固溶温度对2507双相不锈钢力学性能及耐蚀性的影响

谷国超，李瑞芬，辛振民，相立新，许文花，吕宇鹏

（1.山东大学 材料液固结构演变与加工教育部重点实验室，山东 济南 250061；2.山东大学 材料科学与工程学院，山东 济南 250061；3.山东省产品质量检验研究院，山东 济南 250102）

超级双相不锈钢（Super duplex stainless steel）2507是第三代双相不锈钢，其微观组织主要由奥氏体和铁素体两相组成，经过合适的热处理工艺后，使得两相体积比接近1:1，从而兼具奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的优势，具有优良的耐蚀性（耐点蚀当量PREN>40）和较好的力学性能，广泛用于舰船、海洋平台、化工等含有高氯化物、酸性的苛刻环境中，可以替代6Mo型超级奥氏体不锈钢、钛材和玻璃纤维增强塑料等材料[1-2]。为了保证2507双相不锈钢的优良性能，需要进行固溶处理来消除有害相，并调整晶粒度和两相体积含量[3]。白青青和张志宏[4]研究了固溶温度对2507双相钢组织和力学性能的影响，提出该钢在1100～1150℃固溶处理时可获得最佳的力学性能。针对2507双相钢，张寿禄等[5]和李国平等[6]分别研究了固溶处理工艺对组织、力学性能和耐蚀性的影响，得出固溶温度在1050～1100℃时，钢中的铁素体/奥氏体两相比接近1:1，具有良好的综合力学性能和耐蚀性。李俊[7]提出S32750双相不锈钢（厚12 mm）合适的固溶工艺为1050～1100℃，固溶处理后可获得最佳两相比例及综合力学性能和耐蚀性。郑添义等[8]研究固溶处理的冷却速率对2507双相钢性能影响时发现，1140℃固溶处理后以较大冷却速率（>900℃/min）冷却时可获得较好的综合力学性能。对比以上研究可以看出，对2507双相不锈钢固溶温度的研究结果不尽相同。由于目前国内对2507双相钢的工业生产还在起步阶段，其成分控制、热加工工艺不成熟[9]，而力学性能及耐蚀性与材料的成分、铁素体和奥氏体相体积比有很大关系，影响相比例的因素为合金元素含量、固溶工艺及变形工艺等。

因此，本文以2507双相不锈钢为对象，研究了固溶温度与相比例、力学性能和耐蚀性的关系，为合理制定热处理工艺、提高2507双相不锈钢的综合性能、生产高品质钢提供一定的数据支撑和理论依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为2507双相不锈钢，其化学成分如表1所示。该材料经冶炼、铸锭锻造成坯（宽90 mm，厚90 mm，长220 mm）后，在两辊550 mm热轧机进行热轧，轧制前将坯料在箱式电阻炉中加热至1250℃并保温1 h，通过9道次轧制后空冷，对应每道次轧制得到的厚度分别为74、53、38、27、20、16、13、11、9.5 mm。

表1 2507双相不锈钢的化学成分（质量分数，%）Table 1 Chemical composition of the 2507 super duplex stainless steel（mass fraction，%）

1.2 试验方法

利用Thermo-Calc材料性能模拟软件，基于TCFE8:Steels/FeAlloys V8.1 database数据库，计算2507双相不锈钢热力学平衡相图、奥氏体/铁素体两相中各元素含量，并根据其平衡相图确定试验钢固溶处理的温度范围。

将热轧并空冷后的钢板利用线切割沿轧制方向切成尺寸为10 mm×10 mm×100 mm的试样，并利用SLQ1400-40箱式气氛炉进行固溶处理。将试样以10℃/min（控温精度为±1℃）的加热速度分别加热到设定的固溶温度（1050、1100、1150、1200、1250、1300℃），保温30 min后立即水淬，以保留各固溶工艺下的微观组织结构，防止第二相析出。

分别将未经过固溶处理的热轧板材与经过固溶处理的试样参照GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》加工成标准的室温拉伸试样，其中拉伸试样的轴线方向与轧制方向平行。拉伸试验在CMT5015电子万能试验机上进行，拉伸速率为1 mm/min，同一条件下的试验分别进行3组，验证其重复性，并将获得的拉伸曲线、强度与塑性指标取平均值。利用SEM对拉伸后新鲜断口进行分析。

将不同固溶处理试样研磨抛光后，用10 g FeCl3+30 mL HCl+150 mL无水乙醇配制成的腐蚀剂在70℃下进行化学侵蚀，并在Nikon-LV100ND型光学显微镜和日立SU-70型场发射扫描电镜（SEM+EDS）进行组织观察。利用GB/T 13305—2008《不锈钢中α-相面积含量金相测定法》随机测量20个视场的相体积分数，计算算术平均值，确定两相比例。X射线衍射分析仪（Rigaku D/max-γB）使用Co靶对试样进行物相测定，加速电流、电压分别为120 mA、40 kV，采用步进式扫描方式，扫描范围（2θ）为10°～90°，扫描速度为10°/min，步长为0.02°。

