固溶溫度對(duì)2507雙相不銹鋼力學(xué)性能及耐蝕性的影響

谷國(guó)超，李瑞芬，辛振民，相立新，許文花，呂宇鵬

（1.山東大學(xué) 材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250061；2.山東大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；3.山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，山東 濟(jì)南 250102）

超級(jí)雙相不銹鋼（Super duplex stainless steel）2507是第三代雙相不銹鋼，其微觀組織主要由奧氏體和鐵素體兩相組成，經(jīng)過(guò)合適的熱處理工藝后，使得兩相體積比接近1:1，從而兼具奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的優(yōu)勢(shì)，具有優(yōu)良的耐蝕性（耐點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN>40）和較好的力學(xué)性能，廣泛用于艦船、海洋平臺(tái)、化工等含有高氯化物、酸性的苛刻環(huán)境中，可以替代6Mo型超級(jí)奧氏體不銹鋼、鈦材和玻璃纖維增強(qiáng)塑料等材料[1-2]。為了保證2507雙相不銹鋼的優(yōu)良性能，需要進(jìn)行固溶處理來(lái)消除有害相，并調(diào)整晶粒度和兩相體積含量[3]。白青青和張志宏[4]研究了固溶溫度對(duì)2507雙相鋼組織和力學(xué)性能的影響，提出該鋼在1100～1150℃固溶處理時(shí)可獲得最佳的力學(xué)性能。針對(duì)2507雙相鋼，張壽祿等[5]和李國(guó)平等[6]分別研究了固溶處理工藝對(duì)組織、力學(xué)性能和耐蝕性的影響，得出固溶溫度在1050～1100℃時(shí)，鋼中的鐵素體/奧氏體兩相比接近1:1，具有良好的綜合力學(xué)性能和耐蝕性。李俊[7]提出S32750雙相不銹鋼（厚12 mm）合適的固溶工藝為1050～1100℃，固溶處理后可獲得最佳兩相比例及綜合力學(xué)性能和耐蝕性。鄭添義等[8]研究固溶處理的冷卻速率對(duì)2507雙相鋼性能影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，1140℃固溶處理后以較大冷卻速率（>900℃/min）冷卻時(shí)可獲得較好的綜合力學(xué)性能。對(duì)比以上研究可以看出，對(duì)2507雙相不銹鋼固溶溫度的研究結(jié)果不盡相同。由于目前國(guó)內(nèi)對(duì)2507雙相鋼的工業(yè)生產(chǎn)還在起步階段，其成分控制、熱加工工藝不成熟[9]，而力學(xué)性能及耐蝕性與材料的成分、鐵素體和奧氏體相體積比有很大關(guān)系，影響相比例的因素為合金元素含量、固溶工藝及變形工藝等。

因此，本文以2507雙相不銹鋼為對(duì)象，研究了固溶溫度與相比例、力學(xué)性能和耐蝕性的關(guān)系，為合理制定熱處理工藝、提高2507雙相不銹鋼的綜合性能、生產(chǎn)高品質(zhì)鋼提供一定的數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為2507雙相不銹鋼，其化學(xué)成分如表1所示。該材料經(jīng)冶煉、鑄錠鍛造成坯（寬90 mm，厚90 mm，長(zhǎng)220 mm）后，在兩輥550 mm熱軋機(jī)進(jìn)行熱軋，軋制前將坯料在箱式電阻爐中加熱至1250℃并保溫1 h，通過(guò)9道次軋制后空冷，對(duì)應(yīng)每道次軋制得到的厚度分別為74、53、38、27、20、16、13、11、9.5 mm。

表1 2507雙相不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of the 2507 super duplex stainless steel（mass fraction，%）

1.2 試驗(yàn)方法

利用Thermo-Calc材料性能模擬軟件，基于TCFE8:Steels/FeAlloys V8.1 database數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算2507雙相不銹鋼熱力學(xué)平衡相圖、奧氏體/鐵素體兩相中各元素含量，并根據(jù)其平衡相圖確定試驗(yàn)鋼固溶處理的溫度范圍。

