双相不锈钢１Ｃｒ１８Ｎｉｌ１Ｓｉ４Ａ１Ｔｉ标准中的问题探讨／王周树 ・５４９・ 双相不锈钢１Ｃｒｌ８Ｎｉｌ１Ｓｉ４ＡＩＴｉ标准中的问题探讨 王周树 （重庆钢铁研究所，重庆４０００８４） 摘要 双相不锈钢１Ｃｒ１８Ｎｉ１１Ｓｉ４ＡＩＴｉ由前苏联研制，目前在我国某些特殊行业中有重要的作用。根据我国 现有标准（ Ｂ２２９４—９５和ＧＢ／Ｔｌ２２Ｏ一９２组织生产，发现按标准中现行成分设计、热处理制度生产的产品与标准要求 的力学性能（屈服强度Ｏ＇ｏ．２）需达到的规定值存在较大差异，很难达到所需要的屈服强度。通过完善相关成分和工艺 参数，获得了满意的金相组织和优良的综合力学性能。通过试验探讨了生产实际与标准中的部分规定存在的差距。 关键词・ 双相不锈钢１Ｃｒｌ８Ｎｉｌ１Ｓｉ４Ａ１Ｔｉ成分热处理性能 Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｓｔａｎｄａｒｄ ｉｎ Ｄｕｐｌｅｘ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ １Ｃｒｌ８Ｎｉｌ １Ｓｉ４ＡｌＴｉ ＷＡＮＧ Ｚｈｏｕｓｈｕ （Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００８４） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｄｕｐｌｅｘ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅ１ １Ｃｒ１８ＮｉｌｌＳｉ４ＡｌＴｉ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｆｏｒｍｅｒ Ｓｏｖｉｅｔ Ｕｎｉｏｎ，ｉＳ ｓｔｉｌｌ ｕｓｅｄ ｉｎ ｓｏｍｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ａｎｄ ｓｐｅｃｉａｌ ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ．Ｈｏｗｅｖｅｒ。ｔｈｅ ｌＣｒｌ８Ｎｉｌ１Ｓｉ４ＡＪＴｉ ｉＳ ｐｒｏｄｕｃｔｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔＯ ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａＩ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅａｔ—ｔｒｅａｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ＧＪＢ２２９４—９５ ａｎｄ ＧＢ／Ｔ１２２０—９２，ｉｔ ｉｓ ｄｉｓｃｏｖｅｒｙｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ １Ｃｒ１８Ｎｉｌ １Ｓｉ４ＡＩＴｉ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ（０＂ｏ ２）ｅｘｉｓｔ ａ ｇａｐ ｔＯ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｅｄ ｖａｌｕｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ＧＪＢ２２９４—９５ ａｎｄ ＧＢ／Ｔ１２２０—９２．Ｂｙ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅａｔ—ｔｒｅａｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。ｔｈｅ ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｒｅ ｒｅｃｅｉｖｅｄ．