Cu 对S32205 双相不锈钢管生产的影响

王哨兵，朱建平，高亚龙，孙文强，周 珠，李光恒，秦兴文

（浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313000）

S32205 双相不锈钢是应用最为广泛的一种双相不锈钢，是由22%Cr，2.5%Mo 及4.5%Ni-N 合金构成的复式不锈钢，其标准牌号为022Cr23Ni5-Mo3N，具有高强度、良好的冲击韧性以及良好的整体和局部的抗应力腐蚀能力。但正是双相不锈钢具有两相的特点，在热加工温度范围内仍然保持铁素体和奥氏体的双相组织，高温变形时由于两相组织变形行为的差异，造成应力分布不均匀，晶界上容易形成裂纹并扩展，导致钢的热塑性下降，热加工性能不好［1-4］。

采用二辊斜轧穿孔工艺生产的S32205 双相不锈钢管，其管坯规格为Ф65 mm×5 mm，在一个批次的产品中，个别炉号几乎每根荒管表面都出现螺旋状的裂纹，外壁裂纹呈间断性折叠状或连续性的折叠状。为找到产生裂纹的原因，针对该批次出现裂纹的S32205 穿孔荒管，采用科学的试验方法分析，找出造成开裂的原因，为后续生产提供理论依据和技术指导。

1 试验分析

S32205 双相钢在二辊斜轧穿孔中出现荒管开裂，既有原材料的原因（化学成分、夹杂物、表面残留缺陷），也有加热工况的影响（加热温度、加热时间、穿孔速度等）。本次S32205 双相钢穿孔用坯安排5 个炉号生产，只有1 个炉号的荒管表面出现螺旋状的裂纹，在生产工况相同的条件下，初步怀疑是原材料的原因造成的开裂。

通过对S32205 双相钢开裂处的化学成分、夹杂物、金相组织分析，开裂处没有发现明显的夹杂物聚集和夹渣，裂纹尖端处也没有发现有严重的氧化现象，只是个别晶界处有轻微的碳化物析出，并没有有害相的析出，与穿孔正常样品相比，开裂处的铁素体含量较少。在双相钢中，高温下奥氏体相硬度较高，铁素体相硬度较低，在热加工变形时，两相组织的软化机制也不同。铁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，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与应变分布的不均衡导致裂纹容易在晶界上形成和扩展，这是双相不锈钢热塑性差的根本原因［5］，因此合理地控制铁素体含量是解决双相钢开裂的重要方法。

对样品处的化学成分进行分析，发现开裂炉号样品中残余Cu 的含量达到了0.41%，而未开裂炉号样品中的Cu 含量在0.15%，Cu 是奥氏体形成元素，因此有必要深入探究Cu 元素与S32205 双相钢的热加工塑性的关系。

2 Cu 与穿孔开裂的对应关系

汇总S32205 双相钢近期批量化生产的情况，对比开裂和未开裂炉号的残余元素含量，发现开裂炉号钢中的Cu 含量越高，穿孔开裂的比例越大，并且Cu 含量超过0.20%时，S32205 穿孔开裂的比例越来越大，具体的Cu 含量与开裂对应关系见表1。某厂双相钢正常的开裂比例在1.0%，超过该范围，也从侧面论证了以上可能是原材料的原因造成的。GB/T 31303—2014《奥氏体-铁素体型双相不锈钢棒》中并没有对Cu 元素进行限制，但是在实际的生产中，通常将S32205 双相钢中的Cu 含量控制在0.5%以下，为了找出Cu 含量与S32205 双相不锈钢开裂的对应关系，分析不同Cu 含量下的热加工性能对S32205 双相不锈钢荒管裂纹的影响，为其后续生产提供指导和借鉴。

表1 S32205 双相不锈钢Cu 含量（质量分数）与开裂率对应关系

3 Thermo-Calc 热力学计算

S32205 双相不锈钢冶炼成分设计要求见表2。利用Thermo-Calc 热力学软件模拟出该钢种在该成分下的性质图（Cu 元素按照0.1%的质量分数），具体的凝固过程和析出相如图1 所示。

