第29卷第6期2007年11月
上 海 金 属SHAN GHA I M ETAL S
Vol.29No.6November ,2007
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作者简介：王晓峰，北京科技大学冶金与生态工程学院，博士研究生，主要从事不锈钢方面的研究。
invent
Emial :wangxiaofeng_
影响双相不锈钢热塑性的诸因素讨论
王晓峰1 陈伟庆1 毕洪运2 郑宏光2
(1.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083;2.宝山钢铁股份有限公司)
[摘要] 双相不锈钢是热塑性较差的钢，易出现热加工缺陷。因此分析了轧制温度、相比
例、
σ相及微量元素诸因素对双相不锈钢热塑性的影响。认为双相不锈钢在冶炼过程中要尽量降低钢中硫、氧含量并加入适量的微合金元素，在热轧过程中要严格控制开轧和终轧温度，控制σ相析出，保证适当的相比例、冷却速率等以避免热脆性裂纹。
[关键词] 双相不锈钢 热塑性 热轧温度 相比例 σ相 微量元素
DISCU SSION ON H OT W ORK ABI LIT Y OF DUP LEX ST AIN LESS STEE L
Wang Xiaofeng 1 Chen Weiqing 1 Bi Hongyun 2 Zheng Ho ngguang 2
(1.S chool of Metall urgical and Ecological Engineering ,Universit y of
Science and Technology ,B ei j ing; 2.B aosteel Co.L t d.,)
[Abstract] Hot rolling defects were easily to be formed due to the bad hot workability in duplex steel.
The influencing factors to hot workability of duplex stainless steel were discusd ,such as rolling temperature ,pha proportion ,σpha ,and adding elements.The contents of sulphur and oxygen in duplex stainless steel should be reduced as far as possible during steelmaking process.The starting
and finishing rolling tempera 2ture ,cooling rate as well as the precipitation of σpha should be strictly controlled in the rolling process ,and the proper pha proportion should also be ensured to avoid hot brittleness cracks.Micro alloying elements should be added in duplex stainless steel for the improvement of hot ductility.
[K ey Words] Duplex Stainless Steel ,Hot Workability ,Hot Rolling Temperature ,Pha Proportion ,σPha ,Microelement
1前言
双相不锈钢综合了铁素体不锈钢和奥氏体不
锈钢的优点，具有较好的力学性能，较高的韧性，良好的可焊性及优良的抗腐蚀性能[1～4]。但是双相不锈钢的热塑性较差，一些双相不锈钢在热轧热锻过程中容易开裂。
