馬氏體，這種低碳回火馬氏體組織具有很高的強度和韌性。根據含鎳量的不同的熱處理條件的差異，一些牌號的超馬氏體不銹鋼基體顯微組織中可能會出現10%～40%的細小彌散狀殘留奧氏體。對于含鉻16%等級的超馬氏體不銹鋼，顯微組織中可能出現少量的δ鐵素體。為了獲得理想的細晶粒回火馬氏體，在鋼板交貨之前一般都經過淬火加回火處理。 超馬氏體不銹鋼典型化學成分/% | 牌號 | 化 學 成 分 | 生產廠 | | C | Mn | Si | Cr | Ni | Mo | Cu | N | 其它 | | HP13Cr | ＜0.03 | 0.4 | ＜0.3 | 13 | 4 | 1 | - | 0.05 | - | 川崎廠 | | 超13Cr (13-5-2) | 0.02 | 0.4 | 0.2 | 12.5 | 5 | 2 | - | ＜0.08 | - | 住友金屬 | | 超13Cr (13-6-2.5-Ti) | ＜0.01 | 0.4 | 0.3 | 12 | 6.2 | 2.5 | - | ＜0.01 | Ti 0.07 | 住友金屬 | | 13Cr (12-5-2) | 0.02 | 0.5 | 0.2 | 12.2 | 5.5 | 2 | 0.2 | 0.02 | V0.2 | 英鋼聯 | | D13.5.2N | 0.02 | 0.7 | 0.3 | 13.3 | 4.8 | 1.6 | 0.1 | 0.08 | - | 達爾明 | | CRS(＞95ksi) | 0.02 | 0.5 | 0.3 | 12.5 | 4.5 | 1.5 | 1.5 | 0.05 | - | 新日鐵 | | CRS(＞110ksi) | 0.02 | 0.5 | 0.3 | 12.8 | 5.9 | 2 | 1.5 | 0.02 | - | 新日鐵 | | X80 11Cr-2Ni | ＜0.015 | ＜2 | 0.15 | 11 | 2 | ＜0.5 | 0.4 | ＜0.012 | - | 沙勒洛伊 | | X80 12Cr- 4.5Ni-1.5Mo | ＜0.015 | ＜2 | 0.15 | 12 | 4.5 | 1.5 | 0.4 | ＜0.012 | - | 沙勒洛伊 | | X80 12Cr- 6.5Ni-2.5Mo | ＜0.015 | ＜2 | 0.15 | 12 | 6.5 | 2.5 | 0.4 | ＜0.012 | - | 沙勒洛伊 | | 248SV | 0.03 | | | 16 | 5 | 1 | | | Fe | 阿.謝菲爾德 | 3、超氏體不銹鋼的機械性能 超馬氏體不銹鋼不僅具有較好的耐腐蝕性、可焊接性，而且具有強度高和低溫韌性好的特點。典型的機械性如下: 屈服應力б0.2為550～850MPa 抗拉強度 бb為780～1000MPa 沖擊強度大于50焦耳 延伸率大于12% 阿維斯塔.謝菲爾德公司生產的248SV馬氏體不銹鋼的物理機械性能 248SV的物理機械性能 | 在20℃時密度/kg·m-3 | 7700 | | 熱傳導率/W·(m·K)-1 | 22 | | 比熱J/·(kg·K)-1 | 460 | | 在20-100℃時的線膨脹系數/10-6·K-1 | 11 | | 電阻率/mΩ·m | 0.6 | | 彈性模量/Gpa | 215 | | *低屈服強度б0.2/Mpa | | | 20℃ | 620 | | 100℃ | 610 | | 200℃ | 590 | | 300℃ | 570 | | 400℃ | 540 | | *低屈服強度(20℃)б0.1/MPa | 660 | | *低抗拉強度(20℃)/Mpa | 830 | | *低延伸率A5/% | 15 | | *低沖擊強度/J | 59 | | 硬度/HB | 260-320 | 為了獲得好的低溫性能，減少顯微組織中鐵素體含量，甚至完全消除它是極重要的。