表2 S32205 双相不锈钢成分（质量分数）设计要求%

图1 S32205 双相不锈钢的凝固过程和析出相示意

通过利用Thermo-Calc 热力学计算软件，得到的S32205 双相不锈钢目标成分的凝固过程性质图，S32205 从液态-固态转变过程主要有液相、奥氏体相、铁素体相以及σ 相。可以看出S32205 双相不锈钢在1 465 ℃时开始凝固，钢水从液相凝固到固相会在液相中先析出铁素体，在1 334 ℃时铁素体中会慢慢析出奥氏体A，并随着温度的降低，奥氏体比例增加。当奥氏体A 含量增加至40%时，材料热塑性能最佳，此时的温度称为最佳热塑点40%A 温度。由于S32205 双相不锈钢为高合金钢，在凝固过程中会有二次相析出，在955 ℃时会有σ相析出，965 ℃时Cr2N 相析出。

借用S32205 双相钢的性质图，确定了在955℃以下会有各种有害相析出，特别是σ 相。大量的文献和研究表明：σ 相是S32205 双相不锈钢中危害性最大的相，其主要成分为Cr 和Mo，在力学性能上主要表现为硬度大，并具脆性，这也使σ 相的析出严重影响材料韧性和塑性。结合析出相的温度，确定了S32205 双相钢的热加工温度在1 100～1 250℃。

4 热加工性能分析

Fe-Cr-Ni 系金属在固态下具有三种相：铁素体（α）相，奥氏体相和σ 相，奥氏体和铁素体是双相不锈钢中的主要相。对于大部分双相不锈钢，由于铁素体较早地析出和成分较高，双相不锈钢微观组织形态表现为奥氏体岛状分散分布在铁素体基体中。液态双相不锈钢主要凝固成BCC 体心立方结构的铁素体相之后随着温度下降会部分通过固体相变转变为奥氏体相。合金元素会在此固态相变中发生扩散，其中的奥氏体稳定元素（Ni、C、N 和Cu等）会倾向于富集于奥氏体中，而同样地铁素体稳定元素（铬，钼等）会富集于铁素体中。

Schaeffler 相图中将合金元素分为两大类：铁素体和奥氏体稳定元素。并提出了Schaeffler 方程，将所有元素按其于不同相的稳定作用表示为铬当量（Creq）和镍当量（Nieq）。其铁素体含量F含的函数形式如下：

Creq=Cr+1.73Si+0.88Mn

Nieq=Ni+24.55C+21.75N+0.4Cu

F含=-20.93+4.01Creq-5.6Nieq+0.016T

其中，T 为退火温度，为1 050～1 150 ℃。

当S32205 双相钢中的Cu 元素含量为0.1%，其高温下的铁素体含量43.0%，Cu 元素含量0.41%时，其高温下的铁素体含量41.0%。由此可见，随着Cu 元素含量的升高，其温度一定的情况下，其铁素体的含量呈现缓慢降低的趋势。由于双相不锈钢基体组织是铁素体和奥氏体的混合组织，在高温状态的热塑性也有所不同，为了提高双相不锈钢的热加工塑形，高温下的铁素体含量和奥氏体含量接近6 ∶4 的关系更有利于热加工生产［6-7］。另外，作为导致屈服强度大幅下降的主要因素，边缘开裂程度取决于合金元素和其分布特点［8］。

开裂敏感指数（CSI）表示边缘开裂程度与合金元素的数量关系：

如果CSI 值高于5.5，可见的局部开裂会在双相不锈钢中发生。

由于钢的化学成分决定了由元素偏析引起的“热缺陷”的温度范围，微量元素和杂质元素能严重危害热加工性能，S 和P 也被认为是有害元素。除此之外，其他微量元素如铅、铋和锡也对材料性能产生负面影响。

热塑性指数（HDI）表征成分对相平衡（Creq 和Nieq）和晶界强度的影响，高热延展性的双相钢有着高的HDI 指数：

由开裂敏感指数CSI 和热塑性指数HDI 得到：随着Cu 元素含量的增加，开裂敏感指数CSI 呈现直线增加的趋势，而相对应的热塑性指数HDI 呈现下降的趋势。

综合Cu 元素含量的变化情况，随着S32205双相不锈钢中Cu 元素含量的增加，其基体中的铁素体含量降低，相对应的奥氏体含量增加，鉴于两相在热加工过程的变形情况，造成了S32205 双相钢后续的穿孔开裂敏感性增加，热加工塑性降低，极大地影响到了S32205 双相不锈钢的穿孔质量问题，因此，后续的S32205 双相不锈钢在冶炼的过程中要严格地控制残余元素Cu 的含量。