將熱軋并空冷后的鋼板利用線切割沿軋制方向切成尺寸為10 mm×10 mm×100 mm的試樣，并利用SLQ1400-40箱式氣氛爐進(jìn)行固溶處理。將試樣以10℃/min（控溫精度為±1℃）的加熱速度分別加熱到設(shè)定的固溶溫度（1050、1100、1150、1200、1250、1300℃），保溫30 min后立即水淬，以保留各固溶工藝下的微觀組織結(jié)構(gòu)，防止第二相析出。

分別將未經(jīng)過(guò)固溶處理的熱軋板材與經(jīng)過(guò)固溶處理的試樣參照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》加工成標(biāo)準(zhǔn)的室溫拉伸試樣，其中拉伸試樣的軸線方向與軋制方向平行。拉伸試驗(yàn)在CMT5015電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為1 mm/min，同一條件下的試驗(yàn)分別進(jìn)行3組，驗(yàn)證其重復(fù)性，并將獲得的拉伸曲線、強(qiáng)度與塑性指標(biāo)取平均值。利用SEM對(duì)拉伸后新鮮斷口進(jìn)行分析。

將不同固溶處理試樣研磨拋光后，用10 g FeCl3+30 mL HCl+150 mL無(wú)水乙醇配制成的腐蝕劑在70℃下進(jìn)行化學(xué)侵蝕，并在Nikon-LV100ND型光學(xué)顯微鏡和日立SU-70型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（SEM+EDS）進(jìn)行組織觀察。利用GB/T 13305—2008《不銹鋼中α-相面積含量金相測(cè)定法》隨機(jī)測(cè)量20個(gè)視場(chǎng)的相體積分?jǐn)?shù)，計(jì)算算術(shù)平均值，確定兩相比例。X射線衍射分析儀（Rigaku D/max-γB）使用Co靶對(duì)試樣進(jìn)行物相測(cè)定，加速電流、電壓分別為120 mA、40 kV，采用步進(jìn)式掃描方式，掃描范圍（2θ）為10°～90°，掃描速度為10°/min，步長(zhǎng)為0.02°。

使用環(huán)氧樹(shù)脂將固溶后試樣的非檢測(cè)表面進(jìn)行封裝，試樣裸露出來(lái)的工作段面積為0.78 cm2，采用Chi660E型恒電位電化學(xué)工作站對(duì)固溶后的試樣進(jìn)行電化學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)采用三電極體系，飽和甘汞電極為參比電極，碳棒為輔助電極，試樣為工作電極。極化曲線測(cè)試試驗(yàn)前，將試樣在腐蝕介質(zhì)（3.5%NaCl（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），30℃）中浸泡30 min，待開(kāi)路電位穩(wěn)定后對(duì)極化曲線進(jìn)行測(cè)量。掃描速度為1 mV/s，掃描范圍為-1～2 V。進(jìn)行阻抗測(cè)試時(shí)，所需電極、介質(zhì)及溫度與動(dòng)電位掃描一致，其測(cè)量頻率范圍為0.01～105Hz，激勵(lì)信號(hào)采用正弦波（幅值為5 mV）。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 相圖計(jì)算結(jié)果

圖1為根據(jù)實(shí)際成分計(jì)算所得的2507雙相不銹鋼熱力學(xué)平衡相圖。從圖1可以看出，當(dāng)溫度低于1040℃時(shí)，陸續(xù)有金屬間化合物（Cr2N、χ、σ）等析出，以σ相為主，χ、Cr2N等金屬間化合物含量有限。Cr2N作為一種對(duì)耐蝕性有惡化影響的相，在1040℃析出。當(dāng)溫度在1045～1310℃區(qū)間時(shí)，組織中只存有α相和γ相，且隨著溫度的升高，發(fā)生γ相到α相轉(zhuǎn)變，α相體積分?jǐn)?shù)增加，γ相體積分?jǐn)?shù)減少，當(dāng)溫度為1350℃時(shí)，試驗(yàn)鋼中出現(xiàn)液相。

