超級奧氏體不銹鋼的性能對比
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1.1 化學成分與金相組織
一些主要高合金奧氏體不銹鋼的主要化學成分在表1中給出。其中AL－6X和254 SMO為典型的6鉬超級奧氏體不銹鋼，而654 SMO為典型的7鉬超級奧氏體不銹鋼。
超級奧氏體不銹鋼的基本金相組織為典型的，百分之百的奧氏體。但由于鉻和鉬的含量均較高，很有可能會出現些金屬中間相，如chi和σ相。這些金屬中間相常常會出現在板材的中心部位。但是如果熱處理正確，就會避免這些金屬中間相的生成，從而得到近百分之百的奧氏體。254 SMO 的金相組織沒有任何其它金屬中間相。該組織是經在1150～12000C溫度下熱處理之后得到的。
在使用過程中，如果出現了少量的金屬中間相，它們也不會對機械性能和表面的耐腐蝕性能有很大的影響。但是要盡量避免溫度范圍600～10000C，尤其是在焊接和熱加工時。
1.2 機械性能
奧氏體結構一般具有中等的強度和較高的可鍛性。在加入一定量的氮之后，除提高了防腐能力外，在保持奧氏體不銹鋼可鍛性和韌性的同時，高氮超級奧氏體不銹鋼還具有很高的機械強度。其屈服強度比普通奧氏體不銹鋼要高出50～100％。在室溫和較高溫度下氮對機械性能的影響分別在表2和表3有所顯示。
表2 ＋20℃溫度下高合金奧氏體不銹鋼的機械性能
| 合金 | 鋼種牌號 | 氮含量 | 屈服強度 | 抗拉強度 | 延伸率 | ||
| ASTM | EN | GB | % | Rp0.2MPa | RmMPa | As% | |
| 316L | 316L | 1.4404 | 0.06 | 220 | 520 | 45 | |
| 904L | NO8904 | 1.4539 | 00Cr20Ni25Mo4.5Cu | 0.06 | 220 | 520 | 35 |
| 317LMN | 317LMN | 1.4439 | 0.15 | 270 | 580 | 40 | |
| 254SMO | S31254 | 1.4547 | 00Cr20Ni18Mo6CuN | 0.20 | 300 | 650 | 40 |
| 654SMO | S32654 | 1.4652 | 0.50 | 430 | 750 | 40 | |
| 合金 | ASTM | EN* | GB | 氮含量% | 100℃ | 200℃ | 400℃ |
| 316L | 316L | 1.4404 | 0.06 | 166 | 137 | 108 | |
| 904L | N08904 | 1.4539 | 00Cr20Ni25Mo4.5Cu | 0.06 | 225 | 175 | 125 |
| 317LMN | 317LMN | 1.4439 | 0.15 | 225 | 185 | 150 | |
| 254SMO | S31254 | 1.4547 | 00Cr20Ni18Mo6CuN | 0.20 | 230 | 190 | 160 |
| 654SMO | S32654 | 1.4652 | 0.50 | 350 | 315 | 295 |
1.3 物理性能
物理性能主要取決于奧氏體結構，同時也部分地取決于材料的化學成分。就是說超級奧氏體不銹鋼較普通奧氏體不銹鋼，如304或316型，在物理性能方面是沒有很大區別的。表4列出不同合金的一些典型物理性能值。
表4 一些不銹鋼與一種鎳基合金的物理性能
| 合金 | 鋼種牌號 | 密度 | 彈性模量 KN/mm2 | 熱膨脹系數×10-6/℃ | 導熱系數W/m℃ | |||||
| ASTM | EN* | GB | kg/dm3 | 20℃ | 400℃ | 20℃ | 400℃ | 20℃ | 400℃ | |
