谷國超，李瑞芬，辛振民，相立新，許文花，呂宇鵬

（1.山東大學 材料液固結構演變與加工教育部重點實驗室，山東 濟南 250061；2.山東大學 材料科學與工程學院，山東 濟南 250061；3.山東省產品質量檢驗研究院，山東 濟南 250102）

超級雙相不銹鋼（Super duplex stainless steel）2507是第三代雙相不銹鋼，其微觀組織主要由奧氏體和鐵素體兩相組成，經過合適的熱處理工藝后，使得兩相體積比接近1:1，從而兼具奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的優(yōu)勢，具有優(yōu)良的耐蝕性（耐點蝕當量PREN>40）和較好的力學性能，廣泛用于艦船、海洋平臺、化工等含有高氯化物、酸性的苛刻環(huán)境中，可以替代6Mo型超級奧氏體不銹鋼、鈦材和玻璃纖維增強塑料等材料[1-2]。為了保證2507雙相不銹鋼的優(yōu)良性能，需要進行固溶處理來消除有害相，并調整晶粒度和兩相體積含量[3]。白青青和張志宏[4]研究了固溶溫度對2507雙相鋼組織和力學性能的影響，提出該鋼在1100～1150℃固溶處理時可獲得最佳的力學性能。針對2507雙相鋼，張壽祿等[5]和李國平等[6]分別研究了固溶處理工藝對組織、力學性能和耐蝕性的影響，得出固溶溫度在1050～1100℃時，鋼中的鐵素體/奧氏體兩相比接近1:1，具有良好的綜合力學性能和耐蝕性。李俊[7]提出S32750雙相不銹鋼（厚12 mm）合適的固溶工藝為1050～1100℃，固溶處理后可獲得最佳兩相比例及綜合力學性能和耐蝕性。鄭添義等[8]研究固溶處理的冷卻速率對2507雙相鋼性能影響時發(fā)現，1140℃固溶處理后以較大冷卻速率（>900℃/min）冷卻時可獲得較好的綜合力學性能。對比以上研究可以看出，對2507雙相不銹鋼固溶溫度的研究結果不盡相同。由于目前國內對2507雙相鋼的工業(yè)生產還在起步階段，其成分控制、熱加工工藝不成熟[9]，而力學性能及耐蝕性與材料的成分、鐵素體和奧氏體相體積比有很大關系，影響相比例的因素為合金元素含量、固溶工藝及變形工藝等。

因此，本文以2507雙相不銹鋼為對象，研究了固溶溫度與相比例、力學性能和耐蝕性的關系，為合理制定熱處理工藝、提高2507雙相不銹鋼的綜合性能、生產高品質鋼提供一定的數據支撐和理論依據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為2507雙相不銹鋼，其化學成分如表1所示。該材料經冶煉、鑄錠鍛造成坯（寬90 mm，厚90 mm，長220 mm）后，在兩輥550 mm熱軋機進行熱軋，軋制前將坯料在箱式電阻爐中加熱至1250℃并保溫1 h，通過9道次軋制后空冷，對應每道次軋制得到的厚度分別為74、53、38、27、20、16、13、11、9.5 mm。

表1 2507雙相不銹鋼的化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of the 2507 super duplex stainless steel（mass fraction，%）

1.2 試驗方法

利用Thermo-Calc材料性能模擬軟件，基于TCFE8:Steels/FeAlloys V8.1 database數據庫，計算2507雙相不銹鋼熱力學平衡相圖、奧氏體/鐵素體兩相中各元素含量，并根據其平衡相圖確定試驗鋼固溶處理的溫度范圍。

將熱軋并空冷后的鋼板利用線切割沿軋制方向切成尺寸為10 mm×10 mm×100 mm的試樣，并利用SLQ1400-40箱式氣氛爐進行固溶處理。將試樣以10℃/min（控溫精度為±1℃）的加熱速度分別加熱到設定的固溶溫度（1050、1100、1150、1200、1250、1300℃），保溫30 min后立即水淬，以保留各固溶工藝下的微觀組織結構，防止第二相析出。