使用环氧树脂将固溶后试样的非检测表面进行封装，试样裸露出来的工作段面积为0.78 cm2，采用Chi660E型恒电位电化学工作站对固溶后的试样进行电化学试验，试验采用三电极体系，饱和甘汞电极为参比电极，碳棒为辅助电极，试样为工作电极。极化曲线测试试验前，将试样在腐蚀介质（3.5%NaCl（质量分数），30℃）中浸泡30 min，待开路电位稳定后对极化曲线进行测量。扫描速度为1 mV/s，扫描范围为-1～2 V。进行阻抗测试时，所需电极、介质及温度与动电位扫描一致，其测量频率范围为0.01～105Hz，激励信号采用正弦波（幅值为5 mV）。

2 试验结果及分析

2.1 相图计算结果

图1为根据实际成分计算所得的2507双相不锈钢热力学平衡相图。从图1可以看出，当温度低于1040℃时，陆续有金属间化合物（Cr2N、χ、σ）等析出，以σ相为主，χ、Cr2N等金属间化合物含量有限。Cr2N作为一种对耐蚀性有恶化影响的相，在1040℃析出。当温度在1045～1310℃区间时，组织中只存有α相和γ相，且随着温度的升高，发生γ相到α相转变，α相体积分数增加，γ相体积分数减少，当温度为1350℃时，试验钢中出现液相。

图1 Thermal-Calc计算所得2507双相不锈钢的平衡相图Fig.1 Equilibrium phase diagram of the 2507 duplex stainless steel calculated by Thermo-Calc

2.2 微观组织

2507双相不锈钢钢板热轧空冷后的微观组织如图2（a）所示，浅灰色组织为奥氏体，深灰色组织为铁素体。由于轧制变形，导致奥氏体、铁素体呈现间隔的条带状分布。另外，在奥氏体和铁素体相界处发现有块状析出物（如图2（b）虚线框所示）。结合EDS能谱分析，相比于铁素体基体（见图2（d）），块状析出物（见图2（c））含有更高含量的Cr、Mo及较少的Ni。经XRD测试分析（见图3），该析出物为σ相。由于该热轧板经过多道次轧制，其材料表面温度<1000℃（测温枪测得），使得σ相（硬而脆）从铁素体析出。另外，由于双相不锈钢在轧制过程中，奥氏体、铁素体和少量σ相出现变形不协调现象[10]，导致在σ相周围出现微裂纹或孔洞。

图2 热轧态2507双相不锈钢的微观组织（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

图3 不同热处理工艺下2507双相不锈钢的XRD结果Fig.3 XRD results of the 2507 duplex stainless steel under different heat treatment processes

图4为热轧板经不同温度固溶后的显微组织。随着固溶温度的提高，2507双相不锈钢中奥氏体相体积分数下降，且当固溶温度超过1200℃后，出现严重铁素体化，奥氏体由细条状变成竹节状或岛状，并分布于连续铁素体中。另外，随着固溶温度的升高，铁素体组织发生了再结晶长大现象，特别是当固溶温度为1300℃时，奥氏体相从条带状转变为岛状并分布于铁素体基体中，使得铁素体分布更加连续；同时，由于奥氏体相随固溶温度的增加逐渐转变为铁素体相，使得铁素体相体积分数增加，导致铁素体相和奥氏体相的制约失衡，铁素体晶粒明显长大[11]。

图4 2507双相不锈钢经不同温度固溶后的微观组织Fig.4 Microstructure of the 2507 super duplex stainless steel solution treated at different temperatures

图5为铁素体、奥氏体相体积分数及两者比例随固溶温度的变化。由图5可知，随着固溶温度升高，铁素体相含量从54%升高到73%，奥氏体相含量从46%降低到27%。当固溶温度超过1100℃时，α/γ比值迅速增加，表明奥氏体相转变为铁素体相的速度增加。在本研究中，固溶温度在1100℃时，两相比例接近1:1。

图5 2507双相不锈钢中铁素体、奥氏体相体积分数及相比例随固溶温度的变化曲线Fig.5 Variation curves of volume fraction of ferrite and austenite in the 2507 duplex stainless steel and phase ratio with solution temperature

由于奥氏体和铁素体中各元素含量不同，在固溶过程中铁素体内Cr、Mo和奥氏体内Ni通过扩散效应分别向低含量区扩散。不同固溶温度下铁素体和奥氏体两相中主要元素含量变化规律如图6所示，随着固溶温度的升高，铁素体中Cr、Mo含量逐渐下降，而Ni含量从约5.04%（1050℃）升高到约6.36%（1150℃）后基本保持不变，奥氏体中Cr、Mo含量增加而Ni含量稍有降低。因此，随着固溶温度的升高有利于Cr、Mo、Ni的原子扩散，从而达到各相的平衡状态，有利于成分均匀化。通常，双相钢中奥氏体相的N含量高于铁素体相，且随着固溶温度的升高，奥氏体中的N含量升高[12-13]，N与Cr之间结合力较强，使得相变中Cr扩散到铁素体过程受阻，最终使得奥氏体中Cr含量高于铁素体[14]。总之，随着固溶温度的升高，铁素体与奥氏体中的合金元素，尤其是Cr、Mo、Ni差别越来越小。在固溶过程中元素由从化学势高的相扩散到化学势低的相，铁素体形成元素（Cr、Mo）和奥氏体形成元素（Ni、Mn、N、C）通过扩散进行重新分配，导致相应的铁素体和奥氏体的形态及分布也随之变化。