| 2205 | S31803 | 1.4462 | 7.8 | 200 | 172 | 13.0 | 14.5 | 15 | 20 | |
| 304 | 304 | 1.4301 | 7.9 | 200 | 172 | 16.0 | 17.5 | 15 | 20 | |
| 254SMO | S31254 | 1.4547 | 00Cr20Ni18Mo6CuN | 8.0 | 195 | 166 | 16.5 | 18.0 | 14 | 18 |
| 合金625 | N10276 | 2.4856 | 8.4 | 200 | 180 | 12.0 | 13.5 | 10 | 16 | |
2 超級奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能
在很大程度上，奧氏體不銹鋼的發展是為了滿足各種環境中對防腐性能的要求。許多合金曾是被設計用于一種特定環境的，隨后其應用范圍發展得越來越廣泛。因此，對超級奧氏體不銹鋼的選用，其耐腐蝕性能是一個很重要的依據。這里主要介紹均勻腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕破裂。
3.1 均勻腐蝕
提高不銹鋼穩定性的最重要合金元素為鉻和鉬。超級奧氏體不銹鋼中這些成分的含量均較高，因此在各種溶液中都顯出很好的耐腐蝕性。在有些環境中，硅、銅和鎢等元素的添加可進一步提高材料的耐腐蝕性。
圖1所示是一些奧氏體不銹鋼在純硫酸中的等腐蝕速度曲線圖。可以看出，合金含量較高的不銹鋼，如904L，254 SMO和654 SMO等，在較大濃度和溫度范圍內比普通型奧氏體不銹鋼，如304和316等，具有更好的耐腐蝕性。該圖同時也顯示了高硅不銹鋼SX具有非常強的，抵抗濃硫酸的能力。
圖1 一些奧氏體不銹鋼在純硫酸中的等腐蝕速度曲線圖，腐蝕速度為0.1毫米/年
說明在特定環境中抗均勻腐蝕能力的另一個方法是測量造成每年0.1毫米(或每年0.5毫升)腐蝕速度的溫度。表5例出了一系列濃度不同的化學溶液。這些溶液都是在化學生產中較常見的，同時也給出了不同鋼種在這些溶液中腐蝕速度為0.1毫米/年時的臨界溫度。可以看出，臨界溫度隨著合金含量的增加而提高。在所有溶液中超級奧氏體不銹鋼，如254 SMO和654 SMO的臨界溫度都是最高的，充分顯示了其優異的耐均勻腐蝕性能。
表5還包括了兩種常見的濕法工業磷酸，WPA 1和WPA 2其主要成分在表6中給出。
表5 在不同化學制品中導致0.1毫米/年的腐蝕速度的臨界溫度℃
| 溶液 | 654SMO | 254SMO | 317LMN | 2205 |
| 1%HCi | 95 | 70 | 50 | 85 |
| 10%H2SO4+0.33%NaCl+SO2,飽和 | 75 | 60 | 50 | <10 |
| 96%H2SO4 | 30 | 20 | 35 | 25 |
| 85%H3PO4 | 90 | 110 | 120 | 50 |
| 83%H3PO4+2%HF | 85 | 90 | 120 | 50 |
| WPA1 | 95 | 80 | 50 | 45 |
| WPA2 | 80 | 60 | 35 | 60 |
| 5%CH3COOH+50%(CH3CO)2O | >126* | 126* | >126* | 100 |
| 50%NaOH | 135 | 115 | 144* | 90 |
| 表6 WPA 1和WPA 2的主要化學成分，重量百分比 |
| WPAM No | H3PO4 | Cl- | F- | H2SO4 | Fe2O3 | Al2OS | SiO2 | CaO | MgO |
| 1 | 75 | 0.20 | 0.5 | 4 | 0.3 | 0.2 | 0.1 | 0.2 | 0.7 |
