科技新进展：超级双相不锈钢关键技术研究及产品研发

一、研究的背景与问题

2507作为第三代双相不锈钢钢代表，其点蚀当量PREN≥41，在含有氯化物、酸等苛刻环境下具有良好的耐蚀性能和很高的力学性能，是6Mo型超级奥氏体不锈钢、钛材和玻璃纤维增强塑料的替代材料。超级双相不锈钢凭借其优良的抗腐蚀性能、较高的强度和相对低廉的价格，广泛应用在核电、石油、化工、造船、天然气等具有强烈腐蚀介质的领域，市场潜力较大。

超级双相不锈钢工业化生产难度大，国内生产厂家较少，生产过程控制难度大，容易产生脆断等问题，特别是卷板产品质量不稳定，表面缺陷严重，产品成材率和合格率低下，高端客户还依赖进口。研究和开发高附加值、高技术含量超级双相不锈钢产品，不但可打破国外价格和产品上的垄断，减少进口使用量，为石化、环保、核工业等特殊行业提供合格产品，实现相关材料技术的提升与产业化；也有利于促进产品升级，提高企业整体竞争力，促进了我国不锈钢工艺水平提升，具有较高的立项意义。

二、解决问题的思路与技术方案

1、总体思路

本项目研究目标是根据酒钢设备特点、标准要求及客户需求、析出相的控制以及合金元素对产品表面质量的影响，设计酒钢2507超级双相不锈钢成分。通过冶炼、连铸、热加工、酸洗、轧制、退火等工艺研究，解决高合金冶炼过程中超低碳磷硫含量的控制、热塑性差导致的严重边裂和起皮缺陷、极易析出σ相带来的脆性问题以及难酸洗等一系列关键技术问题，开发出2507超级双相不锈钢，产品化学成分、性能满足相关标准要求和客户要求，达到国外同等水平。

2、技术方案

（1）2507平衡相图

图1为利用相关热力学模拟软件计算的2205、2507平衡相图，可以看出，双相不锈钢轧制过程基本处于两相甚至三相区，热塑性相对较差，两相或多相变形不协调容易产生缺陷。

图2为2507、2205析出5%σ相的TTT曲线，可以看出2507极易析出σ相，其析出温度高、时间短。而σ相为脆性相，其大量的析出会降低材料的韧性，存在脆断风险，如何控制或减少σ相是超级双相不锈钢研发的一个难点。

图1 2205、2507平衡相图

图2 2507、2205钢种σ相（5%）TTT曲线

（2）σ相析出行为及控制策略研究

①σ相析出行为研究（时效试验）

图3为2507固溶处理后在900℃-1000℃范围内进行时效处理的力学性能的变化，可以看出随时效时间的延长、温度的降低，抗拉强度、硬度增加，延伸率、冲击下降。

图3 时效温度、时间对2507钢力学性能的影响（900-1000℃）

图4为2507固溶处理后在940℃、1000℃时效10min析出相的析出情况，可以看出940℃析出相数量明显高于1000℃，结合力学性能的变化可知σ相的析出对材料的力学性能有明显的影响。

图4 2507钢高温时效处理10min的背散射电子像：940℃（a），1000℃（b）

图5为2507固溶处理后在600℃-700℃时效处理的力学性能的变化，随着时效温度的升高、时效时间的延长，力学性能随之恶化。600℃-650℃在40h内延伸率＞20%，冲击功＞10J；700℃时效时间＞10h后力学性能显著恶化，20h后延伸率低于5%，冲击功＜5J。

图5 时效温度、时间对2507钢种力学性能的影响（600℃-700℃）

图6为2507固溶处理后在700℃、600℃时效20h析出相的观察，可以看出600℃下σ相析出量明显低于700℃。

图6 2507钢中温时效处理20h的背散射电子像：600℃（a），700℃（b）

为避免析出较多的σ相影响后续加工，2507应避免在σ相易析出区域停留，快速冷却至650℃以下。

②铸坯的横向断裂机理研究

2507连铸过程控制不当，板坯容易发生脆断问题，如图7所示。

图7 2507板坯横向脆断

2507断口组织存在有4种相，具体表现为Mo含量不一样，其中黑色含5.0%Mo，灰色3.0%Mo，浅白色6.0-8.0%Mo以及白色18%Mo。

图8 2507板坯断口背散射电子像以及能谱分析

利用相关软件可计算出2507各相中Mo含量的变化，结合能谱可知，黑色为α相、灰色为γ相、浅白色为σ相、白色的χ相，如图9所示，可以看出α相基本都转换成σ相，且裂纹是沿着σ相位置扩展。

图9 2507断口部位背散射电子像

2507容易析出σ相等脆性相，若连铸过程冷却不当以及板坯下线冷却速度较慢使得σ相析出偏多，降低了板坯的韧性，且α相变成σ相体积会发生膨胀，造成板坯内应力较大，这是板坯修磨和静置过程发生断裂原因。

