S32205雙相不銹鋼線材的開發(fā)

供稿|王哨兵，鐘堯舜，付少朋 / WANG Shao-bing, ZHONG Yao-shun, FU Shao-peng

作者單位：瑞浦科技集團(tuán)特殊鋼研究院，浙江 麗水 323900

內(nèi)容導(dǎo)讀文章介紹了S32205雙相不銹鋼線材的開發(fā)工藝流程，從耐蝕性應(yīng)用設(shè)計(jì)、相比例設(shè)計(jì)、Thermo-Calc熱力學(xué)計(jì)算、鋼水純凈度、軋制技術(shù)要求和固溶處理等方面進(jìn)行研究分析，最終成功開發(fā)出S32205雙相不銹鋼線材。指出在S32205產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中要充分考慮和控制雙相鋼特有的參數(shù)：抗點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN、α/γ兩相比例、凝固模式、鋼水中的夾雜物、軋制過(guò)程參數(shù)和有害相的析出問(wèn)題等。

S32205雙相不銹鋼是由21%Cr，2.5%Mo及4.5%Ni-N合金構(gòu)成的復(fù)式不銹鋼，其標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)為022Cr23Ni5Mo3N，具有高強(qiáng)度、良好的沖擊韌性以及良好的整體和局部的抗應(yīng)力腐蝕能力，是目前市場(chǎng)用量最大的鋼種之一，常用于尿素生產(chǎn)及油氣井開發(fā)中耐應(yīng)力腐蝕的管件等[1-9]。

雙相不銹鋼的生產(chǎn)工藝流程為：成分優(yōu)化設(shè)計(jì)→電弧爐(EAF)→氬氧脫碳爐(AOD)→精煉爐(LF)→連鑄(CC)→步進(jìn)式加熱爐→高速線材軋制→盤條檢驗(yàn)→固溶→酸洗→打包入庫(kù)→發(fā)貨。

如何確保S32205雙相不銹鋼的線材產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)良，在實(shí)際的開發(fā)過(guò)程中主要從耐蝕性應(yīng)用、相比例設(shè)計(jì)、Thermo-Calc熱力學(xué)計(jì)算、鋼水純凈度、軋制技術(shù)要求和固溶處理時(shí)的各相析出問(wèn)題進(jìn)行研究分析。

耐蝕性應(yīng)用設(shè)計(jì)

針對(duì)雙相不銹鋼而言，由于要應(yīng)用在惡劣的腐蝕環(huán)境中，因此要求具有更強(qiáng)的耐腐蝕性能，通常采用抗點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN來(lái)表示不銹鋼抗腐蝕的能力，具體的PREN計(jì)算見式(1)所示[10]。

由式(1)可以得到影響雙相鋼耐蝕性的元素主要有Cr、Mo和N。

Cr作為不銹鋼中關(guān)鍵性合金元素在影響材料抗腐蝕性能上起著重要作用。在氧化介質(zhì)中，耐腐蝕性能會(huì)隨著鉻含量的增加而提高，由于鉻的加入會(huì)使材料表面形成穩(wěn)定的并具有一定密度的Cr2O3保護(hù)膜，此保護(hù)膜可減少鋼中的鈍化電流，這也使雙相鋼更易鈍化并保持更加穩(wěn)定的鈍化狀態(tài)。

鉬在雙相鋼中主要是和鉻進(jìn)行協(xié)同作用，使得雙相不銹鋼耐點(diǎn)蝕能力顯著提高。鉬也富集于鈍化膜中靠基體一邊，也會(huì)提高鈍化膜的穩(wěn)定性。另外，隨著鉻含量的上升，鉬的作用也逐漸提高。當(dāng)不銹鋼中鉻含量達(dá)到18%時(shí)，鉬在氯化物環(huán)境中對(duì)耐點(diǎn)蝕和裂紋腐蝕能力提高效應(yīng)是鉻的3倍。

