雙相不銹鋼是指在固溶組織中鐵素體相和奧氏體相約各占一半的不銹鋼。通過合理的成分設(shè)計以及熱處理工藝控制，實現(xiàn)了鐵素體相和奧氏體相共存，并兼?zhèn)淞藘上喔髯缘膬?yōu)點，如奧氏體不銹鋼的優(yōu)良韌性、焊接性，鐵素體不銹鋼的高強度和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能等，與同性能級別的奧氏體鋼相比，明顯降低了貴重金屬鎳的含量[1～2] ，是低成本與高性能的完美統(tǒng)一。因此近年來作為可焊接的結(jié)構(gòu)材料，得到快速發(fā)展，目前已成為不銹鋼的重要組成部分，在石油、化工、造船、造紙、海水淡化、交通運輸、核電、橋梁、建筑幕墻等多領(lǐng)域得到了成功廣泛的應(yīng)用[3～8]。 1、雙相不銹鋼的發(fā)展歷史、趨勢、特點及品種 1.1 雙相不銹鋼的發(fā)展歷史及趨勢 雙相不銹鋼的發(fā)展起源于20世紀30年代，法國人在1935年獲得了第一個專利。一般認為，截止至上世紀80年代，雙相不銹鋼的發(fā)展經(jīng)歷了三代[1、9～10]。 第一代雙相不銹鋼以美國上世紀40年代開發(fā)的329鋼為代表，該鋼種的典型特征是含有較高的鉻、鉬，改善了耐蝕性，但由于含碳量較高(≤0.1％)，因此焊接時會有碳化物沿晶界析出，導(dǎo)致耐蝕性降低，一般只用于鑄件。期間各國都在降低碳改善焊接性開展了大量工作，開發(fā)了一系列新品種，如蘇聯(lián)的鈦穩(wěn)定型的1Cr21Ni5Ti、德國的1.4582、法國的UR50（Cr21-Ni7.5-Mo2.5-C u1.5）、日本的329J1（C≤0.08 %，Cr25 -Ni4.5-Mo2）。1960年瑞典開發(fā)了著名的3RE60（00Cr18Ni5Mo3Si2），它是第一代雙相不銹鋼的代表鋼種，焊接及成型性能良好，廣泛代替了李國平304L、316L用作耐氯離子應(yīng)力腐蝕的材料，但不足的是該鋼種焊接熱影響區(qū)極易出現(xiàn)單相鐵素體組織，導(dǎo)致焊接接頭的韌性降低，耐蝕性變差。 第二代雙相不銹鋼是在上世紀70年代，隨著AOD、VOD等二次精煉技術(shù)的發(fā)展，超低碳（C≤0.03％）冶煉法得以普及，同時氮在不銹鋼中的獨特作用被深入認識，大大促進了含氮、超低碳雙相不銹鋼的開發(fā)應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上，通過鉬、銅、硅等耐蝕性元素的加入，開發(fā)了一大批性能優(yōu)良、應(yīng)用廣泛的雙相不銹鋼。典型的代表鋼種是瑞典SAF2205、法國UR45N、日本的329J3L、329J4L等。其中，2205目前占雙相不銹鋼總量的70%以上。 第三代雙相不銹鋼一般也稱之為超級雙相不銹鋼（Super DSS），是在上世紀80年代后期發(fā)展起來的。這類鋼的特點是超低碳，含3%～4%的鉬、0.3%左右的氮，部分鋼種還加入銅、鎢，此類鋼具有優(yōu)良的耐Cl-點蝕性能，點蝕當量指數(shù)［PREN=Cr%+3.3×（Mo+0.5W）%+16×N%］大于40。典型鋼種有S32750、S32760（Zeron100）、S32550、S32906、DP3、UR52N等。與第一和第二代雙相不銹鋼相比，第三代雙相不銹鋼在耐腐蝕性能方面有很大的提高，不僅耐應(yīng)力腐蝕斷裂，同時也可以應(yīng)用在海水環(huán)境中。 上世紀90年代，由于世界范圍內(nèi)的鎳資源緊張，加上鎳價上漲等因素的影響，使不銹鋼企業(yè)紛紛尋找成本更低的新鋼種，即開發(fā)新型節(jié)鎳經(jīng)濟型雙相不銹鋼。如瑞典的LDX2101（鎳含量在1.35%～1.70%）、美國阿里根尼的AL2003，法國的UR2202、新日鐵的NSSC2120等，實現(xiàn)了成本與性能的完美統(tǒng)一，目前已在全球得到了成功應(yīng)用，并倍受關(guān)注[10]。 同時，在SuperDSS的基礎(chǔ)上，通過增加鉻、鉬、氮的含量（達到5000ppm），SANDVIK開發(fā)成功PREN超過50、強度達到1000MPa的特超級雙相不銹鋼SAF2707HD、SAF3207HD[11]，它們比6％Mo鋼種的耐腐蝕性能更好，與鎳基耐蝕合金相當，用于溫度較高的天然油氣井、深海管線、海水冷卻交換器等。 