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东方特钢2205双相不锈钢板卷的开发与应用


作者编辑: | 日期:2021-1-15 10:39:57 | 信息来源:

2205不锈钢板是由奥氏体和铁素体组织构成的双相不锈钢,该双相不锈钢兼有铁素体和奥氏体不锈钢的性能优点,具有优良的耐腐蚀性能、力学性能、焊接性能[1-2]。2205双相不锈钢因其低碳、含N、高铬、含钼具有比304、316L等奥氏体不锈钢更好的耐应力腐蚀、耐缝隙腐蚀、耐Cl-点蚀、耐晶界腐蚀。优良的韧性,屈服强度是300系不锈钢的2倍;焊接性能优良,与铁素体不锈钢及奥氏体不锈钢相比,焊接区不像铁素体那样塑性大幅下降,也不像奥氏体不锈钢那样,对焊接热裂纹比较敏感。因其优良的综合性能,广泛应用于石油、化工、制盐、水利、发电厂烟气脱硫(FGD)、造纸等领域[3-4]。     但由于奥氏体和铁素体组织成分、强度、延伸率的不同,热加工变形时容易在相界处产生应力集中,导致边部或表面产生裂纹,严重影响了其板面质量及成材率。本文通过热模拟压缩实验、固溶处理工艺的优化,成功研制出了2205双相不锈钢板卷,并且该产品已成功应用于化学品船、压力容器等行业。     1、热模拟压缩实验   高温热压实验在Gleeble 3500 热/力模拟试验机上进行,试样的化学成分见2205不锈钢是由奥氏体和铁素体组织构成的双相不锈钢,该双相不锈钢兼有铁素体和奥氏体不锈钢的性能优点,具有优良的耐腐蚀性能、力学性能、焊接性能[1-2]。2205双相不锈钢因其低碳、含N、高铬、含钼具有比304、316L等奥氏体不锈钢更好的耐应力腐蚀、耐缝隙腐蚀、耐Cl-点蚀、耐晶界腐蚀。优良的韧性,屈服强度是300系不锈钢的2倍;焊接性能优良,与铁素体不锈钢及奥氏体不锈钢相比,焊接区不像铁素体那样塑性大幅下降,也不像奥氏体不锈钢那样,对焊接热裂纹比较敏感。因其优良的综合性能,广泛应用于石油、化工、制盐、水利、发电厂烟气脱硫(FGD)、造纸等领域[3-4]。     但由于奥氏体和铁素体组织成分、强度、延伸率的不同,热加工变形时容易在相界处产生应力集中,导致边部或表面产生裂纹,严重影响了其板面质量及成材率。本文通过热模拟压缩实验、固溶处理工艺的优化,成功研制出了2205双相不锈钢板卷,并且该产品已成功应用于化学品船、压力容器等行业。     1、热模拟压缩实验   高温热压实验在Gleeble 3500 热/力模拟试验机上进行,试样的化学成分见表1。将直径10mm×15mm的高温压缩试样加热到1200℃后保温5min,以5℃/s的速度冷却到1100℃并保温20s后在应变速率为5s-1的条件下进行高温压缩变形,在变形结束后将试样淬火至室温。热模拟工艺路线示意图见图1,对应的真应力-应变曲线见图2。从图2中的流变曲线上可以看出,由于铁素体和奥氏体两相共存,铁素体基体和奥氏体发生协调变形。在多道次流变曲线中,第一道次曲线的初始部分中也出现了类似的“类屈服平台”现象。双相不锈钢在高温变形过程中的微观组织演变主要受应变分配和相界或晶界性质影响。与单相铁素体或奥氏体相比较,双相不锈钢的高温微观组织演变与其差异很大。对铁素体相而言,变形的初始阶段,铁素体中位错密度增大产生加工硬化。随后铁素体发生动态回复,由于应变主要分布在较软的铁素体基体,延迟了应变通过相界转移至奥氏体的过程,从而阻碍了变形的连续性而出现“类屈服平台”软化现象。随变形量增加,为了维持材料变形的连续性,应变通过相界    从铁素体转移到奥氏体中。由于应变传递导致奥氏体流变应力增加,再次出现加工硬化。随应变量进一步增加,铁素体和奥氏体同时发生连续动态再结晶。同时奥氏体相中具有Σ3位向关系的晶界逐渐消失,流变曲线再次出现软化,由此可见,高温变形过程中双相微观组织演化机制的耦合作用共同决定了流变曲线的特征[5-6]。       