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東方特鋼2205雙相不銹鋼板卷的開發與應用


作者編輯: | 日期:2021/1/15 10:39:57 | 信息來源:

2205不銹鋼板是由奧氏體和鐵素體組織構成的雙相不銹鋼,該雙相不銹鋼兼有鐵素體和奧氏體不銹鋼的性能優點,具有優良的耐腐蝕性能、力學性能、焊接性能[1-2]。2205雙相不銹鋼因其低碳、含N、高鉻、含鉬具有比304、316L等奧氏體不銹鋼更好的耐應力腐蝕、耐縫隙腐蝕、耐Cl-點蝕、耐晶界腐蝕。優良的韌性,屈服強度是300系不銹鋼的2倍;焊接性能優良,與鐵素體不銹鋼及奧氏體不銹鋼相比,焊接區不像鐵素體那樣塑性大幅下降,也不像奧氏體不銹鋼那樣,對焊接熱裂紋比較敏感。因其優良的綜合性能,廣泛應用于石油、化工、制鹽、水利、發電廠煙氣脫硫(FGD)、造紙等領域[3-4]。     但由于奧氏體和鐵素體組織成分、強度、延伸率的不同,熱加工變形時容易在相界處產生應力集中,導致邊部或表面產生裂紋,嚴重影響了其板面質量及成材率。本文通過熱模擬壓縮實驗、固溶處理工藝的優化,成功研制出了2205雙相不銹鋼板卷,并且該產品已成功應用于化學品船、壓力容器等行業。     1、熱模擬壓縮實驗   高溫熱壓實驗在Gleeble 3500 熱/力模擬試驗機上進行,試樣的化學成分見2205不銹鋼是由奧氏體和鐵素體組織構成的雙相不銹鋼,該雙相不銹鋼兼有鐵素體和奧氏體不銹鋼的性能優點,具有優良的耐腐蝕性能、力學性能、焊接性能[1-2]。2205雙相不銹鋼因其低碳、含N、高鉻、含鉬具有比304、316L等奧氏體不銹鋼更好的耐應力腐蝕、耐縫隙腐蝕、耐Cl-點蝕、耐晶界腐蝕。優良的韌性,屈服強度是300系不銹鋼的2倍;焊接性能優良,與鐵素體不銹鋼及奧氏體不銹鋼相比,焊接區不像鐵素體那樣塑性大幅下降,也不像奧氏體不銹鋼那樣,對焊接熱裂紋比較敏感。因其優良的綜合性能,廣泛應用于石油、化工、制鹽、水利、發電廠煙氣脫硫(FGD)、造紙等領域[3-4]。     但由于奧氏體和鐵素體組織成分、強度、延伸率的不同,熱加工變形時容易在相界處產生應力集中,導致邊部或表面產生裂紋,嚴重影響了其板面質量及成材率。本文通過熱模擬壓縮實驗、固溶處理工藝的優化,成功研制出了2205雙相不銹鋼板卷,并且該產品已成功應用于化學品船、壓力容器等行業。     1、熱模擬壓縮實驗   高溫熱壓實驗在Gleeble 3500 熱/力模擬試驗機上進行,試樣的化學成分見表1。將直徑10mm×15mm的高溫壓縮試樣加熱到1200℃后保溫5min,以5℃/s的速度冷卻到1100℃并保溫20s后在應變速率為5s-1的條件下進行高溫壓縮變形,在變形結束后將試樣淬火至室溫。熱模擬工藝路線示意圖見圖1,對應的真應力-應變曲線見圖2。從圖2中的流變曲線上可以看出,由于鐵素體和奧氏體兩相共存,鐵素體基體和奧氏體發生協調變形。在多道次流變曲線中,第一道次曲線的初始部分中也出現了類似的“類屈服平臺”現象。雙相不銹鋼在高溫變形過程中的微觀組織演變主要受應變分配和相界或晶界性質影響。與單相鐵素體或奧氏體相比較,雙相不銹鋼的高溫微觀組織演變與其差異很大。對鐵素體相而言,變形的初始階段,鐵素體中位錯密度增大產生加工硬化。隨后鐵素體發生動態回復,由于應變主要分布在較軟的鐵素體基體,延遲了應變通過相界轉移至奧氏體的過程,從而阻礙了變形的連續性而出現“類屈服平臺”軟化現象。隨變形量增加,為了維持材料變形的連續性,應變通過相界    從鐵素體轉移到奧氏體中。由于應變傳遞導致奧氏體流變應力增加,再次出現加工硬化。隨應變量進一步增加,鐵素體和奧氏體同時發生連續動態再結晶。同時奧氏體相中具有Σ3位向關系的晶界逐漸消失,流變曲線再次出現軟化,由此可見,高溫變形過程中雙相微觀組織演化機制的耦合作用共同決定了流變曲線的特征[5-6]。       