為此，要很好地控制所有的加工過程，避免在這些加工過程中對產品的*終化學成分帶來影響，不利于鋼材顯微組織的控制。 表1所列合金1能夠滿足-20C沖擊性能的要求，合金2及合金3能夠滿足-40C沖擊性能的要求。為了充分論證超馬氏體不銹鋼的韌性，對不同的13Cr材質的零件，特別是對它上面的焊縫，比利時焊接研究所（位于根特市）完成了大量的試驗。 可焊接13Cr不銹鋼韌性試驗結果 | 試驗方法 | 試驗用材料 | 試驗溫度 | 試驗結果 | | 夏氏V型缺口 沖擊試驗 | 中 板 | -20℃ | 150-200J | | 焊 縫 | 100-130J | | 熱影響區 | 45-100J | | 寬試樣 | 焊 縫 | -20℃ | 1.0mm | | 熱影響區 | 0.5mm | | 裂紋頂端縫隙 位移試驗 （CTOD） | 中 板 | -20℃ | | | 焊 縫 | 0.15-0.25mm | | 熱影響區 | 0.15-0.25mm | 通過不同試驗方法的嚴格論證，已經證明：只要試樣不存在各種人為的缺口，各種方法都獲得了很好的試驗結果。這充分證明可焊接13Cr不銹鋼的低溫韌性是很好的。 超馬氏體不銹鋼在鍛造加工時，對鍛造溫度和鍛造力都沒有特別的要求。即使鍛造溫度偏低，同樣能得到無裂紋鍛造。從而清楚表明，超馬氏體不銹鋼具有很好的可鍛性。 4、超馬氏體不銹鋼的焊接性能 馬氏體不銹鋼含鉻13%，由于鐵素體晶粒在焊接過程中粗化和硬化，而使其可焊性很差。在過去，這類鋼的用途嚴格限制于非焊接零件的安裝。經過冶煉工藝的不斷改進，降低了馬氏體不銹鋼中的碳、氮、硫含量，又增加了一定量的鎳（*高含量達6.5%）和鉬（*高含量2.5%），從而開發出了超馬氏體不銹鋼。這種材料在加工制造過程中又采取了特殊的工藝措施，使得新的超馬氏體不銹鋼的焊接性能大大超過了傳統的馬氏體不銹鋼。 超馬氏體不銹鋼的焊接可以采用人們熟悉的焊接工藝，諸如氣體保護金屬極電弧焊（GMAW或SMAW），氣體保護鎢電弧焊（GTAW）。埋弧焊（SAW）和勵磁線圈電弧焊（FAW）。對于環縫焊接可以使用GTSW、GMAW和SAW，直縫焊大多數使用SAW。但是，激光焊和電子束焊也非常有吸引力。激光焊對生產直縫焊管是一種經濟的焊接方法。由于冷卻速度快，在焊縫中可以獲得全馬氏體顯微組織，從而得到很好的韌性和滿意的耐蝕性。 為了保證焊縫具有高的韌性和良好的耐腐蝕性，目前使用的焊絲多為雙相不銹鋼和超雙相不銹鋼。但是，因為與基體材質不同，導致焊縫出現不均勻腐蝕的現象，而且，雙相不銹鋼或超雙相不銹鋼比超13Cr不銹鋼價錢貴很多，因此，人們正在努力開發與超馬氏體不銹鋼相匹配的焊線，用來取代雙相不銹鋼或超雙相不銹鋼焊絲。 低碳和低氮超馬氏體不銹鋼能夠在焊接狀態下使用。對某些馬氏體不銹鋼牌號（特別是那些另外添加氮的鋼）為了得到較低的硬度和更好的韌性，應當進行焊后熱處理。 焊后熱處理的影響大小取決于基體金屬的化學成分、熱處理時間、溫度以及所采用的焊絲材質（是雙相不銹鋼或是與基體金屬相匹配的材料）。