氮可以顯著地提高耐點(diǎn)蝕和耐裂紋腐蝕能力。在氮溶解于鋼中之后，在腐蝕性溶液中，由N和H+反應(yīng)所提供的NH4+可保持空洞中的P值并通過(guò)鈍化膜的形成防止空洞的進(jìn)一步擴(kuò)大。另外，氮與富集于鋼表面氧化膜中的鎳協(xié)同作用來(lái)保持鈍化膜的穩(wěn)定性，也使得材料耐腐蝕能力顯著提高。

目前市場(chǎng)上的最常用的奧氏體不銹鋼牌號(hào)為304L和316L。根據(jù)式(1)可以計(jì)算得到304L的抗點(diǎn)蝕當(dāng)量為16%，316L的抗點(diǎn)蝕當(dāng)量為24%，而S32205的抗點(diǎn)蝕當(dāng)量值達(dá)到了35%。因此，S32205雙相鋼的耐蝕性較奧氏體不銹鋼304L和316L鋼種更為優(yōu)秀。

相比例的設(shè)計(jì)

在對(duì)雙相不銹鋼進(jìn)行成分設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)該綜合考慮雙相鋼中的相比例情況。一般認(rèn)為雙相不銹鋼組織中的鐵素體和奧氏體兩相平衡比例為1：1時(shí)可以獲得良好的性能，但在目前的制造生產(chǎn)中，為了獲得最佳的韌性和加工性能，傾向于奧氏體的比例大一些，在單相的熱加工狀態(tài)下，具有更優(yōu)的熱加工性能。除了相平衡以外，有關(guān)雙相不銹鋼及其化學(xué)成分組成的第二個(gè)主要問(wèn)題是溫度升高以后的有害金屬間相的形成。當(dāng)雙相不銹鋼暴露在低于1000℃的高溫時(shí)，一系列相變過(guò)程將會(huì)析出各種析出物，此過(guò)程也被認(rèn)為危害雙相不銹鋼性能。在600～1000℃高溫范圍內(nèi)，會(huì)有σ和χ相的析出，一些近期的研究指出由于χ相形成時(shí)間較早，會(huì)在之后的時(shí)效過(guò)程隨著時(shí)間的增加而轉(zhuǎn)變?yōu)棣蚁唷?/p>

雙相不銹鋼中的相比例由Creq/Nieq所決定的。

由式(2)和式(3)可以計(jì)算雙相不銹鋼的化學(xué)成分，結(jié)合圖1，進(jìn)而判斷雙相鋼中α、γ兩相的量并得出α/γ的相比例。

圖1 Schaeffler相圖

Thermo-Calc熱力學(xué)計(jì)算

本次試制S32205采用的冶煉成分如表1所示。利用Thermo-Calc熱力學(xué)軟件模擬出該鋼種在實(shí)際成分下的性質(zhì)圖，如圖2所示。

表1 S32205雙相不銹鋼成分設(shè)計(jì)要求

通過(guò)利用Thermo-Calc熱力學(xué)計(jì)算軟件得到的S32205雙相不銹鋼目標(biāo)成分的凝固過(guò)程性質(zhì)圖可以看出：S32205雙相不銹鋼在1465℃時(shí)開始凝固，鋼水從液相凝固到固相過(guò)程中在液相中會(huì)先析出鐵素體，在1334℃時(shí)鐵素體中會(huì)慢慢析出奧氏體，由于S32205雙相不銹鋼為高合金鋼，在凝固過(guò)程中會(huì)有二次相析出，在930℃時(shí)會(huì)有Cr23C6相，938℃時(shí)會(huì)有σ相，1080℃時(shí)Cr2N相析出。

