在線固溶處理對2507 雙相不銹鋼組織及性能的影響

徐海健，韓楚菲，郭 誠，喬 馨，劉 留，沙孝春*

（1.鞍鋼股份有限公司，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼建設集團有限公司，遼寧 鞍山 114009）

0 引言

相比于傳統雙相不銹鋼，2507 超級雙相不銹鋼具有更高的強度、耐點腐蝕、縫隙腐蝕能力，尤其在高氯服役環境中具有更優異的耐腐蝕性能，以及優異的熱導性和低的熱膨脹系數，被廣泛應用于石油石化工業和海洋裝備等苛刻環境[1-5]。目前，傳統2057 雙相不銹鋼中厚板熱處理工藝為離線固溶，然而實際鋼板制造過程中，離線熱處理會導致鋼板成本增加。TMCP 工藝結合了傳統控制軋制與控制冷卻技術，實現組織與性能精確控制，使鋼材在后續不采用熱處理的情況下，獲得優異的組織與性能。目前，采用TMCP 工藝生產低合金鋼的中厚板已廣泛應用，如管線、橋梁和海工鋼等[6-8]。在不銹鋼中厚板制造領域，Ikeda 等采用TMCP 工藝生產的高Mn 奧氏體不銹鋼中厚板，與離線處理相比，鋼板的強度更高但韌性略低[9]。吳明睿等研究了采用TMCP工藝生產的2205 雙相不銹鋼的強度高于離線處理，耐蝕性能與離線處理相當[10]。然而，目前國內外對特超級雙相不銹鋼在線熱處理工藝的研究少有報道。

傳統的雙相不銹鋼生產工藝采用軋后固溶處理，以消除軋制過程中產生的脆性相（χ、σ 相、碳化物和氮化物等），同時平衡奧氏體與鐵素體兩相比例，并使Cr、N、C 等溶質元素均勻擴散，保證產品具有良好的綜合性能[11]。為進一步提高2507 強度，并節省軋后的后續能源成本，筆者嘗試將TMCP 工藝用于2507 中厚板的生產，通過控制終軋溫度在1 000 ℃及以上，然后通過控冷快速水冷至室溫，并與常規的固溶處理鋼板進行組織、性能的系統研究比較，以期為研究低成本特超級雙相不銹鋼生產工藝提供理論基礎。

1 試驗材料與方法

試驗所選用2507 連鑄坯的尺寸為195 mm×1 650 mm×2 600 mm，化學成分（%）為：Fe-0.252N-0.019C-25.41Cr-6.45Ni-0.66Mn-3.72Mo-0.47Si-0.025P-0.0005S，連鑄坯生產工藝路徑為：EAFAOD-LF-連鑄-修磨-噴涂。利用Jmat-Pro 熱力學計算軟件計算2507 雙相不銹鋼的脆性相析出溫度為1 050 ℃，基于此設定鋼板在線固溶處理生產工藝為：連鑄坯1 200 ℃保溫4 h，采用8 道次軋制，成品鋼板目標厚度40 mm，待溫時間分別為0、30、60 s，對應的水冷起始溫度約為1 020、980、930 ℃，軋后快速水冷至室溫，水冷速率為30 ℃/s，即TMCP 態。與在線固溶處理工藝相比，離線處理生產工藝區別在于軋后鋼板空冷至室溫，然后在1 020 ℃退火40 min，即常規固溶處理。采用定量金相法測量TMCP 態和常規固溶態試樣中的奧氏體與鐵素體兩相比例，金相采用電解法，電解液為35 gKOH+110 mL 去離子水，腐蝕時間約20 s。

利用Zeiss Imager 顯微鏡觀察不同條件下試樣的組織形貌，并按照ASTM E1245 標準進行兩相比例含量的測量。采用Jeol 7100F 掃描電鏡對不同狀態試樣的兩相區成分及脆性相的演化進行分析。利用JEOL 2100F 透射電子顯微鏡（TEM）對2507雙相不銹鋼在不同狀態下位錯演化及脆性相的結構進行分析。TEM 試樣雙噴液為8% HClO4+90%CH3CH2OH 溶液，電壓為20 V,溫度為-20 ℃。采用ShimadzuAG-C plus 萬能材料試驗機進行拉伸試驗，拉伸試樣沿著軋制方向進行取樣，每組工藝2 個。夏比沖擊試樣按照GB/T2975 標準進行，試樣加工沿著軋制方向進行取樣，每組工藝3 個。