novelty
由于双相不锈钢的两相组织具有不同的晶体结构，即体心立方的铁素体和面心立方的奥氏体，高温下奥氏体相硬度较高，而铁素体相硬度较低，在热变形过程中，两相组织的软化机制也不同，铁
湖北中考时间素体的软化机制是动态回复，即使在较低的应变下，也可以发生铁素体的动态回复，而奥氏体的主要软化机制是动态再结晶，而动态再结晶只能在高应变时发生，因此在热加工过程中，奥氏体和铁素体
中应力和应变分布的不均衡，导致裂纹容易在相界上形成和扩展，这是双相不锈钢热塑性差的根本原因。
除此外，双相不锈钢的热塑性与温度、成分、组织变化有密切的关系。本文主要综述钢加热温度、相比例、金属间相及微量元素对双相不锈钢热塑性的影响，并提出改善双相不锈钢热塑性的措
施，为双相不锈钢冶炼、热轧工艺的制定提供
帮助。
2热轧温度对双相不锈钢热塑性的影响
热轧时的高温加热对于奥氏体-铁素体双相不锈钢来说，随着温度的升高，其双相中铁素体含量增加，而奥氏体含量减少[5]。单从冶金学的观点来看，高温加热时铁素体相含量的增多有利于热加工，最好是成为单一的铁素体相[6]。但是由Cr 2Ni68Fe 伪二元系相图(图1)可知，如果热加工温度过高，大约在1300℃左右时，双相不锈钢虽呈现单相铁素体相，但此时铁素体晶粒往往会迅速长大，致使钢的热塑性急剧下降；相反，如果热加工时温度过低，如低于1000℃时，则会析出大
量的σ、χ、R 等脆性相，从而降低钢的热塑性，所以双相不锈钢在热轧过程中温度要控制在1050
～1200℃范围，此时热塑性最为良好，适于热变形加工
。
图1 Cr 2Ni68Fe 伪二元系相图
3双相不锈钢的相比例对热塑性的影响
双相不锈钢的相比例与它的化学成分有关,
也即与它的铬、镍当量密切相关，它们分别与α和γ相成比例关系。铬当量(Cr eq )、镍当量(Ni eq )可用下式表示:
Cr eq =Cr %+Mo %+1.5×Si %+0.5
×Nb %
Ni eq =Ni %+30×C %+0.5×Mn %+30×N %
一项韩国专利[7]指出，在成分为<0.03%C 、<1.0%Si 、<2.0%Mn 、<0.04%P 、<0.004%S 、
<2.0%Cu 、
(5.0～8.0)%Ni 、(22～27)%Cr 、(1.0～2.0)%Mo 、(2.0～5.0)%W 、(0.13～0.30)%N 及含一种或两种微量元素的双相不锈钢中，铁素体相和奥氏体相共存。但若要保证该双相钢有优越的热塑性、高温氧化性、耐腐蚀性和冲击韧性，则其奥氏体相与铁素体相室温下的相比例应为(65～55):(35～45)，室温下最佳的奥氏体相与铁素体相的相比例为55∶45。前苏联学者[8]曾研究了铁素体相和奥氏体相比例对钢高温下工艺塑性的影响，如图2所示。从图中可以看出，高温下无论钢中铁素体相或者奥氏体相数量超过20%时，钢的塑性都降低，钢在热变形时将出现裂纹等缺陷。为了保证铁素体-奥氏体型双相不锈钢在热轧或热锻时有足够高
的塑性，在热加工的加热温度下必须保证组织中的奥氏体相数量不超过10%，而在热变形的终止温度时奥氏体相数量不高于25%～30%
。
图2 相比例对双相不锈钢高温下工艺塑性的影响
4钢中金属间相对热塑性的影响
铁素体晶格中原子密排度较低，合金元素在
8
3上 海 金 属
第29卷
铁素体中的扩散速度要比在奥氏体中高得多。而且铁素体相中富集铬和钼，有利于含有这两元素的金属间相在铁素体相中形核。另外在铁素体不锈钢中析出反应要比在奥氏体不锈钢中快得多，例如，在奥氏体不锈钢中，根据合金元素含量的不同，经过几小时或几百小时的热处理后才出现σ金属间相，而在双相不锈钢中往往几分钟就会出现。
双相不锈钢中的金属间相主要有σ相、χ相、R相、α’相、π相和Fe3Cr3Mo2Si2相等，这些相都是脆性相，它们的析出必然会导致双相不锈钢的热塑性降低。