鋼水純凈度

圖2 S32205雙相不銹鋼性質(zhì)圖

雙相不銹鋼對(duì)于碳和氮的含量有著嚴(yán)格的要求。用非真空的AOD冶煉超低碳不銹鋼，在還原、出鋼階段極易出現(xiàn)回碳現(xiàn)象。傳統(tǒng)的AOD單渣法精煉工藝一般只用三元渣系，不足之處在于脫硫率不如四元渣系，或者用雙渣法進(jìn)行二次造渣脫硫，但更易回碳。本文采用一種四元渣系(MgO-Al2O3-CaOSiO2)的單渣法精煉工藝既防止回碳現(xiàn)象又能深脫硫。脫碳使用特級(jí)石灰；預(yù)還原采用部分鋁錠代替硅鐵加強(qiáng)脫氧，而且鋁可改變鋼中存在的C類夾雜，充分發(fā)揮其復(fù)合脫氧的優(yōu)勢(shì)，形成大顆粒夾雜，有利于上浮。對(duì)實(shí)驗(yàn)1爐的S32205鋼種進(jìn)行檢驗(yàn)：根據(jù)GB/T 10561—2005非金屬夾雜物評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，見表2；用氮氧測(cè)分析儀測(cè)得氣體含量，見表3。

表2 S32205實(shí)驗(yàn)爐號(hào)的非金屬夾雜物檢測(cè)

表3 S32205實(shí)驗(yàn)爐號(hào)的氣體檢測(cè)

軋制技術(shù)要求

雙相不銹鋼因?yàn)閮上嗑w結(jié)構(gòu)不同所以在選擇熱加工溫度時(shí)最好使鋼能處于單相鐵素體組織狀態(tài)。但常處于熱塑性低的兩相區(qū)，因此要選擇兩相都能均勻變形的熱加工溫度，且不宜偏高。并且，在雙相不銹鋼鑄態(tài)組織中，奧氏體和鐵素體沿鋼錠截面分布是不均勻的，中心部位的鐵素體含量明顯高于邊部，鐵素體呈樹枝狀分布。因此，均熱爐加熱時(shí)，要注意適當(dāng)保溫，避開坯軋裂。最后注意嚴(yán)格控制終鍛或終軋溫度，避免因溫度過(guò)低出現(xiàn)脆性相。

經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐，S32205雙相不銹鋼最終優(yōu)化的軋制工藝為：加熱溫度控制為1280±10℃；總在爐時(shí)間為≥3 h：另外，在軋制時(shí)粗軋過(guò)程關(guān)水軋制，避免鋼坯角部溫降過(guò)快導(dǎo)致角部開裂，同時(shí)提高粗軋軋制速度，保證終軋溫度大于1000℃。本次試制S32205盤條規(guī)格為φ5.5 mm，應(yīng)盡量將軋制速度控制在60 m/s以下，避免速度過(guò)快造成的劃傷缺陷；線材表面應(yīng)光滑，不得有裂縫、結(jié)疤、折疊、耳子等對(duì)使用有害的缺陷。

固溶處理

對(duì)軋制后的雙相不銹鋼組織而言，其形態(tài)為奧氏體呈島狀分布在鐵素體基體中。一般地，鐵素體與奧氏體比例取決于化學(xué)成分和熱處理，固溶處理異常的條件下造成了更為復(fù)雜的相變包括各種二次相的析出，而大部分的二次相會(huì)危害材料耐腐性能和沖擊韌性，僅少量的二次相如σ相就可對(duì)材料性能產(chǎn)生巨大影響。固溶處理可以溶解組織中的有害二次相，并使其在之后的冷卻過(guò)程中以更加細(xì)小的形式再次析出并重新均勻分布。如圖3所示為S32205雙相鋼φ12 mm規(guī)格盤條固溶后的金相組織。通過(guò)金相圖片可以看到晶界上基本沒(méi)有析出物，奧氏體和鐵素體分布均勻，固溶效果良好。根據(jù)GB/T 6394—2002晶粒度評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，S32205固溶態(tài)的晶粒度保證在10.0級(jí)左右。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)S32205鋼種的耐蝕性設(shè)計(jì)、相比例設(shè)計(jì)、Thermo-Calc熱力學(xué)計(jì)算、鋼水純凈度、軋制技術(shù)要求和固溶處理等生產(chǎn)技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行研究分析，成功開發(fā)出S32205雙相不銹鋼，各項(xiàng)性能和指標(biāo)均符合客戶的使用要求。

圖3 S32205雙相不銹鋼金相圖

攝影 李景源