2205雙相不銹鋼的研制

孫廣申++申鵬++楊振

摘 要： 2205雙相不銹鋼是一種低鎳、高氮、高性能雙相不銹鋼，在一定程度上可以代替18-8型奧氏體不銹鋼，且成本低廉。但其熱加工塑性較差，通過研究表明精確控制2205雙相不銹鋼的純凈度、Creq/Nieq、組織成分、加熱制度、軋制工藝及固溶工藝，可生產(chǎn)出表面質(zhì)量良好無邊裂的板卷。

前言

2205雙相不銹鋼是一種低鎳、低鉬、高氮雙相不銹鋼，其相比例大概在1：1左右，相比較其他節(jié)約型雙相不銹鋼相平衡較好，力學(xué)性能高，室溫屈服強是304的2倍左右，耐點蝕性能與普通奧氏體不銹鋼304和316L合金相當(dāng)，在中等腐蝕環(huán)境中如石化、造船、建筑、凈化水、化工等諸多領(lǐng)域得到較廣泛的應(yīng)用。

但其熱加工塑性較差，熱加工時在表面及邊部易產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重影響了其板面質(zhì)量。據(jù)一些研究者指出，雙相不銹鋼的熱塑性主要與雙相不銹鋼的純凈度、Creq/Nieq當(dāng)量比、相界結(jié)合力、組織成分、加熱制度、軋制工藝等有關(guān)系，通過精確控制這些因素可以生產(chǎn)出質(zhì)量較好的2205雙相不銹鋼板材。

1.2205雙相不銹鋼工藝控制流程

工藝流程控制

東方特鋼2205雙相不銹鋼生產(chǎn)工藝為：電爐→AOD→LF→連鑄→加熱→熱軋→退火處理→酸洗→包裝。在初研制2205雙相不銹鋼板卷時邊部邊裂嚴(yán)重、表面質(zhì)量差，嚴(yán)重影響了板卷的表面質(zhì)量和成材率。通過嚴(yán)格控制冶金成分、Creq/Nieq當(dāng)量比、微合金元素含量、內(nèi)部質(zhì)量、鑄坯組織、合理的熱加工工藝及退火工藝制度，成功研制出了2205雙相不銹鋼板卷，表1是2205雙相不銹鋼主要化學(xué)成分。

2. 影響2205雙相不銹鋼熱加工性能的因素

2.1嚴(yán)格控制2205雙相不銹鋼內(nèi)部質(zhì)量

據(jù)很多國內(nèi)外研究表明嚴(yán)格控制雙相不銹鋼內(nèi)部質(zhì)量有利于熱加性能的改善，雙相不銹鋼內(nèi)部夾雜主要與硫、氧有關(guān)，這兩種元素主要以低熔點MnS和 Al2O3復(fù)合夾雜物存在，由于這些夾雜物的存在導(dǎo)致熱加工塑性較差，加工時易在雜質(zhì)的周圍形成應(yīng)力集中點，進而對2205雙相不銹鋼的熱加工塑性產(chǎn)生不利影響，當(dāng)硫的含量大于30ppm、氧大于50ppm時雙相不銹鋼的熱加工性能較差，邊部及表面易產(chǎn)生裂紋，經(jīng)工藝改進可以把硫含量控制在10ppm以下，而氧可以控制在30ppm以下。

通過添加稀土、鈣和硼元素來提高2205雙相不銹鋼的熱加工塑性，稀土、鈣主要和O及S形成CaO和Ce2O3， CaS ，CeS 及 LaS等物質(zhì)，來提高鋼的純凈度、凈化晶界、改性雜質(zhì)、改善雜質(zhì)的分布、細(xì)化組織進而來提高2205雙相不銹鋼的熱加工塑性。添加硼元素添加可以細(xì)化雙相不銹鋼的組織，提高晶界能進而來提高其高溫?zé)峒庸ば阅堋ｋm然這些微合金元素對雙相不銹鋼的熱加工性能都有改善的作用，但當(dāng)超過一定含量時反而對雙相不銹鋼的熱加工性能不利，通過實驗鈣的含量在：0.005%～0.02%、硼含量：0.0005%～0.005%、稀土（鈰和鑭）含量在：0.005%～0.1%之間為宜。

2.2氮/鎳的含量控制

氮和鎳元素主要是奧氏體形成元素，氮和鎳的含量決定了2205雙相不銹鋼的Creq/Nieq當(dāng)量比，據(jù)有些研究指出適當(dāng)提高Creq/Nieq當(dāng)量比有利于高溫鐵素體的數(shù)量，使其盡量在單相區(qū)加工，進而有利于2205雙相不銹鋼的高溫塑性。隨著氮含量的提高， 2205雙相不銹鋼的高溫奧氏體相含量增加，同時兩相間的強度差也有增大趨勢，當(dāng)高溫變形時，使應(yīng)變更加容易在鐵素體中產(chǎn)生，減小了奧氏體相的應(yīng)變分布，從而導(dǎo)致高溫?zé)崴苄缘南陆怠ｆ囋氐暮繉﹄p相雙相不銹鋼高溫塑性的影響沒有氮元素那么強烈，主要是由于兩者的固溶形式不同，氮元素在鋼中以間隙固溶體主要存在奧氏體相中，而鎳元素主要以代位固溶體存在，同時鎳元素的增加有利于氮元素在奧氏體中的稀釋。所以嚴(yán)格控制2205雙相不銹鋼的鉻鎳當(dāng)量比、降低氮元素的含量及控制鎳元素的含量對2205雙相不銹鋼的順利生產(chǎn)有重要的意義。