在制定熱處理工藝及熱加工加熱溫度時，要十分注意*高加熱溫度，若*高加熱溫度控制不當，則容易出現晶粒長大，從而導致韌性的顯著降低。當然，對這類鋼的深入研究發現，即使出現了非常粗的晶粒，可以重新施以淬火加回火處理使晶粒細化。例如從ASTM2級細化為ASTM5級或6級。這也是超Cr13不銹鋼的優點之一。 5、超馬氏體不銹鋼的耐腐蝕性能 超馬氏體不銹鋼由于含碳量低，相當于提高了基體金屬中含鉻量的比例，所以耐腐蝕性好。 對于弱酸性腐蝕環境，超馬氏體不銹鋼有取代其它耐蝕合金的趨勢。但是，在高溫和有二氧化碳存在的腐蝕條件下，會產生一般腐蝕和局部腐蝕，在二氧化碳和硫化氫同時存在的腐蝕條件下，必須考慮在室溫下產生的應力腐蝕裂紋和在高溫下產生的局部腐蝕和一般腐蝕。根據腐蝕條件的不同（如CO2或CO2+H2S），開發了不同牌號的超馬氏體不銹鋼（含鉬或不含鉬）。本文表1中的合金1適用于不含酸，也沒有硫化氫的環境條件；合金2適用于弱酸，*大硫化氫含量為10ppm的環境條件；合金3適用于弱酸，*大硫化氫含量為50ppm的環境條件。這種超13Cr不銹鋼已成功地應用于北海地區的Gullfaks油田和Asgard油田，這兩個油田的環境條件。阿維斯塔.謝菲爾德公司開發的248SV馬氏 體不銹鋼耐一般腐蝕和點腐蝕的性能優于13%鉻和17%鉻馬氏體不銹鋼，而與304型奧體不銹鋼相當，這些都說明超馬氏體不銹鋼具有較好的耐腐蝕性。 油田的環境條件 | | Gullfaks油田 | Asgard油田 | | 設計壓力/bar | 390 | 390-475 | | 操作壓力/bar | 200-250 | 200-475 | | 使用溫度/℃ | 90 | 60-140 | | 二氧化碳濃度/% | < 2 | < 6 | | 硫化氫含量/ppm | 4-10 | 10-40 | 超馬氏體不銹鋼亦稱軟馬氏體不銹鋼，有的也叫做可焊接馬氏體不銹鋼或13Cr不銹鋼。 傳統的馬氏體不銹鋼通常是指410、420和431等牌號的不銹鋼，含鉻量分別為13%和17%左右。由于這類鋼缺乏足夠的延展性，而且在制造過程中墩應力裂紋十分敏感，可焊性差，因而，使用受到限制，成為不銹鋼簇中不太受關注的一類材料。 為了克服上述不足，50年代末，瑞士人引入了軟馬氏體的概念。*初的目的是為了改善水輪發電機葉輪的焊接性能。通過降低含量（*高碳含理為0.07%），增加鎳含量（3.5%～4.5%），開發出了一系列新的合金。這類合金抗拉強度高，延展性又好，焊接性能也得到了改善。 隨著冶煉技術的進步，AOD/VOD精炬技術廣泛地應用于不銹鋼的精煉，這類合金的*高碳含量從0.07%降低到0.05%和0.03%。經過人們不懈的努力，碳含量進一步降低，同時合金成分經過進一步優化，不銹鋼的綜合機械能得到提高，耐腐蝕性良好，特別是焊接性能得到顯著改善，形成了新的超馬氏體不銹鋼系列，成為不銹鋼簇中耀眼的一個系列，受到人們廣泛的關注。 6、超馬氏體不銹鋼的應用前景 超馬氏體不銹鋼除具有傳統馬氏體不銹鋼的特點，可以應用于泵、壓縮機、閥門及其它機加工用途外，超馬氏體海洋用管已經開發成功，滿足了海上石油天然氣公司對工藝用無縫管和輸送管道的要求，成為海洋用鋼的新成員。 荷蘭的NAM石油天然公司已經決定對他們位于荷蘭北部格羅寧根的天然氣田的濕天然氣處理設施進行現代化改造，包括對30個球罐進行大修和對所有輸送管道的更換，新選用的材料全部是超馬氏體13Cr不銹鋼。 