2205雙相不銹鋼夾雜物控制與研究

馮昊蘇

（安徽富凱特材有限公司，安徽 宣城 245300）

雙相不銹鋼其含義是其微觀形態(tài)內(nèi)有奧氏體和鐵素體雙相組織，結(jié)合奧氏體和鐵素體的性質(zhì)，例如奧氏體不銹鋼的高韌性和可焊性、鐵素體不銹鋼的抗腐蝕性。所以雙相不銹鋼在石油化工、海水淡化、核設(shè)施、建筑等行業(yè)應(yīng)用普遍[1]。熱處理中裂隙的形成與奧氏體與鐵素體之間的變形機(jī)制不同、顆粒大小、較硬的奧氏體銳角和分布形狀、夾雜物含量有關(guān)，Guilhem Manin等人的研究結(jié)果證明，在雙相不銹鋼熱處理過程中其雙相之間的晶體界面會(huì)產(chǎn)生裂紋，而且主要方向都是靠近雙相不銹鋼中夾雜物的方向，因此降低雙相不銹鋼中的夾雜物含量對于減少熱處理中裂紋的出現(xiàn)有著重要含義。本文主要是針對25205雙相不銹鋼的夾雜物含量與形態(tài)和對熱處理中裂隙的產(chǎn)生影響做了研究，然后對其夾雜物的降低做了改進(jìn)研究，并對了了之后的夾雜物含量，以此得到了結(jié)論。

1 雙相不銹鋼的發(fā)展歷史及分類

早在上個(gè)世紀(jì)初期年代，瑞典的科學(xué)家就首次研制出了雙相不銹鋼，直至如今對于雙相不銹鋼的改進(jìn)研究仍在進(jìn)行，已將近一個(gè)世紀(jì)[2]。目前，雙相不銹鋼已經(jīng)研發(fā)出了三代。研制第一代雙相不銹鋼是為了解決雙相不銹鋼的晶體間腐蝕問題，在其中添加了鉻、鎳、鉬等金屬元素，其對局部腐蝕的抗性更好，其典型型號是AISI329，3RE60，Uranus50等鋼品種。但是其缺點(diǎn)也很明顯，其在生產(chǎn)時(shí)添加了較多含量的碳元素，導(dǎo)致焊接時(shí)會(huì)在高溫下釋放出大量的碳化物，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度和抗腐蝕性下降很多，這也造成了其應(yīng)用空間有限。在第二代中雙相不銹鋼中，其碳含量相較于第一代有了明顯的降低并且進(jìn)一步的添加了鉬、銅和鎳等金屬元素，其抗腐蝕能力進(jìn)一步加強(qiáng)，其主要代表型號就是2205，由于其雙相不銹鋼強(qiáng)度更高，同等強(qiáng)度想，壁厚更薄、重量更小、成本更低的特點(diǎn)，在海洋勘探和運(yùn)輸天然氣中應(yīng)用較多。接下來第三代是上個(gè)世紀(jì)八十年代出現(xiàn)的超級雙相不銹鋼。在第三代中，雙相不銹鋼的碳元素含量極低，不到整體的0.02%，鉬元素的含量更高在1.1-3.8%之間，氮元素相較于第二代也有了提高，所以其耐點(diǎn)蝕的能力是最強(qiáng)的，一般用于核電站等工作條件較為苛刻的地方。

在將近一個(gè)世紀(jì)的研究和探索中，根據(jù)合金成分及其耐腐蝕性或耐點(diǎn)蝕性能，雙相不銹鋼可以分為三種：第一種雙相不銹鋼不含鉬元素，但添加鉻元素（23%)，鎳元素（4%）和較少的氮元素（0.1%），由此這種兩相不銹鋼的合金化程度較低，其耐腐蝕性也不是很強(qiáng)，在一般腐蝕性環(huán)境中較為適用，在高腐蝕的條件下就會(huì)發(fā)生腐蝕。雙相不銹鋼研究的目的是提高其中氮元素的含量，以提高其在高氯離子濃度溶液中的抗腐蝕性。第三類雙相不銹鋼的改進(jìn)主要是在第二類雙相合金鋼的基礎(chǔ)上提高了鉬元素的含量。除此以外，其余鉻、鎳、鉬、氮的含量也有所增加，由此其耐點(diǎn)蝕性能也有所提高，一般在強(qiáng)腐蝕環(huán)境中應(yīng)用更廣。

2 試驗(yàn)材料及方法

為了研究2205雙相不銹鋼板坯料和熱軋卷材目前夾雜物的含量和改進(jìn)的不銹鋼質(zhì)量，在生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選擇2205雙相不銹鋼和熱軋卷進(jìn)行分析。如表1所示，在連續(xù)鑄造毛坯中心和相關(guān)中心采集了2205雙相不銹鋼化學(xué)成分樣品。通過掃描鏡可以觀察夾雜物的外貌，并通過能譜分析研究非金屬夾雜物的成分。

圖1 2205雙相不銹鋼連鑄坯中夾雜物形貌

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 改進(jìn)前2205雙相不銹鋼板坯和熱軋卷中夾雜物現(xiàn)狀

2205雙相不銹鋼板坯連續(xù)鑄造的坯料中的夾雜物的形態(tài)外貌如圖3所示。從下圖中可以得出結(jié)論，所有夾雜物都近乎可以看做球體，表明它們是在液態(tài)鋼硬化過程中形成的，由于液體鋼強(qiáng)大的表面張力將夾雜物壓成圓形。其尺寸約為10-20μm，在某些位置，包含了尺寸超過20μm的夾雜物，包含量較大。檢測樣品中夾雜物主要為金屬的氧化物，一般包括CaO—Si02一Al203一MgO，其形變能力較低。季燈平等對CaO—Si02一Al203一MgO類夾雜物進(jìn)行了一部分的分析和研究，研究及如果現(xiàn)實(shí)，其把形變能力取決于三氧化二鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，當(dāng)這個(gè)值大于20%時(shí)。