2.3加熱工工藝制度

據(jù)研究表明當(dāng)2205雙相不銹鋼成分及組織確定后，溫度、道次壓下量是影響雙相不銹鋼的熱加工性能的關(guān)鍵因素，隨著溫度的升高鐵素體含量呈線性增加趨勢，鐵素體含量和奧氏體含量之間的差距在增大，這說明高溫對雙相不銹鋼的熱加工性能有利，鑄坯鐵素體含量與溫度之間的關(guān)系見圖2所示，由圖可知即使在1280℃，奧氏體的含量也有30%左右，所以想在單一鐵素體組織內(nèi)加工是困難的。同時有研究指出當(dāng)熱加工溫度過高時雙相不銹鋼鋼熱加工塑性反而降低，而當(dāng)2205雙相不銹鋼熱加工溫度較低時，如在850℃以下加工，又會有σ相析出的危險，σ相塑性較差，對2205雙相不銹鋼的熱加工性能不利。2205雙相不銹鋼鑄坯顯微組織與溫度之間的關(guān)系見圖3所示，白色為奧氏體組織，黃色為鐵素體組織，可以看出隨著溫度的升高奧氏體逐漸轉(zhuǎn)變成鐵素體，形態(tài)也有纖維帶狀逐漸轉(zhuǎn)變成島狀，而少量奧氏體組織中含有大量的氮元素將導(dǎo)致其強度升高，也可能是導(dǎo)致雙相不銹鋼在較高溫度時塑性較差的原因之一，所以2205雙相不銹鋼熱加工溫度一般選在900～1250℃進行較為合適。

雙相不銹鋼是由鐵素體和奧氏體兩相按照一定的不利構(gòu)成的，兩相成分、強度的不同導(dǎo)致其熱加工時變形塑性也不近相同，在相界處易造成應(yīng)力集中，進而會產(chǎn)生裂紋。有些研究指出隨著初軋道次壓下量減小，軋制道次的增加表面裂紋也呈下降趨勢，甚至雙相不銹鋼表面無裂紋產(chǎn)生。同時也有研究指出隨著變形速率的降低，2205雙相不銹熱塑性呈增加趨勢。所以一般粗軋道次控制在7～11道次，軋制到厚度為30mm左右，然后精軋控制在7～9道次軋制到成品厚度，而初軋壓下量在10%以下為宜。

2.4熱處理工藝的確定

有研究指出，當(dāng)雙相不銹鋼的相比例在1：1左右時，其綜合性能較好，通過1000～1150℃固溶實驗，確定2205雙相不銹鋼熱處理溫度在1040～1080℃之間，這時其鐵素體含量在50%左右，抗拉強度在750Mpa左右，屈服強度520Mpa左右，耐晶間腐蝕（GB/4334.3-2000）性能0.13～0.16g（m2/h），而耐點蝕（GB/T 17897-1999）性能在4～8 g（m2/h），圖4是1080℃熱處理后顯微組織。

3.性能檢測

工業(yè)退火酸洗溫度控制在1040～1080℃，圖5是鐵素體含量在53%左右的2205雙相鋼顯微組織。圖6是2205雙相不銹鋼與304和316L力性能及耐腐蝕性能對比，從力學(xué)性能來看2205雙相不銹鋼的抗拉強度優(yōu)于304和316L奧氏體不銹鋼，屈服強度大概是304和316L的1.7倍，耐點蝕（GB/T 17897-1999）性能均優(yōu)于304和316L奧氏體不銹鋼，耐晶間腐蝕性能（GB/4334.3-2000）和304腐蝕性能相當(dāng)，但優(yōu)于316L奧氏體不銹鋼（敏化處理）。

結(jié)論

通過嚴(yán)格控制冶金成分、Creq/Nieq當(dāng)量比、鑄坯組織、微合金元素含量、內(nèi)部質(zhì)量、合理的熱加工工藝及退火工藝制度，成功研制出了2205雙相不銹鋼板卷。

參考文獻

[1]吳玖，馬燕文，董重寧等. TDS00Cr21Mn5Ni1N經(jīng)濟型雙相不銹鋼的研究[Z].第三屆中國國際雙相不銹鋼大會，太原，2009.

[2]李國平，李 俊，范新智等. TDS00Cr21Mn5Ni1N雙相不銹鋼板材的研制[J]. 鋼鐵，2009，44（9）：99-102.

[3]林剛，張志霞，宋洪偉.雙相不銹鋼高溫微觀變形行為[J].鋼鐵研究學(xué)報，2008，20（6）：19-44.

[4]王一德，李國平，王立新等. 00Cr22Ni3Mo3N雙相不銹鋼板材的生產(chǎn)工藝[J].特殊鋼，2001，22（5）：36-37.

[5]吳玖. 雙相鋼[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1999：22-68.