阿曼國的液態天然氣工程需要鋪設幾十公里長的輸送管線，也采用的是超馬氏體不銹鋼。埃及和尼日利亞也在研究類似的工程。 此外，如水力發電、采礦設備、化工設備、食品工業、交通運輸及高溫紙漿生產設備也是**潛力的應用領域。 7、超馬氏體不銹鋼的經濟性 在超馬氏體不銹鋼取得成功之前，對許多應用不銹鋼的領域，特別是含二氧化碳，或者含二氧化碳和硫化氫腐蝕介質的環境，往往使用雙相不銹鋼，一些特殊部件甚至要求使用超雙相不銹鋼。現在，人們越來越多地用超馬氏體不銹鋼來部分取代雙相不銹鋼和超雙相不銹鋼，這除了超馬氏體不銹鋼在某些腐蝕環境下仍具有強度高、耐蝕性好以及－40℃的沖擊韌性好之外，更主要的原因是超氏體不銹鋼比雙相不銹鋼更經濟。 首先，在重量相等、耐腐蝕性相當的前提下，采用超13Cr不銹鋼比采用雙相不銹鋼便宜大約30%。 其次，超13Cr不銹鋼的強度比雙相不銹鋼高得多，所以，用超13Cr不銹鋼制作的零部件（如三通、彎頭、輸送管和支管）的壁厚可以減薄，成本降低10%～15%。總計下來，超13Cr不銹鋼與雙相不銹鋼相比較，總成本降低35%～40%。這樣大幅度的成本降低，使得人們不能忽略它在競爭日益激烈的工業，如石油天然氣工業上的應用。 8、結論 （1）超馬氏體不銹鋼具有較好的機械性能，典型的屈服應力б0.2為550～850MPa，抗拉強度為780～1000MPa，并具有很好的沖擊韌性和延展性。 （2）超馬氏體不銹鋼的顯微組織為低碳回火馬氏體。根據含鎳量的多少及熱處理條件的差異，一些超馬氏體不銹鋼的組織可能出現部分細化彌散的殘留奧氏體和少許的б鐵素體。 （3）由于含碳量比傳統馬氏體不銹鋼低，而且，鋼中增加了適量的鎳和鉬， 因而，耐腐蝕性有所提高， （4）超馬氏體不銹鋼焊接性能比傳統馬氏體不銹鋼好，可以采用常規的焊接工藝實施焊接。低碳低氮超馬氏體不銹鋼可以在焊接狀態下使用，必要時可以施以焊后熱處理，以獲得較低的硬度和更好的韌性。 （5）超13Cr不銹鋼是一類經濟適用的新鋼種，其使用成本比雙相不銹鋼低35%～40%，從而使這類鋼在不銹鋼家族中具有極強的競爭優勢，應用前景十分廣闊。 石油化學和化學工業 石油化學和化學工業腐蝕環境的特征是反應溫度較高，介質中常含有高濃度或中等濃度的氯化物，容易誘發不銹鋼的應力腐蝕斷裂。在這一領域中不僅使用雙相不銹鋼，更多的還要使用超級雙相不銹鋼。 氯化烯生產裝置 氧氯化法生產氯乙烯的腐蝕環境是相當苛刻的，各種級別的雙相不銹鋼用于制造該裝置中的容器、熱交換器和管道系統，*苛刻的腐蝕條件是接觸鹽酸，超級雙相不��鋼多用于制造關鍵設備，如氧氯化反應器、HCl冷卻器和氯乙烯塔等。 醋酸等有機酸的生產裝置 雙相不銹鋼在有機酸中有較好的耐腐蝕性，在醋酸生產中往往加入各種鹽類的觸媒，即使是超級雙相不銹鋼也不耐含Fe3+、Cu2+氧化性離子的氯化物觸媒的腐蝕，但在用還原性觸媒如MnCl2、MnAC（醋酸錳）的醋酸中，超級雙相不銹鋼SAF2507卻有好的耐腐蝕性。在生產對苯二甲酸二甲酯時，采用NaBr和MnAc的觸媒，工藝中醋酸也是雙產品（它回收后的濃度可達90%，125C），使用904L和825合金都不是很理想，超級雙相不銹鋼Zeron100和SAF2507可用作**冷卻器和觸媒再生設備。 