變形后的樣品沿軸線切開,觀察金相組織,見圖3。圖中可以看出,其中較亮的組織為奧氏體,較暗的組織為鐵素體。從金相組織上可以看出,隨著變形量的增加,金相中沿軋向的流線狀奧氏體組織愈發明顯,且更加細長。      2、 固溶處理實驗   2.1 固溶處理溫度對2205雙相不銹鋼力學性能的影響    每種固溶處理溫度取三個拉伸、硬度試樣,實驗結果取平均值,測試結果如圖3所示。由圖4可知從1020~1250℃范圍內強度、硬度先減少后增加,1050℃時硬度和強度值較小。因為固溶處理工藝對2205雙相不銹鋼的力學性能的影響主要有兩個因素:組織再結晶的完成度和兩相組織轉變程度。再結晶完成度越高,強度和硬度越小;而在常溫下鐵素體含量越高,硬度和強度越大,主要是在室溫時以體心立方的鐵素體組織的強度要高于以面心立方為組織的奧氏體組織。因而隨著固溶溫度的升高而發生奧氏體組織向鐵素體組織轉變將使鋼的強度和硬度增加。    在1020~1050℃試樣的再結晶完成度對抗拉強度和硬度影響大于組織轉變對強度和硬度的影響,所以強度和硬度減小。而在1080~1250℃再結晶對試樣強度和硬度的影響小于組織轉變對強度和硬度的影響,所以強度和硬度隨著溫度的升高而增大。   2.2 固溶溫度對2205雙相不銹鋼鐵素體含量的影響    不同固溶溫度對2205雙相不銹鋼鐵素體含量的影響規律見圖5。從圖中可以看出,鐵素體的含量隨著溫度的上升而增加。有研究指出,當雙相不銹鋼的相比例在1:1左右時,其綜合性能較好,通過1000~1250℃固溶實驗,確定2205雙相不銹鋼卷固溶處理溫度在1050~1100℃之間,這時其鐵素體含量在50%左右。    2.3 固溶溫度對2205雙相不銹鋼點蝕性能的影響    采用GB/T 17897-1999標準對經不同固溶溫度處理后試樣進行了點腐蝕實驗,實驗溫度為35℃,取腐蝕速率平均值,腐蝕速率與固溶溫度之間的關系如圖6所示。在1020~1250℃腐蝕速率隨著溫度的升高先降低后升高的趨勢,在1020~1120℃腐蝕速率趨于平緩,數值相差不大,而在1150~1250℃固溶處理后,腐蝕速率呈急速上升降趨勢,主要是由于固溶溫度在1020~1250℃時,耐點蝕性能力與兩相間的點蝕當量有密切關系,隨著溫度的升高,雙相鋼中鐵素體的耐點蝕當量逐漸下降,而奧氏體的耐點蝕當量逐漸提高。       在不銹鋼中鉻、鉬、氮是主要的耐點蝕元素,其中鉻、鉬屬于鐵素體生成元素,主要存在鐵素體組織中,而氮屬于奧氏體形成元素,主要固溶于面心立方的奧氏體組織中。隨著固溶溫度的不斷升高,鋼的鐵素體含量逐漸增加,而奧氏體含量不斷減少,從而造成鐵素體中的鉻、鉬稀釋,導致鐵素體耐點蝕當量逐漸下降,奧氏體中的氮濃度逐漸升高,而點腐蝕首先發生在耐點蝕性能較為脆弱的相中。        3、工業試制   3.1 2205雙相不銹鋼的冶煉    2205雙相不銹鋼的冶煉工藝為:電爐→AOD→LF→連鑄。  連鑄過程中在中間包中取成分分析試樣,試樣經過打磨后在直讀光譜分析儀器上進行成分分析。連鑄坯的化學成分見表2。從冶煉的成分看,達到了設計的要求。圖7是連鑄坯的低倍組織,其中等軸晶的比例達到80%。      3.2 2205雙相不銹鋼的軋制    2205雙相不銹鋼的軋制工藝為:步進式加熱爐→高壓水除磷→粗軋→精軋→卷曲。其加熱溫度為1250℃,粗軋道次為5道次,精軋道次為7道次,終軋溫度為1000℃,圖8是熱軋卷的照片。從圖中可看出,熱軋卷卷形良好,符合設計要求。      3.3 2205雙相不銹鋼的固溶處理    2205雙相不銹鋼的固溶處理工藝為:開卷→加熱→拋丸→電解→酸洗→卷曲。其中固溶處理溫度為1040~1080℃,冷卻方式為水冷。          3.4 2205雙相不銹鋼板材的性能    表3是2205雙相鋼力學性能、鐵素體含量及中間有害相檢測,所有檢測數值均采用3個試樣取平均值,從檢測性能來看已達到標準要求。    