变形后的样品沿轴线切开,观察金相组织,见图3。图中可以看出,其中较亮的组织为奥氏体,较暗的组织为铁素体。从金相组织上可以看出,随着变形量的增加,金相中沿轧向的流线状奥氏体组织愈发明显,且更加细长。      2、 固溶处理实验   2.1 固溶处理温度对2205双相不锈钢力学性能的影响    每种固溶处理温度取三个拉伸、硬度试样,实验结果取平均值,测试结果如图3所示。由图4可知从1020~1250℃范围内强度、硬度先减少后增加,1050℃时硬度和强度值较小。因为固溶处理工艺对2205双相不锈钢的力学性能的影响主要有两个因素:组织再结晶的完成度和两相组织转变程度。再结晶完成度越高,强度和硬度越小;而在常温下铁素体含量越高,硬度和强度越大,主要是在室温时以体心立方的铁素体组织的强度要高于以面心立方为组织的奥氏体组织。因而随着固溶温度的升高而发生奥氏体组织向铁素体组织转变将使钢的强度和硬度增加。    在1020~1050℃试样的再结晶完成度对抗拉强度和硬度影响大于组织转变对强度和硬度的影响,所以强度和硬度减小。而在1080~1250℃再结晶对试样强度和硬度的影响小于组织转变对强度和硬度的影响,所以强度和硬度随着温度的升高而增大。   2.2 固溶温度对2205双相不锈钢铁素体含量的影响    不同固溶温度对2205双相不锈钢铁素体含量的影响规律见图5。从图中可以看出,铁素体的含量随着温度的上升而增加。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1000~1250℃固溶实验,确定2205双相不锈钢卷固溶处理温度在1050~1100℃之间,这时其铁素体含量在50%左右。    2.3 固溶温度对2205双相不锈钢点蚀性能的影响    采用GB/T 17897-1999标准对经不同固溶温度处理后试样进行了点腐蚀实验,实验温度为35℃,取腐蚀速率平均值,腐蚀速率与固溶温度之间的关系如图6所示。在1020~1250℃腐蚀速率随着温度的升高先降低后升高的趋势,在1020~1120℃腐蚀速率趋于平缓,数值相差不大,而在1150~1250℃固溶处理后,腐蚀速率呈急速上升降趋势,主要是由于固溶温度在1020~1250℃时,耐点蚀性能力与两相间的点蚀当量有密切关系,随着温度的升高,双相钢中铁素体的耐点蚀当量逐渐下降,而奥氏体的耐点蚀当量逐渐提高。       在不锈钢中铬、钼、氮是主要的耐点蚀元素,其中铬、钼属于铁素体生成元素,主要存在铁素体组织中,而氮属于奥氏体形成元素,主要固溶于面心立方的奥氏体组织中。随着固溶温度的不断升高,钢的铁素体含量逐渐增加,而奥氏体含量不断减少,从而造成铁素体中的铬、钼稀释,导致铁素体耐点蚀当量逐渐下降,奥氏体中的氮浓度逐渐升高,而点腐蚀首先发生在耐点蚀性能较为脆弱的相中。        3、工业试制   3.1 2205双相不锈钢的冶炼    2205双相不锈钢的冶炼工艺为:电炉→AOD→LF→连铸。  连铸过程中在中间包中取成分分析试样,试样经过打磨后在直读光谱分析仪器上进行成分分析。连铸坯的化学成分见表2。从冶炼的成分看,达到了设计的要求。图7是连铸坯的低倍组织,其中等轴晶的比例达到80%。      3.2 2205双相不锈钢的轧制    2205双相不锈钢的轧制工艺为:步进式加热炉→高压水除磷→粗轧→精轧→卷曲。其加热温度为1250℃,粗轧道次为5道次,精轧道次为7道次,终轧温度为1000℃,图8是热轧卷的照片。从图中可看出,热轧卷卷形良好,符合设计要求。      3.3 2205双相不锈钢的固溶处理    2205双相不锈钢的固溶处理工艺为:开卷→加热→抛丸→电解→酸洗→卷曲。其中固溶处理温度为1040~1080℃,冷却方式为水冷。          3.4 2205双相不锈钢板材的性能    表3是2205双相钢力学性能、铁素体含量及中间有害相检测,所有检测数值均采用3个试样取平均值,从检测性能来看已达到标准要求。    