分別將未經過固溶處理的熱軋板材與經過固溶處理的試樣參照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》加工成標準的室溫拉伸試樣，其中拉伸試樣的軸線方向與軋制方向平行。拉伸試驗在CMT5015電子萬能試驗機上進行，拉伸速率為1 mm/min，同一條件下的試驗分別進行3組，驗證其重復性，并將獲得的拉伸曲線、強度與塑性指標取平均值。利用SEM對拉伸后新鮮斷口進行分析。

將不同固溶處理試樣研磨拋光后，用10 g FeCl3+30 mL HCl+150 mL無水乙醇配制成的腐蝕劑在70℃下進行化學侵蝕，并在Nikon-LV100ND型光學顯微鏡和日立SU-70型場發(fā)射掃描電鏡（SEM+EDS）進行組織觀察。利用GB/T 13305—2008《不銹鋼中α-相面積含量金相測定法》隨機測量20個視場的相體積分數，計算算術平均值，確定兩相比例。X射線衍射分析儀（Rigaku D/max-γB）使用Co靶對試樣進行物相測定，加速電流、電壓分別為120 mA、40 kV，采用步進式掃描方式，掃描范圍（2θ）為10°～90°，掃描速度為10°/min，步長為0.02°。

使用環(huán)氧樹脂將固溶后試樣的非檢測表面進行封裝，試樣裸露出來的工作段面積為0.78 cm2，采用Chi660E型恒電位電化學工作站對固溶后的試樣進行電化學試驗，試驗采用三電極體系，飽和甘汞電極為參比電極，碳棒為輔助電極，試樣為工作電極。極化曲線測試試驗前，將試樣在腐蝕介質（3.5%NaCl（質量分數），30℃）中浸泡30 min，待開路電位穩(wěn)定后對極化曲線進行測量。掃描速度為1 mV/s，掃描范圍為-1～2 V。進行阻抗測試時，所需電極、介質及溫度與動電位掃描一致，其測量頻率范圍為0.01～105Hz，激勵信號采用正弦波（幅值為5 mV）。

2 試驗結果及分析

2.1 相圖計算結果

圖1為根據實際成分計算所得的2507雙相不銹鋼熱力學平衡相圖。從圖1可以看出，當溫度低于1040℃時，陸續(xù)有金屬間化合物（Cr2N、χ、σ）等析出，以σ相為主，χ、Cr2N等金屬間化合物含量有限。Cr2N作為一種對耐蝕性有惡化影響的相，在1040℃析出。當溫度在1045～1310℃區(qū)間時，組織中只存有α相和γ相，且隨著溫度的升高，發(fā)生γ相到α相轉變，α相體積分數增加，γ相體積分數減少，當溫度為1350℃時，試驗鋼中出現液相。

圖1 Thermal-Calc計算所得2507雙相不銹鋼的平衡相圖Fig.1 Equilibrium phase diagram of the 2507 duplex stainless steel calculated by Thermo-Calc

2.2 微觀組織

2507雙相不銹鋼鋼板熱軋空冷后的微觀組織如圖2（a）所示，淺灰色組織為奧氏體，深灰色組織為鐵素體。由于軋制變形，導致奧氏體、鐵素體呈現間隔的條帶狀分布。另外，在奧氏體和鐵素體相界處發(fā)現有塊狀析出物（如圖2（b）虛線框所示）。結合EDS能譜分析，相比于鐵素體基體（見圖2（d）），塊狀析出物（見圖2（c））含有更高含量的Cr、Mo及較少的Ni。經XRD測試分析（見圖3），該析出物為σ相。由于該熱軋板經過多道次軋制，其材料表面溫度<1000℃（測溫槍測得），使得σ相（硬而脆）從鐵素體析出。另外，由于雙相不銹鋼在軋制過程中，奧氏體、鐵素體和少量σ相出現變形不協(xié)調現象[10]，導致在σ相周圍出現微裂紋或孔洞。

圖2 熱軋態(tài)2507雙相不銹鋼的微觀組織（a，b）及EDS分析（c，d）Fig.2 Microstructure（a，b）and EDSanalysis（c，d）of the hot-rolled 2507 duplex stainless steel

圖3 不同熱處理工藝下2507雙相不銹鋼的XRD結果Fig.3 XRD results of the 2507 duplex stainless steel under different heat treatment processes