2 試驗結果與分析

2.1 在線固溶與離線固溶對雙相不銹鋼組織的影響

圖1 是在線固溶處理（輥道待溫時間0 s）和離線固溶處理的2507 雙相不銹鋼的縱向截面的金相組織。由圖1 可知，在線固溶處理態的組織中奧氏體與鐵素體相界呈鋸齒狀分布，粗大的鐵素體呈帶狀和網狀的分布，其中很多島狀和鋸齒狀奧氏體；而離線固溶態的組織中奧氏體與鐵素體相界比較平滑，鐵素體以帶狀和島狀分布為主，奧氏體以塊狀分布為主。兩種不同處理狀態的組織分布不同，這主要由于采用在線固溶處理的雙相不銹鋼在輥道無待溫時間，導致鐵素體向奧氏體的轉變無法充分進行，造成鐵素體相較為粗大，奧氏體相較為細小以及兩相的相界較為粗糙；而離線固溶處理態經歷了較長時間（40 min）的高溫固溶處理，導致鐵素體向奧氏體相的轉變較充分，最終形成穩定均勻分布的兩相組織。

圖1 不同狀態下2507 雙相不銹鋼的組織形貌Fig.1 Morphologies of 2507 duplex stainless steels

通過SEM 能譜獲取不同狀態下鐵素體和奧氏體相在不同區域的溶質元素分布數據分析可知，在線固溶處理的鐵素體與奧氏體不同位置的成分差異較為明顯，鐵素體相中不同區域Cr、Ni 含量分別相差1.3%和0.7%，奧氏體相不同區域Cr、Ni 含量分別相差0.6%和1.1%，而離線固溶處理的試樣中各相的成分差異小于0.25%，這主要由于Cr、Ni 分別為易形成鐵素體和奧氏體元素，較短的待溫或保溫時間不能使溶質元素進行充分擴散，引起在線固溶處理的試樣中兩相中合金元素存在偏析。按照ASTM E1245 標準對圖1 中不同狀態下兩相比例含量進行測量，兩種狀態下鐵素體含量存在明顯差異，在線固溶態的平均鐵素體含量（63%）比離線固溶態鐵素體含量（55%）高8%。由Jmat-Pro 熱力學計算軟件分析結果可知（圖2），2507 雙相不銹鋼經過長時間保溫后，隨著溫度降低，鐵素體含量從1 200 ℃的70%減少到1 020 ℃的48%。離線固溶處理態2507 不銹鋼的鐵素體含量接近熱力學模擬的平衡態，而在線固溶處理的鐵素體含量遠高于熱力學模擬的平衡態。這表明在線處理鋼板由于沒有足夠時間進行元素的自擴散，導致鐵素體向奧氏體相變轉變不夠充分，而離線固溶態的鋼板所經歷的時間和溫度場較為均衡，故沒有這種現象產生。

圖2 2507 雙相不銹鋼相圖模擬Fig.2 Phase diagram of 2507 duplex stainless steels

2.2 在線固溶工藝的輥道待溫時間對雙相不銹鋼組織的影響

圖3 為在線固溶處理鋼板在輥道不同待溫時間（0、30、60 s）下的組織形貌。隨著待溫時間增加，相界處鋸齒狀的奧氏體含量逐漸減少，但島狀及塊狀奧氏體數量增多。這主要是由于在軋制過程中，原始柱狀奧氏體晶逐漸破碎，形成鋸齒狀奧氏體，隨著待溫時間的增加，這些鋸齒狀奧氏體最終長大融合并形成島狀的奧氏體。由不同待溫時間的SEM 結果（圖4）可知，待溫時間0 s 的在線固溶處理鋼板鐵素體與奧氏體相界未發現脆性相存在，隨著待溫時間增加，溫度降低，鐵素體與奧氏體的相界有脆性相析出，且數量顯著增加，這與圖2 計算模擬的的結果趨勢相一致。