3.5 2205双相不锈钢板材的焊接性能    表4是双相不锈钢的焊接工艺相关参数。该实验采用气体保护焊,焊接后测量焊缝及热影响区的力学性能,力学性能见表5。从检测数据来看,焊接后的性能都达到了标准的要求。     4、主要应用    东方特钢2205双相不锈钢通过了中国、美国、法国、英国、德国、挪威6家船级社的认证和特种设备制造许可认证,可广泛的应用于化学品船、压力容器等行业。     5、结论    (1)双相钢在高温变形过程中,动态回复和动态再结晶演化机制的耦合作用决定了流变曲线的特征。    (2)拉伸及硬度随固溶温度的升高先降低后增加,耐点蚀性能随着(α+γ)两相耐点蚀当量变化而变化,在1020~1120℃温度范围内点蚀速率变化不大,而1150~1250℃在温度范围内,点蚀速率呈急速增加趋势。    (3)东方特钢试制了2205双相不锈钢,板型良好,无边裂,经过检测,其成分、力学性能和腐蚀性能都符合相关标准。    (4)东方特钢2205双相不锈钢通过了船级社认证和特种设备制造许可认证,可广泛应用于压力容器和化学品船。表1。
将直径10mm×15mm的高温压缩试样加热到1200℃后保温5min,以5℃/s的速度冷却到1100℃并保温20s后在应变速率为5s-1的条件下进行高温压缩变形,在变形结束后将试样淬火至室温。热模拟工艺路线示意图见图1,对应的真应力-应变曲线见图2。从图2中的流变曲线上可以看出,由于铁素体和奥氏体两相共存,铁素体基体和奥氏体发生协调变形。在多道次流变曲线中,一道次曲线的初始部分中也出现了类似的“类屈服平台”现象。双相不锈钢在高温变形过程中的微观组织演变主要受应变分配和相界或晶界性质影响。与单相铁素体或奥氏体相比较,双相不锈钢的高温微观组织演变与其差异很大。对铁素体相而言,变形的初始阶段,铁素体中位错密度增大产生加工硬化。随后铁素体发生动态回复,由于应变主要分布在较软的铁素体基体,延迟了应变通过相界转移至奥氏体的过程,从而阻碍了变形的连续性而出现“类屈服平台”软化现象。随变形量增加,
为了维持材料变形的连续性,应变通过相界    从铁素体转移到奥氏体中。由于应变传递导致奥氏体流变应力增加,再次出现加工硬化。随应变量进一步增加,铁素体和奥氏体同时发生连续动态再结晶。同时奥氏体相中具有Σ3位向关系的晶界逐渐消失,流变曲线再次出现软化,由此可见,高温变形过程中双相微观组织演化机制的耦合作用共同决定了流变曲线的特征[5-6]。       变形后的样品沿轴线切开,观察金相组织,见图3。图中可以看出,其中较亮的组织为奥氏体,较暗的组织为铁素体。从金相组织上可以看出,随着变形量的增加,金相中沿轧向的流线状奥氏体组织愈发明显,且更加细长。      2、 固溶处理实验   2.1 固溶处理温度对2205双相不锈钢力学性能的影响    每种固溶处理温度取三个拉伸、硬度试样,实验结果取平均值,测试结果如图3所示。由图4可知从1020~1250℃范围内强度、硬度先减少后增加,1050℃时硬度和强度值较小。因为固溶处理工艺对2205双相不锈钢的力学性能的影响主要有两个因素:组织再结晶的完成度和两相组织转变程度。再结晶完成度越高,强度和硬度越小;而在常温下铁素体含量越高,硬度和强度越大,主要是在室温时以体心立方的铁素体组织的强度要高于以面心立方为组织的奥氏体组织。因而随着固溶温度的升高而发生奥氏体组织向铁素体组织转变将使钢的强度和硬度增加。   