5 Cu 对各相析出的影响

利用Thermo-Calc 热力学计算软件确认Cu 含量变化时的Cr2N、σ 相和最佳热塑性点40%A 温度的变化情况，具体如图2 所示。可以看出随着Cu含量的增加，σ 相的析出温度保持不变，一直稳定在955 ℃，主要是σ 相的组成与Cr、Mo 等元素有关，与Cu 元素没有关系；但是Cu 元素的增加，造成了Cr2N 析出温度的增加，尤其是Cu 含量超过0.2%时，其Cr2N 的析出温度增加得更为明显；另外随着Cu 含量的增加，S32205 双相钢中的奥氏体含量增多，其最佳热塑性点40%A 温度也在增加，最佳热塑性区间（40%A~Cr2N 相析出）的范围在Cu含量超过0.2%后有着明显的减小，因而对S32205双相钢中的Cu 含量最好控制在0.2%以下。

图2 S32205 双相不锈钢Cu 变化时的各相变化曲线

6 解决方法

通过对S32205 双相不锈钢的穿孔生产情况的归纳汇总，提高S32205 双相不锈钢的热塑性的方法主要有两种，第一种是通过冶炼生产的残余元素Cu 含量的控制，确保Cu 含量控制在0.2%的范围内；但是在生产过程中，由于S32205 双相钢的冶炼采用的是返回料，可能存在Cu 含量较高的现象，造成冶炼生产出来的S32205 双相钢中Cu 含量偏高，而在冶炼过程中要去除Cu 是一个复杂的过程，目前的解决方法是通过添加合金的方法进行稀释，当Cu 的含量控制在0.3%～0.5%，可以通过采用提高穿孔加热过程中的温度，改变基体中的铁素体含量来提高其热塑性，从而有效地节约成本，这是另一种解决方法。

根据理论上的方法，进行实践生产过程论证。A 炉号的Cu 含量在0.15%，安排穿孔支数为248支，穿孔温度为1 150 ℃，穿孔开裂的支数为0 支；B 炉号的Cu 含量在0.39%，安排穿孔支数为197支，穿孔温度为1 170 ℃，穿孔开裂的支数为2 支，穿孔开裂比例为1.02%，开裂率有着明显的降低。

7 结 语

对在S32205 双相不锈钢中的Cu 含量变化对热加工性能的影响，最终得到：

（1） 通过对S32205 穿孔荒管开裂样品的分析，排除了穿孔开裂是由夹杂物、夹渣、原材料表面残留细裂纹引起的；开裂处也没有相关的有害相析出；其造成开裂的主要原因是基体组织中的铁素体含量较低，在后续的穿孔过程中由于热塑性降低，在穿孔力的作用下引起的开裂；

（2） 应用数学归纳的方法，发现S32205 钢种中随着Cu 元素含量的增加，后续的穿管开裂的比例增大，特别是Cu 含量在0.2%以上时，其开裂比例的增加趋势更为明显；

（3） 借助于Thermo-Calc 热力学计算软件，可以确定S32205 的热加工温度在1 100～1 250 ℃，并且Cu 含量的增加与否，对析出相的形成和析出温度不存在任何的影响；

（4） 在S32205 双相中随着Cu 元素含量的变化，在加热温度一定时，其铁素体含量呈现下降的趋势，并且其热开裂敏感指数CSI 增加，热塑性指数HDI 降低，增加了开裂的趋向性；

（5） 随着Cu 含量的增加，σ 相的析出温度保持不变，一直稳定在955 ℃，Cr2N 析出温度的增加，尤其是Cu 含量超过0.2%时，其Cr2N 的析出温度增加的更为明显，另外最佳热塑性点40%A 温度也在增加，最佳热塑性区间的范围在Cu 含量超过0.2%后有着明显的减小。

（6） 通过控制S32205 双相钢中的Cu 含量或改变穿孔温度，提高S32205 双相钢中的铁素体含量，可以有效地改善S32205 的热塑性，并经过实践生产进行论证。