圖1 Thermal-Calc計(jì)算所得2507雙相不銹鋼的平衡相圖Fig.1 Equilibrium phase diagram of the 2507 duplex stainless steel calculated by Thermo-Calc

2.2 微觀組織

2507雙相不銹鋼鋼板熱軋空冷后的微觀組織如圖2（a）所示，淺灰色組織為奧氏體，深灰色組織為鐵素體。由于軋制變形，導(dǎo)致奧氏體、鐵素體呈現(xiàn)間隔的條帶狀分布。另外，在奧氏體和鐵素體相界處發(fā)現(xiàn)有塊狀析出物（如圖2（b）虛線框所示）。結(jié)合EDS能譜分析，相比于鐵素體基體（見(jiàn)圖2（d）），塊狀析出物（見(jiàn)圖2（c））含有更高含量的Cr、Mo及較少的Ni。經(jīng)XRD測(cè)試分析（見(jiàn)圖3），該析出物為σ相。由于該熱軋板經(jīng)過(guò)多道次軋制，其材料表面溫度<1000℃（測(cè)溫槍測(cè)得），使得σ相（硬而脆）從鐵素體析出。另外，由于雙相不銹鋼在軋制過(guò)程中，奧氏體、鐵素體和少量σ相出現(xiàn)變形不協(xié)調(diào)現(xiàn)象[10]，導(dǎo)致在σ相周圍出現(xiàn)微裂紋或孔洞。

圖2 熱軋態(tài)2507雙相不銹鋼的微觀組織（a，b）及EDS分析（c，d）Fig.2 Microstructure（a，b）and EDSanalysis（c，d）of the hot-rolled 2507 duplex stainless steel

圖3 不同熱處理工藝下2507雙相不銹鋼的XRD結(jié)果Fig.3 XRD results of the 2507 duplex stainless steel under different heat treatment processes

圖4為熱軋板經(jīng)不同溫度固溶后的顯微組織。隨著固溶溫度的提高，2507雙相不銹鋼中奧氏體相體積分?jǐn)?shù)下降，且當(dāng)固溶溫度超過(guò)1200℃后，出現(xiàn)嚴(yán)重鐵素體化，奧氏體由細(xì)條狀變成竹節(jié)狀或島狀，并分布于連續(xù)鐵素體中。另外，隨著固溶溫度的升高，鐵素體組織發(fā)生了再結(jié)晶長(zhǎng)大現(xiàn)象，特別是當(dāng)固溶溫度為1300℃時(shí)，奧氏體相從條帶狀轉(zhuǎn)變?yōu)閸u狀并分布于鐵素體基體中，使得鐵素體分布更加連續(xù)；同時(shí)，由于奧氏體相隨固溶溫度的增加逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體相，使得鐵素體相體積分?jǐn)?shù)增加，導(dǎo)致鐵素體相和奧氏體相的制約失衡，鐵素體晶粒明顯長(zhǎng)大[11]。

圖4 2507雙相不銹鋼經(jīng)不同溫度固溶后的微觀組織Fig.4 Microstructure of the 2507 super duplex stainless steel solution treated at different temperatures

圖5為鐵素體、奧氏體相體積分?jǐn)?shù)及兩者比例隨固溶溫度的變化。由圖5可知，隨著固溶溫度升高，鐵素體相含量從54%升高到73%，奧氏體相含量從46%降低到27%。當(dāng)固溶溫度超過(guò)1100℃時(shí)，α/γ比值迅速增加，表明奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體相的速度增加。在本研究中，固溶溫度在1100℃時(shí)，兩相比例接近1:1。

圖5 2507雙相不銹鋼中鐵素體、奧氏體相體積分?jǐn)?shù)及相比例隨固溶溫度的變化曲線Fig.5 Variation curves of volume fraction of ferrite and austenite in the 2507 duplex stainless steel and phase ratio with solution temperature

