含氮低镍经济型双相不锈钢2101组织与性能的研究

摘要

经济型双相不锈钢是一类含氮、低镍、低钼或不含钼的资源节约型双相不锈钢。2101是经济型双相不锈钢中最典型的钢种，其成分范围：21.0-22.0％Cr，1.35-1.7％Ni，0.2-0.25％N，该双相不锈钢具有高强度，同时具有优异的塑韧性和耐腐蚀性、特别是耐点蚀性能。本文在分析国内外大量文献资料和产品资料的基础上，设计了多种成分接近2101的含氮低镍双相不锈钢成分体系，其中部分成分避开Outokumpu公司的专利范围，在此基础上开展了以下具体工作。
　　 利用Thermo-Calc软件设计了不同Ni、N、Mo含量的Fe-(20～22)Cr-(1～10)Mn-(0～3)Ni-(0.1-0.3)N-(0～0.6)Mo-Si-Cu合金，实验显示通过调整N、Ni元素含量可以获得两相比例接近1∶1的双相组织。实验室真空感应熔炼N含量0.15～0.25％合金时出现大量气孔，原因在于凝固初期组织为单相铁素体，导致氮的溶解度降低，形成气体逸出。通过控制浇注时压力和浇注温度，并采用加厚金属铸型以加快冷却速度，迅速通过氮溶解度极低的铁素体单相区，有效避免了气孔生成。
　　 分析了2101系双相不锈钢的组织和力学性能。分析发现2101系双相不锈钢的强度随着氮含量的增加而增加，在氮含量高于0.12％时，强度高于400Mpa，是传统奥氏体不锈钢AISI304的两倍；同时2101系列合金具有优良的塑性，其室温延伸率高于43％。2101系双相不锈钢冲击韧性受测试温度，取样方向，相比例(退火温度)，相尺寸和元素含量等因素的影响，其中相比例和元素含量是可控的关键因素。当Ni含量在1～3％变化时，L-T方向半样室温冲击值在100J左右。随着温度的降低，含镍量较高(2～3％)的合金可以维持冲击值基本不变，直至-40℃左右；而含镍1～2％合金冲击值在-20℃以上基本不降低，无镍或镍含量低于1％时，冲击值在室温或0℃就开始出现显著降低。
　　 时效后2101系双相不锈钢冲击值降低，冲击值随时效温度变化的最敏感温度为700～750℃，在此温度时效3min后冲击值就开始降低，15min时冲击值减半，30min后冲击值降低至35～40J，此后缓慢降低。通过OM，SEM，XRD和TEM等分析显示2101系双相不锈钢析出物主要为hcp结构的Cr2N相，Cr2N相优先在铁素体晶界(亚晶界)、铁素体晶内和铁素体/奥氏体相界面析出，典型形貌为盘片状。N、Ni成分在一定范围内变化时对Cr2N相析出后冲击值降低规律影响不显著；Mo含量的增加促进Cr2N相析出温度略有提高。
　　 通过浸泡失重法和临界点蚀温度测定研究了2101系双相不锈钢的耐腐蚀性能。结果显示2101系列合金的浸泡失重速率在1.9～7.0g/m2.h之间，与AISI304在同一数量级，其中2101-1、AISI304和LDX2101的腐蚀速率分别为3.44、3.63和3.45，说明三种合金的耐点蚀性能接近。同时2101-1和LDX2101的CPT均在15℃左右，而2101-4的CPT为20℃，其规律与浸泡失重相似。
　　 分析了2101系双相不锈钢中影响耐腐蚀性的因素及机理。通过对两相中元素分配系数的分析，确定了两相各自的PREN值，发现当Cr、Mo、Mn等元素含量和退火温度相对固定时，存在一个N含量的临界点，当N含量低于这个临界点时，铁素体相耐点蚀性能优于奥氏体相，此时钢的耐点蚀性能主要取决于奥氏体相，因此当N含量在低于这个临界点的范围内增加时，钢的耐点蚀性能提高；而当N含量超过这个临界点时，钢的耐点蚀性能主要取决于铁素体相，导致的结果是N含量的进一步提高对铁素体相的提高很有限，因此钢的整体耐点蚀性能提高不显著。相反地，如果此时提高Mo含量，由于Mo在铁素体相中富集，因此铁素体相的耐点蚀性能得到迅速提高，带来的结果是钢的整体耐点蚀性能显著提高。利用Thermo-Calc软件结果认为标准的2101双相钢在1050℃时两相耐点蚀性相近的N含量临界值在0.13～0.15左右。
　　 分析了夹杂物对点蚀的影响。分析发现，点蚀坑呈现典型的花瓣状，对腐蚀产物的能谱分析显示点蚀坑内富含Al、O、Mn、S等元素，说明夹杂物是点蚀重要的起源点，对耐点蚀性能存在不利影响。
　　 报告最后结合实验室轧制和Gleeble3800热模拟机，研究了2101系双相不锈钢的热加工性能。结果发现锻态2101系合金拉伸时热塑性可以达到70％左右，且随温度升高而升高、随铁素体含量增加而升高、随N含量降低而升高；压缩过程中变形抗力略低于2205，变化规律与2205相似，即变形抗力随轧制温度升高而降低，随着氮含量升高而增加。2101系双相不锈钢热轧时易产生边部裂纹，氮含量和相比例是影响热加工性能的关键因素。氮含量在0.2％以下时，热轧边裂程度较低，氮含量在0.2％以上时，热轧边裂较严重；铁素体相比例越高(热轧温度越高)，越有利于降低边裂。