表2 2205不銹鋼板坯和熱軋卷中夾雜物的成分

表1 2205雙相不銹鋼化學(xué)成分

3.2 改進(jìn)措施

根據(jù)上述研究過程中的成果，我們可以得出以下結(jié)論：在2205雙相不銹鋼的冶煉過程中產(chǎn)生的夾雜物的數(shù)量較多，尺寸相對來說也較大，而且主要產(chǎn)生的CaO—Si02一Al203一MgO類型夾雜物，此類型夾雜物中鋁元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大致為30%，鎂元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大致為10%，所以其形變能力差，所以對于2205雙相不銹鋼的熱處理過程有著非常大的影響。

（1）夾雜物變性：2205雙相不銹鋼其中金屬元素的含量較多，而且在鋼料融化成鋼液時(shí)會(huì)溶解一部分空氣中的氧氣，在使用氬氧脫碳法處理使用硅鐵和鋁塊除去氧氣，在這個(gè)過程中鋁元素很容易和鋼液中溶解的氧元素通過化學(xué)反應(yīng)生成三氧化二鋁雜質(zhì)，而三氧化二鋁雜質(zhì)和氧化鎂會(huì)形成一種氧化鎂-三氧化二鋁晶體雜質(zhì)。這就造成了坯料中的夾雜物的鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為30%，鎂元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為10%，根據(jù)以上的結(jié)論，該夾雜物性質(zhì)表現(xiàn)脆性，不易發(fā)生形變。

（2）延長鋼包精煉爐弱吹時(shí)間，將其延長至12min以上，這可以導(dǎo)致鋼液中的較大的夾雜物浮起并被吸附，而且使顆粒較小的夾雜物在這個(gè)過程中不斷結(jié)合從而浮起被吸附，達(dá)到減夾雜物的目的。

（3）在整個(gè)冶煉過程中，對原料做好密封工作，減少鋼液中氧氣的溶解量，進(jìn)而減少夾雜物的含量。

3.3 改進(jìn)后2205板坯和熱軋卷中夾雜物現(xiàn)狀

由于進(jìn)行了上述技術(shù)改良手段，雙相不銹鋼夾雜物的含量大大減少，在對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行改善后，其坯料中夾雜物的形態(tài)外貌如圖所示，從這些材料中可以看出，夾雜物的尺寸大大降低，在坯料中的夾雜物的尺寸在測量后發(fā)現(xiàn)基本上小于15μm。如圖7所示，對改進(jìn)后的坯料進(jìn)行熱軋測試，軋制變形后的球狀?yuàn)A雜物變?yōu)榱碎L條狀，表明夾雜物形變能力有所加強(qiáng)，其由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)榱丝伤苄浴?/p>

圖2 改進(jìn)后2205雙相不銹鋼連鑄坯夾雜物形貌

在對技術(shù)手段進(jìn)行改良后，其2025雙相不銹鋼中的夾雜物形態(tài)外貌如圖3、圖4所示，對成分進(jìn)行分析后其成分如表3所示。從這些材料中可以得到以下結(jié)論，坯料中夾雜物類型并沒有發(fā)生改變，其主要類型仍然是CaO—Si02一Al203一MgO，但是鋁元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降到了18.21%，鎂元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降為了7．35%，且其下降幅度明顯，鈣元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升為35．65%，其上升幅度也較為明顯，從以上的結(jié)論中可以得出該夾雜物的形變能力良好。并且在圖9中得到了驗(yàn)證，其圖中的夾雜物明顯呈長條狀分布，且其形狀也由之前的圓形轉(zhuǎn)變?yōu)殚L條形，其中1號雜質(zhì)形變還不是很大，依舊存在橢圓形的形貌，但是2號雜質(zhì)形變極為明顯，幾乎成為了線性。而且坯料熱軋軋制而成的不銹鋼卷中的夾雜物的成分與坯料中的成分并無區(qū)別。將l號夾雜物和2號夾雜物成分的成分分別進(jìn)行分析，其1夾雜物的鋁元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯較高，鈣元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯較低，因此1號夾雜物的脆性較2號雜質(zhì)更脆。

圖3 進(jìn)后2205不銹鋼板坯中夾雜物成分

圖9 4 改進(jìn)后2205不銹鋼熱軋卷中夾雜物成分

表3 進(jìn)后2205不銹鋼板坯和熱軋卷夾雜物的成分

4 結(jié)論

（1）在進(jìn)行技術(shù)改善前，2205雙相不銹鋼的坯料和熱軋卷中的夾雜物的含量較多，且尺寸更大，相當(dāng)一部分夾雜物的尺寸能夠達(dá)到20μm以上，而且其一般呈球狀，經(jīng)過熱軋之后，依舊呈球狀，其鋁元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，所以其性質(zhì)偏向于脆性，形變能力較差。

（2）在冶煉過程中進(jìn)行鈣處理，將其夾雜物由原來的Al203一MgO晶體雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)镃aO—Si02一Al203一MgO晶體雜質(zhì)，同時(shí)延長弱吹時(shí)間、增加冶煉過程中的密封性可以有效地降低成品中夾雜物的含量。

（3）在對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行改善后，夾雜物的數(shù)量減少了，尺寸也有所降低，最主要是夾雜物由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)榭伤苄浴?/p>