在甲醛生產介質中SAF2507鋼有很好的耐腐蝕性，優于904L和含6%Mo的高合金奧氏體不銹鋼，可用作塔器和蒸發器，使用條件： 管程：甲醛，微量甲酸，200℃，0.8MPa 殼程：蒸汽，230℃，0.7MPa 二氧化氯漂白液筒的典型介質條件為pH6～7，70℃， ≥600ppmCl-，300ppmClO3-和20～200ppmClO2。在此介質中UR45N（SAF2205）盡管較316L鋼好，但仍有孔蝕，*好是使用超級雙相不銹鋼UR52N+、SAF2507等，可以和含6%Mo的奧氏體不鋼相媲美。 超級雙相不銹鋼也已在油、氣工業中使用，如UR52N+已用在北海油田的油氣集合管和輸送管線，SAF2507鋼用的阿拉斯加、北海、墨西哥灣等地的油氣井生產，海上采油平臺設施以及油氣輸送管線等，多用在沒有緩蝕劑的苛刻酸性環境。 目前就熱海水用鋼而言，大多數都是使用25Cr-3Mo型的雙相不銹鋼，當然超級雙相不銹鋼有更好的使用效果，例如SAF2507鋼制造的海水熱交換器，殼程是含有少量氟化物的丁烷（入口溫度80℃，出口溫度30℃），管程是海水，工藝溫度可能從40℃升至80℃，鈦管因不耐F-腐蝕，只能用3個月，SAF2507使用3年后仍未發現腐蝕。北海采油平臺上的管道系統使用的是Zeron100鋼，海水出口溫度可達60～65℃，也未發現腐蝕問題，而使用6%Mo的奧氏體不銹鋼時，在此溫度會產生應力腐蝕斷裂。 近年為解決微生物腐蝕的問題，往往采用次氯酸鹽**，采用間歇式或連續式使海水氯化。例如，連續式氯化海水時，殘余氯含量0.1～0.2ppm已足以死微生物。氯化海水的腐蝕性比自然海水苛刻，提高了它的氧化還原電位，使金屬材料對孔蝕和縫隙腐蝕更敏感。SAF2507鋼用在以氯化海水為冷卻介質的熱交換器，海水側出口溫度可達45～50℃。 能源與環保工業 北美、歐洲和日本等國為減少發電廠煤的燃燒對大氣造成的污染，防止酸雨，自80年代末期廣泛采用FGD（煙氣脫硫）法脫去燃燒氣體中的硫。FGD裝置中的一些重要部件，如容器、風扇（葉片）、攪拌器、泵、閥和離心機等，要求既能耐氯化物腐蝕，又能耐苛刻的磨粒磨損和泥漿的磨損腐蝕。雙相不銹鋼和超級雙相不銹鋼在某些介質條件下能夠滿足耐腐蝕性能和工程經濟性的要求。 德國RASF兩家電站的FGD廠采用Na2SO3的50℃水溶液吸收煙氣中的SO2，在蒸發工序的設備采用了德國的1.4462（00Cr22Ni5Mo3N）雙相不銹鋼，但是要注意控制鹵素離子的含量，Cl-離子*高值為2000mg/L。該廠的雙相不銹鋼設備使用3年后情況良好。 在北美和歐洲普遍采用的另外一種工藝，即石灰/石灰石工藝。該工藝是用石灰或石灰石泥漿洗滌含有SO2的氣體，由于在洗滌器的某些區內被污染的氣體與溶液的反應不完全，有酸的冷凝與氯化物和氟化物結合，在溫度作用下構成非常嚴苛的腐蝕環境。當然，隨著工藝參數、燃料種類以及水中氯離子含量的不同，腐蝕環境的苛刻程度也有所不同，因此，設備的選材也有差別。 典型的介質條件是：40～80℃，5>pH>3，約0.1%～0.5%氯化物，約500ppm氟化物，如有沉積物生成，條件會更苛刻，而且由于局部的酸化和濃縮現象，pH值可能降至1，甚至是0，而氯化物的濃度增至5%～10%，氟化物的濃度增至1000ppm。 在這樣的條件下，自1986年開始使用超級雙相不銹鋼UR52N+（00Cr25Ni6.5Mo3.5CuN）制造洗滌器和吸收器，還包括其他一些內件和襯里等設備，其中也有使用普通雙相不銹鋼制造離心式風扇葉片、煙氣管道的膨脹結和風門、廢水處理的給水物流熱交換器等。 | 