控制措施及应用效果：通过优化连铸各段冷却水流量、热切完在辊道上采用水冷+摆动方式降温、板坯下线单独码放以及采用风机强制冷却等措施，σ相等析出相控制较好，解决了板坯的横向脆断。

图10 a-水冷+摆动方式降温；b、c-单独码放+风机强制冷却；

d-析出6% σ相、χ相的CTT曲线；e-板坯修磨质量。

③热轧卷头尾脆性问题研究

酒钢不锈钢热轧为炉卷轧机，轧制节奏较长，带钢头尾温度偏低（如图11所示），容易析出σ相，导致带钢头尾容易产生脆断，如图12所示。

图11 2507精轧终轧温度随带钢长度变化

图12 2507热轧卷头尾脆断

σ相析出的影响因素：

i）头尾温度影响因素分析

通过提高轧制温度、缩短逆转时间、提高轧制速度能够提高头部区域的终轧温度，具体入图13所示。

图13 头尾温度影响因素

ii）Cr、Mo元素含量的影响

σ相为富Cr、Mo相，Cr、Mo会促进σ相的析出，随Cr、Mo含量的增加，其鼻尖析出温度上升、析出时间缩短。

图14 Cr、Mo元素含量对σ相TTT曲线的影响

卷板σ相析出的控制：

通过成分和工艺的优化，以及开发头尾强制冷却工艺，减少了热轧态σ相的析出，头尾塑性较前期改善明显，提高了热轧黑卷韧性；同时改造热线设备，避免了后续加工出现脆断等问题，保证了2507超级双相不锈钢批量稳定化生产。

图15 2507热轧头部σ相析出情况

（3）高纯净度冶炼工艺控制技术

夹杂物影响材料的热塑性和耐腐蚀性，而双相不锈钢热加工区间窄、热塑性差，夹杂物控制尤为重要。

通过废钢筛选、氮气合金化、铝脱氧、钙处理、优化精炼过程炉渣（降低渣中Si、提高Al含量）、LF进站喂铝线深脱氧、增加弱吹时间让夹杂物充分上浮等措施，提高钢水纯净度。2507全氧含量由前期的60ppm降至目前的30ppm左右。

表1 2507中包的T[O]

图16 2507工艺优化前后全氧变化

图17 MgO·Al2O3·CaO三元相图

夹杂物评级整体良好，没有A类和B类夹杂，主要为C类的Ca-Al-Mg-O的塑性夹杂和D类Al₂O₃夹杂。

表2 2507夹杂物评级

（4）热加工工艺及缺陷机理研究

①热变形行为研究

2507为新开发钢种，为保证轧制过程稳定性，需对其研究2507高温强度和热变形行为进行研究。

i）流变应力曲线

从流变应力曲线来看，随着变形温度降低和应变速率升高，流变应力和峰值应力随之升高。0.01s^-1整体变化平缓；0.1-1s^-1条件下950-1000℃低温段曲线变化较为平缓，1000-1200℃表现为单峰特性；10s^-1表现为多峰特征的动态再结晶流变应力曲线，出现“类屈服平台”软化现象，即出现二次硬化。

图18 不同变形条件下的流变应力曲线

ii）本构方程

根据在不同变形温度下的应变速率和应力之间的关系，构建2507本构方程如式（1）所示。

根据本构方程，优化了二级规格，避免了轧制超负荷问题。

②2507双相不锈钢边裂机理研究

存在问题：2507双相不锈钢高温下两相塑性和软化机制的差异导致热塑性较差，在实际生产过程中由于宽展的存在，边部与中部的金属流动存在差异造成边部区域存在附加拉应力，且边部温度偏低又进一步恶化了材料的塑性，导致边部区域更易于产生裂纹缺陷。

i)成分的影响

图19为Creq/Nieq对双相钢热轧边裂的影响，随着Creq/Nieq的增加，边裂随之降低。2205钢种Creq/Nieq较高约2.35，裂纹值＜1mm；2507钢种Creq/Nieq约为1.8，裂纹值约为26mm；2101钢种Creq/Nieq为1.9-2.0，其裂纹值约为10mm。

图19 Creq/Nieq对双相不锈钢热轧边裂的影响

ii）立辊压下的影响

考虑到立辊投入产生的压应力可抵消部分拉应力，有利于抑制边裂的产生，研究了立辊压下对双向不锈钢边裂的影响，如图20所示。随立辊压下的增加，边裂深度随之降低。

图20 立辊产生的压应力对双相不锈钢边裂的影响

通过成分、工艺优化，2507卷板的边裂现象得到了明显改善；前期卷板边裂15-50mm，目前基本控制在5mm以内。

图21 2507边部质量：a、b-前期卷板边裂，c、d-目前卷板边裂

③双相不锈钢热塑性起皮缺陷（纺锤状）

2507超级双相不锈钢轧制过程基本处于两相甚至三相区，由于两相或多相变形不协调，热塑性相对较差，容易产生严重的表面缺陷。双相不锈钢纺锤状起皮缺陷源于高温下两相塑性和软化机制的差异，与成分、温度、应变速率（夹杂物、等轴晶率等）有一定关系。为研究双相不锈钢表面起皮现象，引入临界起皮应变速率λc概念，应变速率λ大于临界应变速率λc时发生起皮，λ与λc相差越大，起皮倾向性越大。