總之，雙相不銹鋼伴隨著鋼鐵冶金技術(shù)的進步、資源高效利用認識的不斷提高，經(jīng)歷了不同的發(fā)展歷程，目前已經(jīng)形成以2205、2304、2507等傳統(tǒng)雙相不銹鋼為代表的鋼種集群，它們在化學(xué)成分、性能以及設(shè)計、加工制造等方面均有了較為完善的措施。今后，雙相不銹鋼仍將不斷發(fā)展，其趨勢分為兩種：一種是開發(fā)低鎳雙相不銹鋼，另一種是高耐蝕性的超級及特超級雙相不銹鋼[12]。 1.2 雙相不銹鋼的特點 雙相不銹鋼的固溶組織是鐵素體與奧氏體共存，具有高強度、耐蝕性好、焊接性能優(yōu)良等的優(yōu)點，同時在使用溫度、成型性以及有害相析出的敏感性等方面具有一定的局限性。 雙相不銹鋼的屈服強度一般為奧氏體不銹鋼的兩倍（見表1），隨鋼中合金元素的增加，強度也增高。高強度的主要原因可歸結(jié)為三方面：一是鐵素體組織的高強度；二是氮的固溶強化；三是細晶強化，固溶處理的2205板材雙相不銹鋼的奧氏體晶粒在10級左右（見圖1）。1.2.1.1 高強度
高的屈服強度是壓力容器、橋梁、造船等結(jié)構(gòu)設(shè)計減薄、實現(xiàn)輕量化的理論依據(jù)。圖2為S32003雙相不銹鋼與316L奧氏體不銹鋼在儲罐設(shè)計所需厚度的對比。這里要特別指出的是，前者的耐蝕性能與317L相當，明顯優(yōu)于316L。
雙相不銹鋼具有良好的耐點腐蝕性能，主要是由于高鉻、高氮以及適量鉬的協(xié)同作用。一般用耐點蝕指數(shù)P R E N的大小作為參考[ PREN=Cr+3.3（Mo+0.5W）+16N ] [1]。另外，材料固溶處理的組織是否有有害相的析出，對耐點蝕性的影響更為重要。表2為不同種類不銹鋼的PREN值對比。
雙相不銹鋼具有良好的抗應(yīng)力腐蝕性能，原因有：屈服強度高，斷裂臨界應(yīng)力值高；第二相對裂紋擴展起機械屏障作用（圖3a、3b）；耐點蝕性能好，減少應(yīng)力集中；α相對γ相起到陰極防護作用[1，13]。
由于雙相不銹鋼是鐵素體與奧氏體的結(jié)合，因此焊接時，熱裂傾向小，不需焊前預(yù)熱與焊后熱處理。含氮雙相不銹鋼可以實現(xiàn)在焊接時熱影響區(qū)保留30%的奧氏體，因此大大改善了焊接接頭的韌性及耐蝕性能。圖4為S32101焊接接頭金相組織。
由于雙相不銹鋼含有50%左右的鐵素體，并且一般含有高鉻量及一定的鉬量，因此具有鐵素體不銹鋼“475℃”的脆性特征，一般推薦雙相不銹鋼的使用溫度上限為250～300℃；同時，雙相不銹鋼具有各向異性，其低溫韌性較奧氏體不銹鋼有較大差距，因此不推薦其在低于-80℃的環(huán)境中使用。圖5為S32101雙相不銹鋼的沖擊韌性與試驗溫度關(guān)系的曲線[14] 。
雙相不銹鋼的相變復(fù)雜，尤其是含鉻、鉬都較高的鋼，在350～1000℃進行等溫時效或不正確熱處理時，除α和γ兩相外，還有各種其他的二次相析出，這些相主要由不穩(wěn)定的α相中析出或轉(zhuǎn)變來的，有σ相、Cr2N、χ相、R相、π相、M7C3、M23C6等，在350～550℃還有鐵素體的調(diào)幅分解，導(dǎo)致“475℃”脆性。這些相中以σ相最為重要，它嚴重影響鋼的韌性和耐蝕性。圖6為雙相不銹鋼第二相析出示意圖[15]。
1.3 雙相不銹鋼的品種
目前雙相不銹鋼已經(jīng)形成不同合金含量、不同性能級別的系列，典型牌號見表3。
2、太鋼雙相不銹鋼的發(fā)展情況
太鋼是從上世紀80年代開始進行雙相不銹鋼的工藝研究及品種開發(fā)的。當時主要的雙相不銹鋼品種有兩種：前蘇聯(lián)的牌號1Cr21Ni5Ti，主要用于制作火箭發(fā)動機燃燒室的尾噴管；瑞典的3Re60的鍛件及中板，主要用于化肥行業(yè)（如甲胺泵的泵體、制鹽復(fù)合板等）。隨著國家重點工程的建設(shè)，特別是長江三峽水利工程不銹鋼復(fù)合板的設(shè)計需求，太鋼開始了2205雙相不銹鋼的研制，并陸續(xù)開發(fā)成功2304、2507、2101等雙相不銹鋼，在國內(nèi)多領(lǐng)域及涉外工程中得到批量應(yīng)用。
2.1 品種、成分、結(jié)構(gòu)及規(guī)格 太鋼擁有先進的不銹鋼精煉設(shè)備，在成分控制方面，嚴格控制有害元素的含量，如 [S] 的控制目標為≤10ppm，為了改善使用性能，關(guān)鍵元素如鉻、鎳、鉬的含量均按照中上限控制。主要品種及典型成分見表4。