圖3 在線固溶處理下不同待溫時間的組織結構Fig.3 Morphologies of 2507 duplex stainless steels by online solution treatment with different holding times

圖4 在線固溶處理下不同待溫時間的析出相形貌Fig.4 Morphologies of the precipitates by on-line solution treatment with different holding times

利用HRTEM 對脆性析出相的晶體結構進行標定，結果如圖5 所示。圖5（a）～(d）分別為脆性相形貌、HRTEM 晶格像，傅里葉變換（FFT）衍射斑和經過FFT 過濾的HRTEM 晶格像。析出相對應的原子面間距為0.241 nm 和 0.195 nm，晶面夾角為114°，晶帶軸位[-2 2 1]，經過標定析出相為六方結構的Cr2N。這主要是由于2507 中Mn、N 為強烈的易形成奧氏體形成元素，導致其易在奧氏體相富集；而Cr 為易形成鐵素體相元素，隨著輥道待溫時間增加和溫度降低，導致鐵素體中N 元素逐漸向奧氏體相擴散，造成N 元素在鐵素體中的固溶度超過鐵素體的過飽和度，造成N 與Cr 元素發生相互作用形成脆性相Cr2N，未經過待溫處理鋼板，軋后快速入水，能夠使N、Cr 等元素在鐵素體與奧氏體相內形成過飽和，避免了脆性相析出溫度區間。

圖5 析出相的TEM 分析Fig.5 TEM analysis of precipitates

對在線處理態（待溫時間0 s）鐵素體與奧氏體相微觀組織進一步觀察，在鐵素體相中，存在大量位錯，如圖6 所示，這主要由于N 為易形成奧氏體元素，在奧氏體中富集，導致高溫奧氏體相硬度高于鐵素體相，在外加載荷作用下，鐵素體相更易于發生變形，導致其內部產生大量位錯。由于軋后鋼板未經過離線固溶處理，造成鋼板變形組織回復及再結晶不充分，大量的位錯被保留下來。

圖6 鐵素體相中位錯演化Fig.6 The dislocation evolution of ferrite

2.3 在線固溶工藝及待溫時間對雙相不銹鋼性能的影響

在線固溶處理（待溫30 s）和離線處理態鋼板的力學性能如表1 所示。在線固溶處理態鋼板屈服強度、抗拉強度分別提高25 MPa 和30 MPa，延伸率降低5%，-20 ℃沖擊功降低了22 J。相比離線固溶工藝，在線工藝提高了鋼板的強度，而塑韌性發生下降。這主要是由于采用在線工藝處理鋼板，待溫時間短，軋制過程中產生的鋸齒狀晶粒被保留至室溫，同時在奧氏體與鐵素體相界處會有脆性相析出，導致鋼板塑韌性及耐蝕性降低；同時在線處理鋼板鐵素體含量高于離線處理的鋼板，這也導致在線態鋼板強度較高，韌性較低。綜上所述，考慮到脆性相析出數量及奧氏體形態演變，軋后鋼板應快速入水。

表1 不同工藝下2507 雙相不銹鋼的力學性能Table 1 Mechanical properties of 2507 steels produced by different technical methods

3 結論

1）在線固溶處理態的鐵素體含量高于離線處理8%，且鐵素體尺寸較大，奧氏體呈鋸齒狀分布；在線固溶處理鋼板成分偏析較大。

2）隨著待溫時間增加，相界處鋸齒狀的奧氏體含量逐漸減少，島狀及塊狀奧氏體數量增多，同時在鐵素體與奧氏體相界有脆性相Cr2N 析出，在線處理態鐵素體相中存在大量位錯。

3）在線固溶處理態鋼板屈服強度、抗拉強度高于離線固溶態，但塑韌性發生下降，考慮到脆性相析出數量及奧氏體形態演變，軋后鋼板應快速入水。