 在1020~1050℃试样的再结晶完成度对抗拉强度和硬度影响大于组织转变对强度和硬度的影响,所以强度和硬度减小。而在1080~1250℃再结晶对试样强度和硬度的影响小于组织转变对强度和硬度的影响,所以强度和硬度随着温度的升高而增大。   2.2 固溶温度对2205双相不锈钢铁素体含量的影响    不同固溶温度对2205双相不锈钢铁素体含量的影响规律见图5。从图中可以看出,铁素体的含量随着温度的上升而增加。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1000~1250℃固溶实验,确定2205双相不锈钢卷固溶处理温度在1050~1100℃之间,这时其铁素体含量在50%左右。    2.3 固溶温度对2205双相不锈钢点蚀性能的影响    采用GB/T 17897-1999标准对经不同固溶温度处理后试样进行了点腐蚀实验,实验温度为35℃,取腐蚀速率平均值,腐蚀速率与固溶温度之间的关系如图6所示。在1020~1250℃腐蚀速率随着温度的升高先降低后升高的趋势,在1020~1120℃腐蚀速率趋于平缓,数值相差不大,而在1150~1250℃固溶处理后,腐蚀速率呈急速上升降趋势,主要是由于固溶温度在1020~1250℃时,耐点蚀性能力与两相间的点蚀当量有密切关系,随着温度的升高,双相钢中铁素体的耐点蚀当量逐渐下降,而奥氏体的耐点蚀当量逐渐提高。       在不锈钢中铬、钼、氮是主要的耐点蚀元素,其中铬、钼属于铁素体生成元素,主要存在铁素体组织中,而氮属于奥氏体形成元素,主要固溶于面心立方的奥氏体组织中。随着固溶温度的不断升高,钢的铁素体含量逐渐增加,而奥氏体含量不断减少,从而造成铁素体中的铬、钼稀释,导致铁素体耐点蚀当量逐渐下降,奥氏体中的氮浓度逐渐升高,而点腐蚀首先发生在耐点蚀性能较为脆弱的相中。        3、工业试制   3.1 2205双相不锈钢的冶炼    2205双相不锈钢的冶炼工艺为:电炉→AOD→LF→连铸。  连铸过程中在中间包中取成分分析试样,试样经过打磨后在直读光谱分析仪器上进行成分分析。连铸坯的化学成分见表2。从冶炼的成分看,达到了设计的要求。图7是连铸坯的低倍组织,其中等轴晶的比例达到80%。      3.2 2205双相不锈钢的轧制    2205双相不锈钢的轧制工艺为:步进式加热炉→高压水除磷→粗轧→精轧→卷曲。其加热温度为1250℃,粗轧道次为5道次,精轧道次为7道次,终轧温度为1000℃,图8是热轧卷的照片。从图中可看出,热轧卷卷形良好,符合设计要求。      3.3 2205双相不锈钢的固溶处理    2205双相不锈钢的固溶处理工艺为:开卷→加热→抛丸→电解→酸洗→卷曲。其中固溶处理温度为1040~1080℃,冷却方式为水冷。          3.4 2205双相不锈钢板材的性能    表3是2205双相钢力学性能、铁素体含量及中间有害相检测,所有检测数值均采用3个试样取平均值,从检测性能来看已达到标准要求。    3.5 2205双相不锈钢板材的焊接性能    表4是双相不锈钢的焊接工艺相关参数。该实验采用气体保护焊,焊接后测量焊缝及热影响区的力学性能,力学性能见表5。从检测数据来看,焊接后的性能都达到了标准的要求。     4、主要应用    东方特钢2205双相不锈钢通过了中国、美国、法国、英国、德国、挪威6家船级社的认证和特种设备制造许可认证,可广泛的应用于化学品船、压力容器等行业。     5、结论    (1)双相钢在高温变形过程中,动态回复和动态再结晶演化机制的耦合作用决定了流变曲线的特征。    (2)拉伸及硬度随固溶温度的升高先降低后增加,耐点蚀性能随着(α+γ)两相耐点蚀当量变化而变化,在1020~1120℃温度范围内点蚀速率变化不大,而1150~1250℃在温度范围内,点蚀速率呈急速增加趋势。    (3)东方特钢试制了2205双相不锈钢,板型良好,无边裂,经过检测,其成分、力学性能和腐蚀性能都符合相关标准。    (4)东方特钢2205双相不锈钢通过了船级社认证和特种设备制造许可认证,可广泛应用于压力容器和化学品船。

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