3.5 2205雙相不銹鋼板材的焊接性能    表4是雙相不銹鋼的焊接工藝相關參數。該實驗采用氣體保護焊,焊接后測量焊縫及熱影響區的力學性能,力學性能見表5。從檢測數據來看,焊接后的性能都達到了標準的要求。     4、主要應用    東方特鋼2205雙相不銹鋼通過了中國、美國、法國、英國、德國、挪威6家船級社的認證和特種設備制造許可認證,可廣泛的應用于化學品船、壓力容器等行業。     5、結論    (1)雙相鋼在高溫變形過程中,動態回復和動態再結晶演化機制的耦合作用決定了流變曲線的特征。    (2)拉伸及硬度隨固溶溫度的升高先降低后增加,耐點蝕性能隨著(α+γ)兩相耐點蝕當量變化而變化,在1020~1120℃溫度范圍內點蝕速率變化不大,而1150~1250℃在溫度范圍內,點蝕速率呈急速增加趨勢。    (3)東方特鋼試制了2205雙相不銹鋼,板型良好,無邊裂,經過檢測,其成分、力學性能和腐蝕性能都符合相關標準。    (4)東方特鋼2205雙相不銹鋼通過了船級社認證和特種設備制造許可認證,可廣泛應用于壓力容器和化學品船。表1。
將直徑10mm×15mm的高溫壓縮試樣加熱到1200℃后保溫5min,以5℃/s的速度冷卻到1100℃并保溫20s后在應變速率為5s-1的條件下進行高溫壓縮變形,在變形結束后將試樣淬火至室溫。熱模擬工藝路線示意圖見圖1,對應的真應力-應變曲線見圖2。從圖2中的流變曲線上可以看出,由于鐵素體和奧氏體兩相共存,鐵素體基體和奧氏體發生協調變形。在多道次流變曲線中,一道次曲線的初始部分中也出現了類似的“類屈服平臺”現象。雙相不銹鋼在高溫變形過程中的微觀組織演變主要受應變分配和相界或晶界性質影響。與單相鐵素體或奧氏體相比較,雙相不銹鋼的高溫微觀組織演變與其差異很大。對鐵素體相而言,變形的初始階段,鐵素體中位錯密度增大產生加工硬化。隨后鐵素體發生動態回復,由于應變主要分布在較軟的鐵素體基體,延遲了應變通過相界轉移至奧氏體的過程,從而阻礙了變形的連續性而出現“類屈服平臺”軟化現象。隨變形量增加,
為了維持材料變形的連續性,應變通過相界    從鐵素體轉移到奧氏體中。由于應變傳遞導致奧氏體流變應力增加,再次出現加工硬化。隨應變量進一步增加,鐵素體和奧氏體同時發生連續動態再結晶。同時奧氏體相中具有Σ3位向關系的晶界逐漸消失,流變曲線再次出現軟化,由此可見,高溫變形過程中雙相微觀組織演化機制的耦合作用共同決定了流變曲線的特征[5-6]。       變形后的樣品沿軸線切開,觀察金相組織,見圖3。圖中可以看出,其中較亮的組織為奧氏體,較暗的組織為鐵素體。從金相組織上可以看出,隨著變形量的增加,金相中沿軋向的流線狀奧氏體組織愈發明顯,且更加細長。      2、 固溶處理實驗   2.1 固溶處理溫度對2205雙相不銹鋼力學性能的影響    每種固溶處理溫度取三個拉伸、硬度試樣,實驗結果取平均值,測試結果如圖3所示。由圖4可知從1020~1250℃范圍內強度、硬度先減少后增加,1050℃時硬度和強度值較小。因為固溶處理工藝對2205雙相不銹鋼的力學性能的影響主要有兩個因素:組織再結晶的完成度和兩相組織轉變程度。再結晶完成度越高,強度和硬度越小;而在常溫下鐵素體含量越高,硬度和強度越大,主要是在室溫時以體心立方的鐵素體組織的強度要高于以面心立方為組織的奧氏體組織。因而隨著固溶溫度的升高而發生奧氏體組織向鐵素體組織轉變將使鋼的強度和硬度增加。   