由于奧氏體和鐵素體中各元素含量不同，在固溶過(guò)程中鐵素體內(nèi)Cr、Mo和奧氏體內(nèi)Ni通過(guò)擴(kuò)散效應(yīng)分別向低含量區(qū)擴(kuò)散。不同固溶溫度下鐵素體和奧氏體兩相中主要元素含量變化規(guī)律如圖6所示，隨著固溶溫度的升高，鐵素體中Cr、Mo含量逐漸下降，而Ni含量從約5.04%（1050℃）升高到約6.36%（1150℃）后基本保持不變，奧氏體中Cr、Mo含量增加而Ni含量稍有降低。因此，隨著固溶溫度的升高有利于Cr、Mo、Ni的原子擴(kuò)散，從而達(dá)到各相的平衡狀態(tài)，有利于成分均勻化。通常，雙相鋼中奧氏體相的N含量高于鐵素體相，且隨著固溶溫度的升高，奧氏體中的N含量升高[12-13]，N與Cr之間結(jié)合力較強(qiáng)，使得相變中Cr擴(kuò)散到鐵素體過(guò)程受阻，最終使得奧氏體中Cr含量高于鐵素體[14]。總之，隨著固溶溫度的升高，鐵素體與奧氏體中的合金元素，尤其是Cr、Mo、Ni差別越來(lái)越小。在固溶過(guò)程中元素由從化學(xué)勢(shì)高的相擴(kuò)散到化學(xué)勢(shì)低的相，鐵素體形成元素（Cr、Mo）和奧氏體形成元素（Ni、Mn、N、C）通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)行重新分配，導(dǎo)致相應(yīng)的鐵素體和奧氏體的形態(tài)及分布也隨之變化。

圖6 2507雙相不銹鋼中奧氏體和鐵素體的化學(xué)成分隨固溶溫度的變化關(guān)系Fig.6 Relationship between chemical composition of austenite and ferrite in the 2507 duplex stainless steel and solution temperature

2.3 力學(xué)性能

奧氏體和鐵素體的相比例、元素分布及形態(tài)影響2507雙相不銹鋼的力學(xué)性能。圖7分別對(duì)比了雙相不銹鋼在熱軋后及不同固溶溫度處理后的力學(xué)性能。從圖7可以看出，熱軋后2507雙相不銹鋼的抗拉強(qiáng)度（935 MPa）和屈服強(qiáng)度（768 MPa）明顯大于固溶處理后的強(qiáng)度，但伸長(zhǎng)率（16%）低于固溶處理后，不滿足材料伸長(zhǎng)率（>30%）要求。規(guī)定抗拉強(qiáng)度≥800 MPa，屈服強(qiáng)度≥550 MPa。經(jīng)過(guò)固溶處理后，2507雙相不銹鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率隨固溶溫度的升高整體下降。在1050～1100℃固溶時(shí)，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率分別>845 MPa、>610 MPa和>35%。當(dāng)固溶溫度從1150℃升高至1300℃過(guò)程中，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別由830 MPa和613 MPa逐漸下降至781 MPa和559 MPa。試樣的伸長(zhǎng)率也從34%緩慢降低到29%。因此，固溶溫度在1050～1100℃時(shí)可獲得較好的力學(xué)性能。

圖7 固溶溫度對(duì)2507雙相不銹鋼力學(xué)性能的影響Fig.7 Effect of solution temperature on mechanical properties of the 2507 duplex stainless steel