| 2 | 75 | 0.02 | 2.0 | 4 | 0.3 | 0.2 | 0.1 | 0.2 | 0.7 |
因此，在為制造業中的設備，如反應器、管道和儲罐，推薦最適合的不銹鋼時一定要非常謹慎。最好能掌握有關工況條件的具體數據。
2.2 點腐蝕和縫隙腐蝕
點腐蝕和縫隙腐蝕是兩種緊密相關的腐蝕類型，均屬于局部腐蝕。其主要生產條件為含有氯離子的環境。但溫度及酸堿度(pH值)等也起著很重要的作用。當不銹鋼處于含氯環境中時，在一定溫度下就會發生點腐蝕。眾所周知，鉻和鉬含量的提高有助于增強不銹鋼抗局部腐蝕的能力。鉻、鉬和氮對抵抗局部腐蝕能力的綜合影響，經常用經驗公式WS（Wirksumme）來表示。
WS(PRE)=％鉻＋3.3×％鉬＋16×％氮
式中的WS值一般被稱之為“耐點腐蝕能力指數(PRE)”。所以也常常用PRE來表示。公式所給出的氮的系數16是最經常使用的。但據文獻報道也有采用其它系數的，比如Mannesmann研究院的Herbsleb博士就建議使用30。諸如鎢等其它成分對防腐性能也有積極影響。按重量百分比的算法計算，其效果約為鉬的一半。為了進行比較，同時用16和30作為PRE 公式中氮的系數為表1中的一些鋼種計算PRE值。結果在表7中給出。
表7 PRE值及一些高合金不銹鋼的臨界點蝕溫度和臨界縫隙腐蝕溫度
| 合金 | ASTM | EN* | PRE(16) | PRE(30) | CPT℃** | CPT℃** |
| 2205 | S31803 | 1.4462 | 34 | 36 | 53 | 35 |
| 317LMN | 317LMN | 1.4439 | 33 | 35 | 53 | - |
| 904L | NO8904 | 1.4539 | 36 | 37 | 61 | 15 |
| Sanicro28 | - | 1.4563 | 39 | 40 | - | - |
| AL-6X | - | - | 41 | 41 | - | - |
| 254SMO | S31254 | 1.4547 | 43 | 46 | 90 | 60 |
| 654SM0 | S32654 | 1.4652 | 56 | 63 | >100 | 100 |
可以看出， PRE(16)和PRE(30)對許多鋼種來說差別并不是很大。最重要的是兩個系數對排列不同不銹鋼并無任何影響。
表7同時也給出了一些不銹鋼的臨界點蝕溫度(CPT)和臨界縫隙腐蝕溫度(CCT)。這兩個臨界溫度常常被用來衡量不銹鋼耐局部腐蝕的能力。大量的研究工作和實用經驗表明，PRE值與不銹鋼耐局部腐蝕的能力，如CPT和CCT值，是成比例關系的。317LMN，904L兩種奧氏體不銹鋼和2205型雙相不銹鋼的 PRE 值大致相同，其抗點蝕和縫隙腐蝕的能力也應該是相同的。所記錄的使用數據顯示，904L不銹鋼的抗點蝕能力略優于其它鋼種，而2205的抗縫隙腐蝕能力則較強，這種現象與實際使用情況相符。
含6％鉬和7％鉬的超級奧氏體不銹鋼，如254 SMO和654 SMO，均具有較高的PRE值和CPT/CCT值，見表7。表示其優越的耐局部腐蝕的能力。因此，超級奧氏體不銹鋼家族也一直被廣泛地應用于抗點蝕要求較高的用途中，比如用作海水處理設備，紙漿漂白及煙氣脫硫裝置中的部件等。在一次用于評估煙氣脫硫設備所用材料的試驗中測定了會導致縫隙腐蝕的臨界氯離子濃度。材料被浸泡在飽含二氧化硫并含有酸性(pH值為1)氯化物，且溫度為80℃的溶液中。對一些侯選材料的測試結果如表8所示。
表8 在溫度為80℃的模擬脫硫塔環境中可導致縫隙腐蝕的臨界氯含量
| 合金 | ASTM | EN* | Cl-ppm |
| 316L | 316L | 1.4404 | 50 |
| 904L | N08904 | 1.4539 | 500 |