 在1020~1050℃試樣的再結晶完成度對抗拉強度和硬度影響大于組織轉變對強度和硬度的影響,所以強度和硬度減小。而在1080~1250℃再結晶對試樣強度和硬度的影響小于組織轉變對強度和硬度的影響,所以強度和硬度隨著溫度的升高而增大。   2.2 固溶溫度對2205雙相不銹鋼鐵素體含量的影響    不同固溶溫度對2205雙相不銹鋼鐵素體含量的影響規律見圖5。從圖中可以看出,鐵素體的含量隨著溫度的上升而增加。有研究指出,當雙相不銹鋼的相比例在1:1左右時,其綜合性能較好,通過1000~1250℃固溶實驗,確定2205雙相不銹鋼卷固溶處理溫度在1050~1100℃之間,這時其鐵素體含量在50%左右。    2.3 固溶溫度對2205雙相不銹鋼點蝕性能的影響    采用GB/T 17897-1999標準對經不同固溶溫度處理后試樣進行了點腐蝕實驗,實驗溫度為35℃,取腐蝕速率平均值,腐蝕速率與固溶溫度之間的關系如圖6所示。在1020~1250℃腐蝕速率隨著溫度的升高先降低后升高的趨勢,在1020~1120℃腐蝕速率趨于平緩,數值相差不大,而在1150~1250℃固溶處理后,腐蝕速率呈急速上升降趨勢,主要是由于固溶溫度在1020~1250℃時,耐點蝕性能力與兩相間的點蝕當量有密切關系,隨著溫度的升高,雙相鋼中鐵素體的耐點蝕當量逐漸下降,而奧氏體的耐點蝕當量逐漸提高。       在不銹鋼中鉻、鉬、氮是主要的耐點蝕元素,其中鉻、鉬屬于鐵素體生成元素,主要存在鐵素體組織中,而氮屬于奧氏體形成元素,主要固溶于面心立方的奧氏體組織中。隨著固溶溫度的不斷升高,鋼的鐵素體含量逐漸增加,而奧氏體含量不斷減少,從而造成鐵素體中的鉻、鉬稀釋,導致鐵素體耐點蝕當量逐漸下降,奧氏體中的氮濃度逐漸升高,而點腐蝕首先發生在耐點蝕性能較為脆弱的相中。        3、工業試制   3.1 2205雙相不銹鋼的冶煉    2205雙相不銹鋼的冶煉工藝為:電爐→AOD→LF→連鑄。  連鑄過程中在中間包中取成分分析試樣,試樣經過打磨后在直讀光譜分析儀器上進行成分分析。連鑄坯的化學成分見表2。從冶煉的成分看,達到了設計的要求。圖7是連鑄坯的低倍組織,其中等軸晶的比例達到80%。      3.2 2205雙相不銹鋼的軋制    2205雙相不銹鋼的軋制工藝為:步進式加熱爐→高壓水除磷→粗軋→精軋→卷曲。其加熱溫度為1250℃,粗軋道次為5道次,精軋道次為7道次,終軋溫度為1000℃,圖8是熱軋卷的照片。從圖中可看出,熱軋卷卷形良好,符合設計要求。      3.3 2205雙相不銹鋼的固溶處理    2205雙相不銹鋼的固溶處理工藝為:開卷→加熱→拋丸→電解→酸洗→卷曲。其中固溶處理溫度為1040~1080℃,冷卻方式為水冷。          3.4 2205雙相不銹鋼板材的性能    表3是2205雙相鋼力學性能、鐵素體含量及中間有害相檢測,所有檢測數值均采用3個試樣取平均值,從檢測性能來看已達到標準要求。    3.5 2205雙相不銹鋼板材的焊接性能    表4是雙相不銹鋼的焊接工藝相關參數。該實驗采用氣體保護焊,焊接后測量焊縫及熱影響區的力學性能,力學性能見表5。從檢測數據來看,焊接后的性能都達到了標準的要求。     4、主要應用    東方特鋼2205雙相不銹鋼通過了中國、美國、法國、英國、德國、挪威6家船級社的認證和特種設備制造許可認證,可廣泛的應用于化學品船、壓力容器等行業。     5、結論    (1)雙相鋼在高溫變形過程中,動態回復和動態再結晶演化機制的耦合作用決定了流變曲線的特征。    (2)拉伸及硬度隨固溶溫度的升高先降低后增加,耐點蝕性能隨著(α+γ)兩相耐點蝕當量變化而變化,在1020~1120℃溫度范圍內點蝕速率變化不大,而1150~1250℃在溫度范圍內,點蝕速率呈急速增加趨勢。    (3)東方特鋼試制了2205雙相不銹鋼,板型良好,無邊裂,經過檢測,其成分、力學性能和腐蝕性能都符合相關標準。    (4)東方特鋼2205雙相不銹鋼通過了船級社認證和特種設備制造許可認證,可廣泛應用于壓力容器和化學品船。

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