双相不锈钢中,χ相中含有较高的钼和铬，析出温度大约在700～900℃范围内，通常析出的数量要比σ相少得多;R相是含高钼的金属间相，析出温度大约在550～750℃;α’相中含有较高的铬，大约在400～500℃范围内析出;π相与R相相同，在铁素体晶粒内析出，含有高铬和钼，属于一种氮化物，析出温度大约在550～600℃范围内; Fe3Cr3Mo2Si2往往在相界及铁素体晶界、亚晶界上析出，析出温度大约在450～750℃。
铁素体以共析分解的方式形成σ+γ2胞状结构,σ相是危害性最大的一种脆性析出相，可显著降低钢的塑性、韧性。在高铬铁素体不锈钢中,σ相的形成温度-般低于820℃，且形成速度很慢，约需数小时，因此，从高温冷却，就σ相转变而言，并不是一个要考虑的问题。但对双相不锈钢就另当别论了，由于铁素体相中钼和镍的存在，尤其是钼，扩大了σ相的形成温度范围和缩短了形成时间,σ相甚至在高于950℃时存在，而且数分钟之内即可析出。σ相的析出温度在600～1000℃范围内，当温度高于1000℃以上时，可以避免σ相的析出。E.Angelini等[9]研究了SA F2507双相不锈钢在700、800、900℃时,σ相析出量与时间的关系，如图3所示，在700～900℃温度范围内，随着温度的升高，保温时间的延长,σ相析出的总量也不断增加；当温度为900℃，保温时间为100h 时,σ相的体积含量达到了30%。σ相增多，双相不锈钢的热塑性随即降低。例如，它的析出能使热轧产品不能卷曲成形，甚至出现裂纹，因此，为了避免σ相的析出，双相不锈钢，尤其是含高铬、钼的超级双相不锈钢，终轧温度必须控制在σ相
析出的危险温度之上，并且固溶处理后要求快冷
。
gli 图3 SA F2507双相不锈钢在700、800、900℃,
σ相含量与时间的关系
5微量元素对双相不锈钢热塑性的影响
5.1硫、氧元素
钢中硫、氧元素对含氮双相不锈钢的热塑性有重要的影响，例如,S在晶界上形成的硫化物，将降低双相不锈钢的热塑性。在对25Cr27Ni2 3Mo2W2Cu2N双相不锈钢的研究中发现[10]，当钢中氧含量≤50μg/g、硫含量≤0.004%时可以防止热轧带钢的边裂。
5.2稀土元素
Ce是极有效的非自发形核剂，加入钢中可细化晶粒，减少钢中有害气体和杂质含量，改变钢中夹杂物的性质、形态和分布，对晶界有净化作用。Ce在双相不锈钢中是一种奥氏体形成元素，固溶微合金化作用可使双相不锈钢奥氏体相含量明显增多，改善双相不锈钢的高温塑性，特别是热加工温度下的塑性。
高桥[11]采用铸态试验研究了稀土对24Cr2 5.5Ni21.5Mo20.8Cu20.1N钢的热塑性的影响，认为稀土能脱硫，生成高熔点的稀土硫化物，降低了有害的MnS与Al2O3的复合夹杂，细化晶粒，但钢中的S仍要控制，应<0.005%，稀土有效加入量为10≤RE/S≤30。
林丰[12]采用直接热轧法研究了25Cr27Ni2 3Mo2W2Cu2N双相不锈钢，结果表明，当钢中的硫、氧分别降至0.005%和0.01%以下时，适量稀
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第6期王晓峰等：影响双相不锈钢热塑性的诸因素讨论
土元素能有效地减少或清除该双相钢的热轧
裂纹。
J.I.K omi 等
[13]研究认为将S 含量降至30μg/g ，然后往此双相不锈钢中加Ce ，从而可以防止S 偏析，改善钢的热
塑性。
实践证明[14]，如图4所示，加Ce 的SG52钢1050℃的延伸率与面缩率分别比成分相同但不加Ce 的2207型双相不锈钢提高56%和40%。加Ce 的SG52钢具有良好的热加工性能，而不含Ce 的2207型双相不锈钢锻造时易发生开裂
associated。
图4 加Ce 对双相不锈钢高温塑性的影响
5.3Ti 元素
文洛克
Ti 能细化晶粒，但Ti 含量上限要小于0.15%，过高的Ti 会降低钢的耐孔蚀性能[11]。
在含有AlN 的钢中加入适量的钛即可消除AlN