目录

文摘

英文文摘

第一章经济型双相不锈钢研究及生产现状

1.1双相不锈钢的研究与应用

1.1.1双相不锈钢的发展历史

1.1.2双相不锈钢的组织

1.1.3双相不锈钢的力学性能

1.1.4双相不锈钢的耐腐蚀性能

1.1.5双相不锈钢的焊接及热加工性能

1.1.6经济型双相不锈钢的研究与应用现状

1.1.7相关专利分析

1.2宝钢相关产品与技术发展的现状

1.3立项的必要性及可行性

1.4研究内容及技术路线

1.5验收标准和验收方式

1.6参考文献

第二章成分设计与经济型双相不锈钢2101的制备

2.1合金成分设计

2.1.1相关标准与产品分析

2.1.2实验合金成分设计

2.2实验方法

2.3合金的实验室冶炼

2.3.1合金实验室制备中的问题

2.3.2分析与讨论

2.3.3小结

2.4小结

第三章经济型双相不锈钢2101组织与力学性能分析

3.1经济型双相不锈钢的组织

3.2力学性能分析

3.2.1氮含量对强度的影响

3.2.2影响冲击韧性的因素及机理分析

3.2.3模拟卷取合金的组织与力学性能

3.3析出相及其对力学性能的影响

3.3.1 2101-1中析出相种类及对力学性能的影响

3.3.2成分变化对时效后合金冲击值的影响

3.4小结

3.5参考文献

第四章经济型双相不锈钢2101耐点蚀性能分析

4.1耐点腐蚀性测定方法

4.1.1化学浸泡实验方法

4.1.2临界点蚀温度(CPT)

4.1.3 PREN值

4.2元素对耐点蚀性能的影响

4.3两相中合金元素的分配及对耐腐蚀性的影响

4.4双相不锈钢2101中夹杂物及对耐腐蚀性的影响

4.4.1 Outokumpu公司LDX2101的夹杂物分析

4.4.2实验室冶炼的2101系双相不锈钢中夹杂物分析

4.4.3夹杂物对2101系列经济型双相不锈钢中点蚀起源的影响

4.5小结

4.6参考文献

第五章双相不锈钢2101热加工性能分析

5.1热轧板边裂尺寸分析

5.2热模拟试验

5.3小结

5.4参考文献

结论及工作展望

博士后期间工作成果及承担项目

致谢