2205双相不锈钢的研制及性能分析与质量控制

  2205双相不锈钢是一种低镍、高氮、高性能双相不锈钢，在一定程度上可以代替18-8型奥氏体不锈钢，且成本低廉。但其热加工塑性较差，通过研究表明精确控制2205双相不锈钢的纯净度、Creq/Nieq、组织成分、加热制度、轧制工艺及固溶工艺，可生产出表面质量良好无边裂的板卷。

  2205双相不锈钢是一种低镍、低钼、高氮双相不锈钢，其相比例大概在1:1左右，相比较其他节约型双相不锈钢相平衡较好，力学性能高，室温屈服强是304的2倍左右，耐点蚀性能与普通奥氏体不锈钢304和316L合金相当，在中等腐蚀环境中如石化、造船、建筑、净化水、化工等诸多领域得到较广泛的应用。

  但其热加工塑性较差，热加工时在表面及边部易产生裂纹，严重影响了其板面质量。据一些研究者指出，双相不锈钢的热塑性主要与双相不锈钢的纯净度、Creq/Nieq当量比、相界结合力、组织成分、加热制度、轧制工艺等有关系，通过精确控制这些因素可以生产出质量较好的2205双相不锈钢板材。

一、2205双相不锈钢工艺控制流程

东方特钢2205双相不锈钢生产工艺为：电炉→AOD→LF→连铸→加热→热轧→退火处理→酸洗→包装。在初研制2205双相不锈钢板卷时边部边裂严重、表面质量差，严重影响了板卷的表面质量和成材率。通过严格控制冶金成分、Creq/Nieq当量比、微合金元素含量、内部质量、铸坯组织、合理的热加工工艺及退火工艺制度，成功研制出了2205双相不锈钢板卷，表1是2205双相不锈钢主要化学成分。

二、影响2205双相不锈钢热加工性能的因素

1. 严格控制2205双相不锈钢内部质量

 据很多国内外研究表明严格控制双相不锈钢内部质量有利于热加性能的改善，双相不锈钢内部夹杂主要与硫、氧有关，这两种元素主要以低熔点MnS和Al₂O₃复合夹杂物存在，由于这些夹杂物的存在导致热加工塑性较差，加工时易在杂质的周围形成应力集中点，进而对2205双相不锈钢的热加工塑性产生不利影响，当硫的含量大于30ppm、氧大于50ppm时双相不锈钢的热加工性能较差，边部及表面易产生裂纹，经工艺改进可以把硫含量控制在10ppm以下，而氧可以控制在30ppm以下。

 通过添加稀土、钙和硼元素来提高2205双相不锈钢的热加工塑性，稀土、钙主要和氧及硫形成CaO和Ce₂O₃,CaS,CeS及LaS等物质，来提高钢的纯净度、净化晶界、改性杂质、改善杂质的分布、细化组织进而来提高2205双相不锈钢的热加工塑性。添加硼元素添加可以细化双相不锈钢的组织，提高晶界能。

 进而来提高其高温热加工性能。虽然这些微合金元素对双相不锈钢的热加工性能都有改善的作用，但当超过一定含量时反而对双相不锈钢的热加工性能不利，通过实验钙的含量在：0.005%~0.02%、硼含量：0.0005%~0.005%、稀土（铈和镧）含量在：0.005%~0.1%之间为宜。

 2. 氮/镍的含量控制

 氮和镍元素主要是奥氏体形成元素，氮和镍的含量决定了2205双相不锈钢的Creq/Nieq当量比，据有些研究指出适当提高Creq/Nieq当量比有利于高温铁素体的数量，使其尽量在单相区加工，进而有利于2205双相不锈钢的高温塑性。随着氮含量的提高，2205双相不锈钢的高温奥氏体相含量增加，同时两相间的强度差也有增大趋势，当高温变形时，使应变更加容易在铁素体中产生，减小了奥氏体相的应变分布，从而导致高温热塑性的下降。镍元素的含量对双相双相不锈钢高温塑性的影响没有氮元素那么强烈，主要是由于两者的固溶形式不同，氮元素在钢中以间隙固溶体主要存在奥氏体相中，而镍元素主要以代位固溶体存在，同时镍元素的增加有利于氮元素在奥氏体中的稀释。所以严格控制2205双相不锈钢的铬镍当量比、降低氮元素的含量及控制镍元素的含量对2205双相不锈钢的顺利生产有重要的意义。

 3. 加热工工艺制度

 据研究表明当2205双相不锈钢成分及组织确定后，温度、道次压下量是影响双相不锈钢的热加工性能的关键因素，随着温度的升高铁素体含量呈线性增加趋势，铁素体含量和奥氏体含量之间的差距在增大，这说明高温对双相不锈钢的热加工性能有利，铸坯铁素体含量与温度之间的关系见图2所示，由图可知即使在1280℃，奥氏体的含量也有30%左右，所以想在单一铁素体组织内加工是困难的。同时有研究指出当热加工温度过高时双相不锈钢钢热加工塑性反而降低，而当2205双相不锈钢热加工温度较低时，如在850℃以下加工，又会有σ相析出的危险，σ相塑性较差，对2205双相不锈钢的热加工性能不利。2205双相不锈钢铸坯显微组织与温度之间的关系见图3所示，白色为奥氏体组织，黄色为铁素体组织，可以看出随着温度的升高奥氏体逐渐转变成铁素体，形态也有纤维带状逐渐转变成岛状，而少量奥氏体组织中含有大量的氮元素将导致其强度升高，也可能是导致双相不锈钢在较高温度时塑性较差的原因之一，所以2205双相不锈钢热加工温度一般选在900～1250℃进行较为合适。

 双相不锈钢是由铁素体和奥氏体两相按照一定的不利构成的，两相成分、强度的不同导致其热加工时变形塑性也不近相同，在相界处易造成应力集中，进而会产生裂纹。有些研究指出随着初轧道次压下量减小，轧制道次的增加表面裂纹也呈下降趋势，甚至双相不锈钢表面无裂纹产生。同时也有研究指出随着变形速率的降低，2205双相不锈热塑性呈增加趋势。所以一般粗轧道次控制在7～11道次，轧制到厚度为30mm左右，然后精轧控制在7～9道次轧制到成品厚度，而初轧压下量在10%以下为宜。

 4. 热处理工艺的确定

 有研究指出，当双相不锈钢的相比例在1:1左右时，其综合性能较好，通过1000～1150℃固溶实验，确定2205双相不锈钢热处理温度在1040～1080℃之间，这时其铁素体含量在50%左右，抗拉强度在750Mpa左右，屈服强度520Mpa左右，耐晶间腐蚀（GB/4334.3-2000）性能0.13～0.16g(m²/h)，而耐点蚀（GB/T 17897-1999）性能在4～8 g(m²/h)，图4是1080℃热处理后显微组织。

三、结论

 通过严格控制冶金成分、Creq/Nieq当量比、铸坯组织、微合金元素含量、内部质量、合理的热加工工艺及退火工艺制度，成功研制出了2205双相不锈钢板卷。