对热塑性的不利影响。例如在Nb 2Al 2N 钢中加入钛，发现它能明显改善这种钢的热塑性，但不如无铌加钛钢的热塑性好[15]。双相钢热塑性低谷区的出现与晶界析出物有关，这些析出物通过阻碍动态再结晶过程而使热塑性下降。当钛加入钢中时，由于它与N 原子的亲和力比铝和铌大，因此，在高温下，钛先和氮结合成TiN ，降低钢中游离氮含量，减少或避免AlN 或NbN 在奥氏体晶界上的析出。而TiN 的析出温度高于形变奥氏体的再结晶温度，防止了它在再结晶奥氏体晶界上的析出，从而保证了钢的热塑性。5.4Ca 元素
关于加Ca 的作用有不同的试验结果，高
桥[11]认为Ca 对双相不锈钢的效果不明显。而一项美国专利提出了加Ca 的有效性，如图5所示。在含
0.03%C ,0.3%～2.0%Si ,0.4%～4.0%Mn ,16%～22%Cr ,4%～7%Ni ,2%～4%Mo ,0.06%～0.20%N 的双相不锈钢中,S 小于0.005%，加入0.001%～0.01%Ca ，维持Ca/S 大
于1.5，可形成非常稳定的CaS ，防止S 以MnS 夹杂的形式在晶界析出，可以获得好的热塑性[6]
。
图5 S 、Ca 含量与高温拉伸时的变形量关系
5.5B 元素
Loverless 和Bloom [16]所叙述的硼对稳定化
处理的奥氏体不锈钢热塑性的有益作用，已为其他许多研究者完全证实了，并因此而导致此类钢的生产中普遍加硼。从1050～1200℃的温度范围内试验结果显示断面收缩率提高，在1200℃以上则出现这种提高的一个临界温度。此时硼的有益作用降低的原因很明显是由于在晶界上形成M2(BC )硼碳化物和附近饱和了硼的金属出现熔化有关的。值得注意的是过多的硼会生成大量低熔点的共晶体分布在晶界上从而反使塑性降低。
姜世振等研究了硼对00Crl8Ni5Mo3Si2钢热塑性的影响[10]，通过落锤试验得出临界变形量与温度的关系，如图6所示。加B 后可改善钢的热塑性，其原因可能与B 抑制了晶间空位有关。5.6Cu 元素
Cu 能抑制金属间化合物形成，并在还原气氛中提高耐腐蚀能力，尤其在含(22.5～23.5%)Cr 的钢中，通过加Cu 可改进冲击韧性。Cu 对双相不锈钢的热塑性没有明显的改善作用，但若其含
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第29卷
量超过2.0%，则使热塑性下降。因此Cu 含量添加在2.0%以下为宜，最好是限制在1.0%以下
mibk
。 图6 微量元素B 对00Cr18Ni5Mo 3Si 2
钢临界变形量的影响
6结论
(1)双相不锈钢在高温加热时，随着温度的升
高，铁素体相数量不断增加，奥氏体相数量不断减少。如加热温度过高，双相不锈钢的热塑性急剧下降；如温度过低，会析出脆性的金属间相；因此在热加工过程中要严格控制热轧的开轧温度和终轧温度。非主流翻译
(2)为获得良好的热塑性，室温下双相不锈钢中奥氏体相和铁素体相的最佳相比例为55:45；在热加工的加热温度下要求组织中的奥氏体相数量不超过10%，而在热变形的终止温度奥氏体相数量不高于25%～30%。
(3)σ相是对双相不锈钢热塑性危害最大的一种析出相，因此要求终轧温度必须控制在σ相析出的危险温度之上，而且固溶处理后要求快冷。
(4)降低双相不锈钢中的硫、氧含量，加入合
适的微量稀土元素、Ti 、Ca 、B 等，可以有效地改善双相不锈钢的热加工性能。
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收稿日期:2007204223
信息
不锈钢半制成品禁止进口
根据商务部公告的新一批加工贸易禁止类
商品目录，不锈钢半制成品在该目录之中，属加工贸易中被禁止进口的商品。贵金属矿砂及其
精矿也在禁止进口之列，而未锻轧的铜合金及铅
等金属原材料则被禁止出口。
吉祥 供稿
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4第6期
王晓峰等：影响双相不锈钢热塑性的诸因素讨论