在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面，已經(jīng)形成了熱軋中厚板、冷軋薄板、復(fù)合板、管坯、無縫鋼管、線材、螺紋鋼、軸類等系列產(chǎn)品。中厚板最大厚度為80.0mm，卷板最大寬度為2000mm。
2.2 耐腐蝕性能（見表5、表6） 從表5、表6可以看出，雙相不銹鋼非敏化態(tài)的晶界腐蝕結(jié)果完好，在沸騰的65%HNO3溶液中耐蝕性滿足了尿素設(shè)備的要求（≤3.3μm/48h，折合為0.54g/m2·h），這也是雙相不銹鋼在尿素合成塔中得到應(yīng)用的原因之一。
2.3 關(guān)鍵工藝技術(shù) 2.3.1 雙相不銹鋼控氮及AOD爐氮氣合金化應(yīng)用技術(shù)
氮在鋼中的加入方式有兩種，一是利用含氮鐵合金，二是通過吹氮氣。通過對氮在鋼中溶解和脫除規(guī)律以及不同元素對氮在鋼中溶解規(guī)律影響的研究，建立AOD爐關(guān)于氮氣合金化控制氮含量的數(shù)學(xué)模型，預(yù)報不同成分雙相不銹鋼在一定溫度下的飽和溶解度，實現(xiàn)成品氮含量的精確控制，控制精度為±50ppm。圖7就是S32750超級雙相不銹鋼冶煉過程氮含量的變化圖[16]。
2.3.2 改善雙相不銹鋼熱加工塑性工藝技術(shù)
雙相不銹鋼是奧氏體、鐵素體兩相共存的，而兩相的組織結(jié)構(gòu)不同，軟化機理也不同，在熱變形時由于兩相化學(xué)元素分布不同、應(yīng)力分配不均而發(fā)生不協(xié)調(diào)變形，最終導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋[17]。通常認為鐵索體具有較高的層錯能，高溫時位錯的攀移和交滑移容易發(fā)生，因此鐵素體只發(fā)生動態(tài)回復(fù)而不發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，而奧氏體則能通過動態(tài)再結(jié)晶進行軟化[18～19]。因此，與單相奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的熱加工相比，控制難度大，工藝復(fù)雜。以2205為例，吳玖教授[20]通過借助Gleeble熱模擬試驗機、掃描、透射、X-衍射等工具對雙相不銹鋼鑄坯熱變形過程進行微觀分析，發(fā)現(xiàn)如下特征（見圖8），對制定正確的熱塑性控制工藝具有重要意義。
（1）整個熱變形過程，α相的軟化程度和軟化速度均高于γ相；而且鐵素體晶粒發(fā)生了動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶，位錯在晶界聚集形成位錯墻，導(dǎo)致小角度的亞晶出現(xiàn)。
（2）在α相內(nèi)析出具有面心立方結(jié)構(gòu)的γ＇相，呈彌散的顆粒狀分布，使α相得到強化，從而使從α相向γ相的應(yīng)變轉(zhuǎn)移趨于均勻，提高了鋼的熱塑性。
（3）隨溫度增加，α相比例提高到60%，此時γ相以圓角狀形式均勻存在，熱塑性增加；但α相晶粒急劇長大，會導(dǎo)致熱塑性降低。
2.3.3 熱處理工藝控制技術(shù)及σ相對性能的影響
雙相不銹鋼含有較高的鉻、鉬以及50%左右的鐵素體，熱處理會經(jīng)過多個有害中間相的轉(zhuǎn)變，其中危害最大的就是σ相，它使鋼的塑韌性降低，嚴重惡化耐蝕性能。因此熱處理制度的選擇必須嚴格遵守以下兩條：一是避免在σ相析出的敏感區(qū)熱處理（850～950℃），二是出爐的快速冷卻[21]。表7是S31803雙相不銹鋼不同熱處理制度下的性能對比。
從表7可以看出，S31803經(jīng)過850℃熱處理，較1050℃熱處理后的伸長率、沖擊韌性大幅度降低。從金相組織及分析，前者除了α、γ外，還有大量第二相析出（圖9a）；通過XRD衍射分析，前者可以看到非常明顯的標志σ相的特征峰（圖9b）。通過透射電子衍射，測得基體和析出相的衍射斑，與標準花樣進行對照得出基體為體心立方點陣的鐵素體，析出相為四方結(jié)構(gòu)的σ相。
此外，太鋼圍繞雙相不銹鋼在高效酸洗、焊接、成型、雙相不銹鋼復(fù)合板的制備等方面開展了相關(guān)的技術(shù)工作，解決了含鉬雙相不銹鋼帶鋼的酸洗速度慢、冷板沖壓開裂以及復(fù)合板熱處理的難題，同時還為用戶提供了配套的焊接技術(shù)服務(wù)。
作者：李國平
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