| 254SMO | S31254 | 1.4547 | 5000 |
| 654SMO | S32654 | 1.4652 | 12500 |
| 合金625 | NO6625 | 2.4856 | 4000-5000** |
由此可見，在這個非常苛刻的環境中，超級奧氏體不銹鋼的防腐蝕能力與鎳基合金是在一個水平上的。
2.3 應力腐蝕破裂
普通奧氏體不銹鋼比鐵素體不銹鋼和雙相不銹鋼更容易發生由氯化物引起的應力腐蝕破裂。然而，超級奧氏體不銹鋼卻具有非常高的抗應力腐蝕破裂的能力，在許多情況下其效果還優于雙相不銹鋼抗應力腐蝕破裂的能力。表9所示為蒸發情況下(根據點滴試驗確定)導致應力腐蝕破裂的臨界應力。測試時間為500小時。
可以清楚地看出，與普通不銹鋼相比，超級奧氏體不銹鋼有著非常優異的抗應力腐蝕破裂的能力。
表9 導致裂紋的臨界應力
| 合金 | ASTM | EN* | 200℃時的臨界屈服強度 |
| 316 | 316 | 1.4401 | <10 |
| 2205 | S31803 | 1.4462 | 40 |
| 904L | N08904 | 1.4539 | 70 |
| 254SMO | S31254 | 1.4547 | 90 |
| 654SMO | S32654 | 1.4652 | >100 |
硫化氫(常出現于油井和氣井中)的存在會增加出現應力腐蝕破裂的風險。因為鐵素體相的氫脆性，雙相不銹鋼，特別是經過深加工的部件，則較容易出現裂紋。在硫化氫和氯離子同時存在的情況下，不銹鋼出現應力腐蝕破裂的危險性就更大。而超級奧氏體不銹鋼在此類“酸性”環境中是具有很強的抗應力腐蝕破裂能力的。NACE MR0175－95是專門為油氣生產中，針對硫化應力腐蝕破裂問題如何選材所制定的標準。此標準中包括了254 SMO，而且也同時包括了退火和冷加工狀態。所容許的最大硬度值(35 HRC)也比普通型奧氏體不銹鋼 (22 HRC)要高的多。從這一點看，在含有大量硫化氫，最惡劣的油氣環境中，超級奧氏體不銹鋼是最佳的材料選擇。
2.4 海水中的腐蝕
導致不銹鋼發生點蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕破裂最常見的環境是在水中，尤其是在海水中。因為海水的氯離子含量是非常高的。由于超級奧氏體不銹鋼的臨界點腐蝕溫度和臨界縫隙腐蝕溫度均非常高，見表7，說明其在海水中耐局部腐蝕的能力也是非常的強。所以含6％鉬和7％鉬超級奧氏體不銹鋼同鎳基合金一樣曾廣泛地被應用于海水中。由于實際情況有很大的不同，所報道的使用結果也大不相同。有的使用了幾年仍狀況良好，有的僅在一年之內就出現了嚴重的腐蝕問題。如同所有與含氯化物的水接觸的不銹鋼一樣，決定性的因素仍是因焊接而產生的氧化物和微小的縫隙，同時殘余氯含量也是一個非常重要的因素。
添加到海水中用于殺死海洋微生物的氯是一種很強的氧化劑，它可輕易地使不銹鋼的腐蝕電位超過其臨界點蝕和縫隙腐蝕電位。
在低于50℃的情況下，在干凈的6鉬超級奧氏體不銹鋼表面不應出現任何點蝕問題。但在一些實際應用中，也有6鉬超級奧氏體不銹鋼在較高工作溫度下具有較好使用性能的實例。最具限制性的因素是縫隙腐蝕。如果縫隙情況嚴重的話，即使在20～30℃)的溫度下也會發生腐蝕。然而，至少在溫度高達30℃及殘余氯含量約為百萬分之0.5的情況下，這種類型的不銹鋼一般都是合格的。在縫隙情況很嚴重時(比如在某些類型的板式換熱器上會發現這種情況），即使將溫度一直保持在25℃以下，一般也不將6鉬超級奧氏體不銹鋼用于此類用途。在縫隙很嚴重但未添加氯的用途中，至少在35℃的溫度下，6鉬超級奧氏體不銹鋼的使用則一直是很成功的。
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