結(jié)合微觀組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能可以看出，奧氏體和鐵素體兩相比例起著關(guān)鍵作用。從圖3可以看出，熱軋后的2507雙相不銹鋼中有σ相存在，導(dǎo)致其強(qiáng)度高、脆性增加，伸長(zhǎng)率較低。當(dāng)固溶溫度在1050～1100℃時(shí)，α/γ相比例接近1:1，綜合力學(xué)性能較好。隨著固溶溫度的升高，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，奧氏體含量逐漸減少（見(jiàn)圖5）。室溫下鐵素體相比奧氏體相的強(qiáng)度高，而塑性和韌性低，因此隨著固溶處理溫度升高，鐵素體相比例增加會(huì)相應(yīng)降低鋼的塑韌性。另外，由于在固溶過(guò)程中會(huì)有元素的配分，固溶在奧氏體相中的N元素固溶強(qiáng)化作用比Cr、Ni和Mo元素固溶強(qiáng)化作用大2個(gè)數(shù)量級(jí)左右[4]；并且隨著溫度的升高，兩相中Cr、Ni和Mo的含量差越來(lái)越少，從而，由這些合金元素形成的固溶強(qiáng)化作用在兩相中的差別也逐漸減小。因此，在1050～1150℃固溶時(shí)，其強(qiáng)度差別不大。固溶溫度升高（1200～1300℃），組織再結(jié)晶完全程度逐漸提高，鐵素體和奧氏體晶粒都會(huì)發(fā)生一定程度的長(zhǎng)大（特別是在1300℃固溶時(shí)，鐵素體晶粒的粗大），晶粒的長(zhǎng)大會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度的降低，進(jìn)而導(dǎo)致性能惡化。

2.4 耐蝕性

固溶處理不僅影響力學(xué)性能，同時(shí)由于兩相比例及兩相中元素含量的變化也會(huì)影響材料的耐蝕性。圖8為不同固溶溫度下的極化曲線及阻抗曲線。可以看出，隨著固溶溫度的升高，自腐蝕電位區(qū)域與點(diǎn)蝕電位越來(lái)越低。自腐蝕電位越高，材料發(fā)生腐蝕的傾向性越小，耐腐蝕性能越好。這說(shuō)明隨著固溶溫度的升高，2507超級(jí)雙相不銹鋼的耐腐蝕性能逐漸降低。結(jié)合圖8（b，c）可以看出，隨著固溶溫度升高，容抗弧半徑（評(píng)價(jià)耐蝕性的重要指標(biāo)）變小，說(shuō)明其耐腐蝕性能下降。因此，對(duì)2507雙相不銹鋼在1050℃固溶處理時(shí)，α/γ相比例接近1:1，且兩相分布均勻，點(diǎn)蝕電位較高，此時(shí)有利于鈍化膜的穩(wěn)定，尤其對(duì)于點(diǎn)蝕具有很好的抑制作用。當(dāng)固溶溫度在1100℃以上時(shí)，隨著固溶溫度的升高，鐵素體相含量增加，Cr、Mo耐點(diǎn)蝕元素含量降低，不利于鈍化膜穩(wěn)定，從而引起耐蝕性的下降。

圖8 不同固溶溫度下2507雙相不銹鋼的極化曲線（a）及交流阻抗譜圖（b，c）Fig.8 Polarization curves（a）and AC impedance spectra（b，c）of the 2507 duplex stainless steel at different solution temperatures

3 結(jié)論

1）2507雙相不銹鋼熱軋板經(jīng)1050℃及以上溫度固溶處理30 min后，σ相消失，組織由鐵素體和奧氏體組成。隨著固溶溫度的升高，奧氏體含量減小，鐵素體含量增加，當(dāng)固溶溫度為1050℃時(shí)，α/γ相比例接近1:1。

2）2507雙相不銹鋼在1050～1100℃固溶后，具有較好的綜合力學(xué)性能。其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別>845 MPa、>610 MPa和>35%。

3）隨著固溶溫度的升高，鐵素體中Cr、Mo含量下降，奧氏體相中的Cr、Mo含量升高。

4）隨著固溶溫度的升高，自腐蝕電位與點(diǎn)蝕電位降低。在固溶溫度為1050℃時(shí)，2507雙相不銹鋼的耐蝕性較好。