Ｈｅｎｃｅ，ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｇａｐ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｐｒｏｄｃｔｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｉＳ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｄｕｐｌｅｘ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ，１Ｃｒ１８Ｎｉｌ１Ｓｉ４ＡＩＴｉ，ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｈｅａｔ—ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｐｒｏｐｅｒｔｙ Ｏ 引言 双相不锈钢有铁素体一奥氏体、铁素体一马氏体、奥氏体一 马氏体等几种形态，本文讨论的也是当今应用最广泛的铁素 体一奥氏体双相不锈钢，即在固溶组织中铁素体相与奥氏体相 约各占１／２，一般最少相的含量也需要达３Ｏ ＿ｌ 。双相不锈 应标准，现仍用于我国某些特殊行业。但在一些特殊钢企业 生产中，据了解材料按标准规定的固溶温度处理后，其屈服 强度难以达到标准的要求，本文拟对这种差异进行探讨。 １前期试验情况 １．１ 工艺路线 工艺路线为：中频熔炼一电渣重熔一锻造开坯一锻造 钢最早出现于２０世纪３Ｏ年代，但到６Ｏ年代后随着不锈钢应 用范围的扩大，出现的问题不断增多，才引起世界各国研制 新型双相不锈钢的高潮。１９７４年我国开始研究开发双相不 锈钢，经过几十年的努力已建立了低、中、高、超级４类双相 不锈钢，成为不锈钢的一个重要分支。 （轧制）成材一固溶处理矫直一磨光一擦伤一检验一入库。 因双相不锈钢的基本原则是控制ａ相和７相的比例，最 少相应达到３Ｏ ，才能充分发挥该类钢的特点。根据 ＧＪＢ２２９４—９５和ＧＢ／Ｔ１２２０－９２制定工艺和质量评审时发现， 双相不锈钢具有铁素体和奥氏体不锈钢的综合性能，强 度高，特别是屈服强度约为奥氏体不锈钢（１８—８）的２倍 ；双 相不锈钢的耐晶间腐蚀、应力腐蚀、孔（点）蚀、缝隙腐蚀、磨 损腐蚀等均大大优于单相不锈钢。近３Ｏ年来，我国关于双 相不锈钢的国际会议和推广应用会议各召开１Ｏ多次，使双 相不锈钢得到了较广泛的应用。双相不锈钢 １Ｃｒｌ８Ｎｉｌ１Ｓｉ４ＡｌＴｉ具有较好的综合力学性能及耐蚀性能，主 要用于制造抗浓硝酸介质的零件和设备，如高压釜、漂白塔 该钢按通常的原则控制化学成分，ａ相仅为ｌ４ 左右，于是 设计了两种控制成分，该工艺相对较简单，直到固溶处理整 个过程均按标准正常进行，当检测力学性能时，两种成分的 材料均出现问题，即屈服强度不合格。 １．２实验结果 １．２．１ 化学成分 设计的化学成分见表１。 以及排酸阀门等 ］。该钢系前苏联研制的早期双相不锈钢 之一，钢号为１５Ｘ１８Ｈ１２Ｃ４Ｔ１０，２Ｏ世纪７０年代纳入我国相 １．２．２ 力学性能 在标准要求的固溶温度范围内处理两种控制成分，除屈 王周树：男，工程师，高级经济师 Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｚｓｌ３１９＠１６３．ｃｏｒｎ ・５５０・ 材料导报：综述篇 ２０１０年ｌ１月第２４卷第１６专辑 服强度（３５０／３８０ＭＰａ）不合格外，其他性能均合格，见表２。 表１设计化学成分 Ｔａｂｌｅ １ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｆｏｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ２相关试验情况 ２．１相关分析和措施 双相不锈钢具有奥氏体不锈钢优良的韧性和铁素体不 锈钢较高强度（特别是屈服强度高）的优点，则在固溶组织中 奥氏体相和铁素体相就应该达到一定的比例，相关资料介绍 较少相不能低于３Ｏ ［１］。而相比例在很大程度上取决于钢 的化学成分和热处理的加热温度。结合标准，钢的化学成分 绝对不能突破，就只有通过改变热处理的加热温度来调整铁 素体相比例，达到提高屈服强度，使之满足标准要求。 ２．２相关实验和结果 相关实验和结果见表３和图３、图４。 表２产品的力学性能结果 Ｔａｂｌｅ ２ Ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ １０００／１０５０标准要求［３］≥７１５ ≥４４０ ≥２５ ≥４Ｏ １０００℃×（Ｏ．５～１）ｈ ７１５／７２５ ３５０／３６５ ４５／４７ ６２／６４ １０５０℃×（０．５～１）ｈ ７１５／７３０ ３６５／３７５ ４６／４９ ６４／６６ 图３固溶态铁素体含量３７ Ｆｉｇ．３ Ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ａ－ｐｈａｓｅ ｅｉｂｎｇ ３７％ａｆｔｅｒ ｓｏｌｉｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ １．２．３组织检查 控制成分１固溶组织为奥氏体一铁素体和少量氮化物，但 铁素体含量均在２Ｏ％以下，见图１。控制成分２固溶组织为 奥氏体一铁素体和少量氮化物，铁素体含量也仅在３１ 以下， 见图２。 图４热锻态铁素体含量３９％ Ｆｉｇ．４ Ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆａ－ｐｈａｓｅｂｅｉｇ ｎ３９％ｆｏｒｆｏ唱ｉｎｇ ｓａｍｐｌｅ ３ 问题探讨 图１ １０５０￣固溶态铁素体含量ｌ８％ Ｆｉｇ，．１ Ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ａ－ｐｈａｓｅ ｂｅｉｎｇ １８％ａｆｔｅｒ １０５０￣Ｃ ｓｏｌｉｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｓ １８％ ３．１成分设计问题 要充分发挥双相不锈钢优异的综合性能，在固溶组织中 铁素体相与奥氏体相各约占１／２，最少相也不能低于３Ｏ 。 事前如何确定两相的比例，有较成熟的相关理论应用，即Ｃｒ 当量、Ｎｉ当量［］ 或Ｃｒ当量／Ｎｉ当量比值［４］。 Ｃｒ当量一∑口ｉｍ．；Ｎｉ当量一∑口； ｉ＿ｌ＇ ］ 式中：ａ 是元素ｉ形成铁素体的当量系数㈣是元素ｊ形成奥 氏体的当量系数，ｍ 、ｒｎｊ是元素在钢中的质量分数。 根据以上公式计算并查图２—７［１］可知，控制成分１铁素 体相含量约为１４ ，控制成分２铁素体相含量约为２６ ；若 将铁素体元素全部控制上限，奥氏体元素全部控制下限，则 铁素体相含量可达到３１ 左右。从表３可以看出铁素体含 图２ １０５０￣Ｃ固溶态铁素体含量３１％ Ｆｉｇ．２ Ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ａ－ｐｈａｓｅ ｅｉｂｎｇ ３１％ａｆｔｅｒ １０５０￣Ｃ ｏｌｉｓｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ 量仅为３１ 左右，屈服强度也难达到标准要求。根据计算和 实验结果，不难看出钢的化学成分对组织的影响很大，同时 也不难看出化学成分设计存在一定的偏差。 双相不锈钢１Ｃｒ１８Ｎｎ１Ｓｉ４ＡｌＴｉ标准中的问题探讨／王周树 ・ ５５１ ・ 表３不同固溶工艺处理的产品的力学性能 Ｔａｂｌｅ ３ Ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｓ ｔｒｅａｔｅｄ ｂｙ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｓｏｌｉｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ３．２热处理温度规定的问题 远高于标准要求（６３Ｊ和２７Ｊ）分别达到１５０Ｊ和６ｏＪ左右，组 钢的化学成分确定后，热处理就是决定材料组织和性能 织晶粒度为７．５～８级，说明材料完全处于正常壮态。 的关键。就该钢而言也同理，在化学成分相同时，不同的加 ４．