圖4為熱軋板經不同溫度固溶后的顯微組織。隨著固溶溫度的提高，2507雙相不銹鋼中奧氏體相體積分數下降，且當固溶溫度超過1200℃后，出現嚴重鐵素體化，奧氏體由細條狀變成竹節(jié)狀或島狀，并分布于連續(xù)鐵素體中。另外，隨著固溶溫度的升高，鐵素體組織發(fā)生了再結晶長大現象，特別是當固溶溫度為1300℃時，奧氏體相從條帶狀轉變?yōu)閸u狀并分布于鐵素體基體中，使得鐵素體分布更加連續(xù)；同時，由于奧氏體相隨固溶溫度的增加逐漸轉變?yōu)殍F素體相，使得鐵素體相體積分數增加，導致鐵素體相和奧氏體相的制約失衡，鐵素體晶粒明顯長大[11]。

圖4 2507雙相不銹鋼經不同溫度固溶后的微觀組織Fig.4 Microstructure of the 2507 super duplex stainless steel solution treated at different temperatures

圖5為鐵素體、奧氏體相體積分數及兩者比例隨固溶溫度的變化。由圖5可知，隨著固溶溫度升高，鐵素體相含量從54%升高到73%，奧氏體相含量從46%降低到27%。當固溶溫度超過1100℃時，α/γ比值迅速增加，表明奧氏體相轉變?yōu)殍F素體相的速度增加。在本研究中，固溶溫度在1100℃時，兩相比例接近1:1。

圖5 2507雙相不銹鋼中鐵素體、奧氏體相體積分數及相比例隨固溶溫度的變化曲線Fig.5 Variation curves of volume fraction of ferrite and austenite in the 2507 duplex stainless steel and phase ratio with solution temperature

由于奧氏體和鐵素體中各元素含量不同，在固溶過程中鐵素體內Cr、Mo和奧氏體內Ni通過擴散效應分別向低含量區(qū)擴散。不同固溶溫度下鐵素體和奧氏體兩相中主要元素含量變化規(guī)律如圖6所示，隨著固溶溫度的升高，鐵素體中Cr、Mo含量逐漸下降，而Ni含量從約5.04%（1050℃）升高到約6.36%（1150℃）后基本保持不變，奧氏體中Cr、Mo含量增加而Ni含量稍有降低。因此，隨著固溶溫度的升高有利于Cr、Mo、Ni的原子擴散，從而達到各相的平衡狀態(tài)，有利于成分均勻化。通常，雙相鋼中奧氏體相的N含量高于鐵素體相，且隨著固溶溫度的升高，奧氏體中的N含量升高[12-13]，N與Cr之間結合力較強，使得相變中Cr擴散到鐵素體過程受阻，最終使得奧氏體中Cr含量高于鐵素體[14]。總之，隨著固溶溫度的升高，鐵素體與奧氏體中的合金元素，尤其是Cr、Mo、Ni差別越來越小。在固溶過程中元素由從化學勢高的相擴散到化學勢低的相，鐵素體形成元素（Cr、Mo）和奧氏體形成元素（Ni、Mn、N、C）通過擴散進行重新分配，導致相應的鐵素體和奧氏體的形態(tài)及分布也隨之變化。

圖6 2507雙相不銹鋼中奧氏體和鐵素體的化學成分隨固溶溫度的變化關系Fig.6 Relationship between chemical composition of austenite and ferrite in the 2507 duplex stainless steel and solution temperature

2.3 力學性能

奧氏體和鐵素體的相比例、元素分布及形態(tài)影響2507雙相不銹鋼的力學性能。圖7分別對比了雙相不銹鋼在熱軋后及不同固溶溫度處理后的力學性能。從圖7可以看出，熱軋后2507雙相不銹鋼的抗拉強度（935 MPa）和屈服強度（768 MPa）明顯大于固溶處理后的強度，但伸長率（16%）低于固溶處理后，不滿足材料伸長率（>30%）要求。規(guī)定抗拉強度≥800 MPa，屈服強度≥550 MPa。經過固溶處理后，2507雙相不銹鋼的屈服強度、抗拉強度及伸長率隨固溶溫度的升高整體下降。在1050～1100℃固溶時，其抗拉強度、屈服強度及伸長率分別>845 MPa、>610 MPa和>35%。當固溶溫度從1150℃升高至1300℃過程中，抗拉強度和屈服強度分別由830 MPa和613 MPa逐漸下降至781 MPa和559 MPa。試樣的伸長率也從34%緩慢降低到29%。因此，固溶溫度在1050～1100℃時可獲得較好的力學性能。