式中：λc-临界起皮应变速率，f-材料的Creq/Nieq值，T-温度，a-常数，b-成分影响因子，c-温度影响因子。

i)成分的影响

材料的Creq/Nieq越大、温度越高，λc越大，起皮倾向性越低。2507的Creq/Nieq较2205低，其临界应变速率λc偏小，在相同工艺条件下，2507的表面起皮缺陷更为严重。

图22 Creq/Nieq对临界起皮应变速率的影响

ii)温度的影响

温度影响带钢在轧制过程中的动态软化，温度较高时有利于缓解两相变形不协调在相界处产生的应力集中，避免因应力集中产生的微裂纹。此外，高温下α相比例相对较高，材料的热塑性较好。

图23 精轧开轧温度对2507表面缺陷的影响

iii)应变速率对起皮缺陷的影响

图24为应变速率对304（γ相）、430（α相）变形抗力的影响，可以看出随着应变速率的增加，两者差异性越明显，这主要与α、γ相软化机制有关，α相以动态回复为主，γ相为动态再结晶，由于动态回复时间较短，再结晶时间较长，故应变速率较高时，动态再结晶效果较差，导致高应变速率两者塑性差异越明显，该图表明相对较低的应变速率有利于改善双相不锈钢的塑性。

图24 应变速率对304、430高温强度的影响

一般轧制规格越薄，应变速率与临界值λc相差越大，起皮倾向性就越明显。从2205同批次生产情况来看，6.0mm/1250mm规格起皮降级率约为5%，4.0mm达到35%。

图25 2205/1250精轧阶段温度-应变速率及成品厚度对其起皮降级的影响

通过优化成分和工艺等，2507纺锤状起皮缺陷基本得到抑制。

图26 2507表面质量：a-前期中厚板起皮，b-目前中板表面质量，

c-前期卷板起皮，d-目前卷板表面质量

（5）固溶酸洗工艺研究

2507的Cr、Mo含量高，酸洗难度较大，研发了一种双相不锈钢热退火酸洗及冷退火酸洗方法，提高了生产效率，改善了产品质量，实现了批量稳定化连续生产。根据实验室研究结果及平衡相图，固溶处理材温按1080℃控制，γ相比例控制在50%左右，力学性能满足标准要求，无σ相的析出。

图27 a-2507平衡相图，b-2507经固溶处理的组织

此外，为避免黑板直接退火Cr、Si等与O亲和力强的元素产生内氧化造成酸洗困难，中厚板酸洗采用黑板直接酸洗+固溶处理+酸洗，质量较改善明显。

图28 工艺优化前（a）、后（b）2507中厚板表面

三、主要创新性成果

1、根据产品标准、客户要求，结合酒钢设备特点、析出相的控制以及合金元素对产品表面质量影响的研究，设计了酒钢2507成分；提出了2507高纯净度冶炼方法，保证了钢水纯净度，夹杂物控制水平达到国外先进水平；创新性引入临界起皮应变速率λc概念解释了，解释了热塑性起皮机理，通过优化成分和工艺，保证了产品质量，实现了2507超级双相不锈钢批量稳定化生产。

2、利用时效试验研究了2507超级双相不锈钢析出相析出行为，通过调整成分、优化工艺、增加冷却装置等，解决了板坯的横向脆断、提高了 2507 热轧黑卷韧性，避免了后续加工出现脆断等问题，保证了 2507 超级双相不锈钢批量稳定化生产。

3、提出了双相不锈钢中厚板、卷板的固溶酸洗工艺，降低了生产成本，缩短了生产周期，得到了品质优异的产品，组织、性能达到国外先进水平，实现了 2507 超级双相不锈钢固溶酸洗的高效连续生产。

四、应用情况与效果

本项目成果已成果在酒钢不锈钢生产线上应用，并实现了工业化批量生产。2022~2024年酒钢2507超级双相不锈钢销量10075.896吨，铸坯合格率97%，中厚板产品合格率98.50%，NO.1产品一级品合格率98%，2B产品合格率95%。产品成分、力学性能满足标准要求，夹杂物控制水平、腐蚀性能、力学性能达到国外同等水平，得到用户的一致好评，广泛应用在核电、化工、石油、造船、天然气等具有强烈腐蚀介质的领域，开发了中核二三、兰石换热、华阳管业、赛德力、长沙水泵厂、新时代造船厂等终端客户以及无锡大明、天津格瑞等优质代理商，2023年通过甘肃省科技成果登记和甘肃省工业新产品备案，达到国际先进水平，评选为“2023年甘肃省属企业十大科技成果”，获得2024年度甘肃省科技进步二等奖。

图29 2507超级双相不锈钢应用：石油管道、压力容器、脱硫脱硝、

干燥器、反应釜、化学品船、换热器

信息来源：酒泉钢铁（集团）有限责任公司