４锻造状态的相与性能 热温度获得的两相组织的比例也是不同的，因为在热处理过 由图４可见，锻造态的铁素体相达到了３９ ，这是因为 程中要发生相的转变，对双相不锈钢，热处理过程中奥氏体 加热温度较高，并且保温时间较长。锻造态强度包括屈服强 相将转变为铁素体相，并随时间延长而增加直到该温度时两 度远高于固溶态强度，更主要的原因是锻造加工使材料产生 相的平衡点，且随温度的升高铁素体相含量也随之增加，当 塑性变形，发生晶格畸变，增大了变形阻力所致。但该状态 温度足够高时某些双相不锈钢会变成单一的铁素体相。但 属于亚稳定态并与标准不符，不应选用。 值得注意的是这种转变是一个可逆的过程，结合表２、表３和 图１～图３可知，按标准中规定的固溶温度１０００￣１０５０℃进行 ５结论 热处理，难以获得希望的两相组织比例和性能。 结合生产实际经验和大量的试验研究，发现按照 ４实验结果分析 ＧＪＢ２２９４—９５和ＧＢ／Ｔ１２２０－９２进行生产的双相不锈钢 １Ｃｒ１９Ｎｎ１Ｓｉ４ＡｌＴｉ的机械性能与标准要求存在较大的差异， ４．１化学成分与相比例 因而进行了深入的研究分析并提出了相应的改进措施，希望 双相不锈钢的相比例取决于钢的化学成分和热处理温 能够给该钢研究和生产提供参考。通过本文的试验和分析， 度，从而决定钢的力学性能。该性能特别是屈服强度是设计 得到以下结论： 应用最重要的参考数据。该双相不锈钢含奥氏体相形成元 （１）按照ＧＪ１３２２９４—９５和ＧＢ／Ｔ１２２０—９２所述工艺生产出 素Ｎｉ量太高，若Ｓｉ降到一般钢含量，固溶后完全是单一的奥 的双相不锈钢１Ｃｒｌ９Ｎｉ１ｌＳｉ４ＡｌＴｉ的ｏ－ｏ． ＜４４ＯＭＰａ，达不到该 氏体组织，虽然Ｓｉ是强铁素体形成元素，但Ｃｒ含量又偏低。 标准的要求，并且通过对其显微分析发现，铁素体含量较低 现在大多数双相不锈钢的铁素体形成元素提高Ｃｒ含量一般 （≤３１ ）。（２）就ＧＪＢ２２９４—９５和ＧＢ／Ｔ１２２ｏ－９２出现的问题， 在２Ｏ ～２８ ，加入Ｍｏ，降Ｎｉ一般含量在４ ～７ 、降Ｃ增 进行了针对性的热处理工艺改进，发现把标准设计的固溶温 Ｎ加Ｃｕ。通过的合理调控所述元素，实施相应热处理两相比 度提高，铁素体含量不断增加，当固溶温度大于等于某一温 例可达约各５０ ，因此该钢成分设计有一定偏差，在生产制造 度时材料屈服强度 ≥４４０ＭＰａ，达到标准要求。（３）通过 时化学成分应注意优化，即铁素体形成元素尽量按上限、奥氏 ＧＪＢ２２９４—９５和ＧＢ／Ｔ１２２０—９２中ｌＣｒ１９Ｎｉ１１Ｓｉ４Ａ１Ｔｉ的成分 体形成元素尽量按下限控制，才能达到必要的相比例。 理论分析发现，该钢的成分设计存在一定偏差，导致铁素体 ４．２相比例与热处理 含量在理论值上很难达到较高的比例，从而导致屈服强度很 化学成分对双相不锈钢的相比例具有非常重要的作用， 难到达标准要求。通过对１Ｃｒ１９Ｎｉｌ１Ｓｉ４Ａ１Ｔｉ的化学成分设 热处理将起决定性的作用（特殊钢均如此），通过合理的热处 计进行理论探讨和实践，发现适当提高促进铁素体生成元素 理获得相应的组织及性能。由表３可见，同一化学成分随热 的比例和降低奥氏体生成元素的比例，并经所述的热处理工 处理温度的升高铁素体相随之增加，当达到一定热处理温度 艺，材料的屈服强度（ａｏ．。）方能达到标准要求。 时铁素体相增量放慢，也说明该钢的铁素体形成元素含量不 高，成分控制１在我们的实验中铁素体相始终没能达到相应 参考文献 值，不大于３２ 。 １吴玖，等．双相不锈钢［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９９９：６ ４．３热处理温度与力学性能 ２冶金工业部合金钢钢种手册编写组．合金钢钢种手册［Ｍ］． 由表３可见，随热处理温度的升高，铁素体相随之增多， 北京：冶金工业出版社，１９８３：９ 强度包括屈服强度随之增加，特别是屈服强度由不合格达到 ３ 中华人民共和国国家军用标准Ｅｓ］．航空用不锈钢及耐热钢 或超过标准要求，屈服强度由３６５ＭＰａ增加到４５０ＭＰａ左右， 棒规范ＧＪＢ２２９４—９５ 并且延伸率断面收缩率无明显变化，冲击韧性（纵、横向）远 ４王正樵，等．不锈钢［Ｍ］．北京：化学工业出版社，１９９１：１２