圖7 固溶溫度對2507雙相不銹鋼力學性能的影響Fig.7 Effect of solution temperature on mechanical properties of the 2507 duplex stainless steel

結合微觀組織結構、力學性能可以看出，奧氏體和鐵素體兩相比例起著關鍵作用。從圖3可以看出，熱軋后的2507雙相不銹鋼中有σ相存在，導致其強度高、脆性增加，伸長率較低。當固溶溫度在1050～1100℃時，α/γ相比例接近1:1，綜合力學性能較好。隨著固溶溫度的升高，奧氏體轉變?yōu)殍F素體，奧氏體含量逐漸減少（見圖5）。室溫下鐵素體相比奧氏體相的強度高，而塑性和韌性低，因此隨著固溶處理溫度升高，鐵素體相比例增加會相應降低鋼的塑韌性。另外，由于在固溶過程中會有元素的配分，固溶在奧氏體相中的N元素固溶強化作用比Cr、Ni和Mo元素固溶強化作用大2個數量級左右[4]；并且隨著溫度的升高，兩相中Cr、Ni和Mo的含量差越來越少，從而，由這些合金元素形成的固溶強化作用在兩相中的差別也逐漸減小。因此，在1050～1150℃固溶時，其強度差別不大。固溶溫度升高（1200～1300℃），組織再結晶完全程度逐漸提高，鐵素體和奧氏體晶粒都會發(fā)生一定程度的長大（特別是在1300℃固溶時，鐵素體晶粒的粗大），晶粒的長大會導致材料強度的降低，進而導致性能惡化。

2.4 耐蝕性

固溶處理不僅影響力學性能，同時由于兩相比例及兩相中元素含量的變化也會影響材料的耐蝕性。圖8為不同固溶溫度下的極化曲線及阻抗曲線?？梢钥闯觯S著固溶溫度的升高，自腐蝕電位區(qū)域與點蝕電位越來越低。自腐蝕電位越高，材料發(fā)生腐蝕的傾向性越小，耐腐蝕性能越好。這說明隨著固溶溫度的升高，2507超級雙相不銹鋼的耐腐蝕性能逐漸降低。結合圖8（b，c）可以看出，隨著固溶溫度升高，容抗弧半徑（評價耐蝕性的重要指標）變小，說明其耐腐蝕性能下降。因此，對2507雙相不銹鋼在1050℃固溶處理時，α/γ相比例接近1:1，且兩相分布均勻，點蝕電位較高，此時有利于鈍化膜的穩(wěn)定，尤其對于點蝕具有很好的抑制作用。當固溶溫度在1100℃以上時，隨著固溶溫度的升高，鐵素體相含量增加，Cr、Mo耐點蝕元素含量降低，不利于鈍化膜穩(wěn)定，從而引起耐蝕性的下降。

圖8 不同固溶溫度下2507雙相不銹鋼的極化曲線（a）及交流阻抗譜圖（b，c）Fig.8 Polarization curves（a）and AC impedance spectra（b，c）of the 2507 duplex stainless steel at different solution temperatures

3 結論

1）2507雙相不銹鋼熱軋板經1050℃及以上溫度固溶處理30 min后，σ相消失，組織由鐵素體和奧氏體組成。隨著固溶溫度的升高，奧氏體含量減小，鐵素體含量增加，當固溶溫度為1050℃時，α/γ相比例接近1:1。

2）2507雙相不銹鋼在1050～1100℃固溶后，具有較好的綜合力學性能。其抗拉強度、屈服強度和伸長率分別>845 MPa、>610 MPa和>35%。

3）隨著固溶溫度的升高，鐵素體中Cr、Mo含量下降，奧氏體相中的Cr、Mo含量升高。

4）隨著固溶溫度的升高，自腐蝕電位與點蝕電位降低。在固溶溫度為1050℃時，2507雙相不銹鋼的耐蝕性較好。