图6 2507双相不锈钢中奥氏体和铁素体的化学成分随固溶温度的变化关系Fig.6 Relationship between chemical composition of austenite and ferrite in the 2507 duplex stainless steel and solution temperature

2.3 力学性能

奥氏体和铁素体的相比例、元素分布及形态影响2507双相不锈钢的力学性能。图7分别对比了双相不锈钢在热轧后及不同固溶温度处理后的力学性能。从图7可以看出，热轧后2507双相不锈钢的抗拉强度（935 MPa）和屈服强度（768 MPa）明显大于固溶处理后的强度，但伸长率（16%）低于固溶处理后，不满足材料伸长率（>30%）要求。规定抗拉强度≥800 MPa，屈服强度≥550 MPa。经过固溶处理后，2507双相不锈钢的屈服强度、抗拉强度及伸长率随固溶温度的升高整体下降。在1050～1100℃固溶时，其抗拉强度、屈服强度及伸长率分别>845 MPa、>610 MPa和>35%。当固溶温度从1150℃升高至1300℃过程中，抗拉强度和屈服强度分别由830 MPa和613 MPa逐渐下降至781 MPa和559 MPa。试样的伸长率也从34%缓慢降低到29%。因此，固溶温度在1050～1100℃时可获得较好的力学性能。

图7 固溶温度对2507双相不锈钢力学性能的影响Fig.7 Effect of solution temperature on mechanical properties of the 2507 duplex stainless steel

结合微观组织结构、力学性能可以看出，奥氏体和铁素体两相比例起着关键作用。从图3可以看出，热轧后的2507双相不锈钢中有σ相存在，导致其强度高、脆性增加，伸长率较低。当固溶温度在1050～1100℃时，α/γ相比例接近1:1，综合力学性能较好。随着固溶温度的升高，奥氏体转变为铁素体，奥氏体含量逐渐减少（见图5）。室温下铁素体相比奥氏体相的强度高，而塑性和韧性低，因此随着固溶处理温度升高，铁素体相比例增加会相应降低钢的塑韧性。另外，由于在固溶过程中会有元素的配分，固溶在奥氏体相中的N元素固溶强化作用比Cr、Ni和Mo元素固溶强化作用大2个数量级左右[4]；并且随着温度的升高，两相中Cr、Ni和Mo的含量差越来越少，从而，由这些合金元素形成的固溶强化作用在两相中的差别也逐渐减小。因此，在1050～1150℃固溶时，其强度差别不大。固溶温度升高（1200～1300℃），组织再结晶完全程度逐渐提高，铁素体和奥氏体晶粒都会发生一定程度的长大（特别是在1300℃固溶时，铁素体晶粒的粗大），晶粒的长大会导致材料强度的降低，进而导致性能恶化。

2.4 耐蚀性

固溶处理不仅影响力学性能，同时由于两相比例及两相中元素含量的变化也会影响材料的耐蚀性。图8为不同固溶温度下的极化曲线及阻抗曲线。可以看出，随着固溶温度的升高，自腐蚀电位区域与点蚀电位越来越低。自腐蚀电位越高，材料发生腐蚀的倾向性越小，耐腐蚀性能越好。这说明随着固溶温度的升高，2507超级双相不锈钢的耐腐蚀性能逐渐降低。结合图8（b，c）可以看出，随着固溶温度升高，容抗弧半径（评价耐蚀性的重要指标）变小，说明其耐腐蚀性能下降。因此，对2507双相不锈钢在1050℃固溶处理时，α/γ相比例接近1:1，且两相分布均匀，点蚀电位较高，此时有利于钝化膜的稳定，尤其对于点蚀具有很好的抑制作用。当固溶温度在1100℃以上时，随着固溶温度的升高，铁素体相含量增加，Cr、Mo耐点蚀元素含量降低，不利于钝化膜稳定，从而引起耐蚀性的下降。

图8 不同固溶温度下2507双相不锈钢的极化曲线（a）及交流阻抗谱图（b，c）Fig.8 Polarization curves（a）and AC impedance spectra（b，c）of the 2507 duplex stainless steel at different solution temperatures

3 结论

1）2507双相不锈钢热轧板经1050℃及以上温度固溶处理30 min后，σ相消失，组织由铁素体和奥氏体组成。随着固溶温度的升高，奥氏体含量减小，铁素体含量增加，当固溶温度为1050℃时，α/γ相比例接近1:1。

2）2507双相不锈钢在1050～1100℃固溶后，具有较好的综合力学性能。其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别>845 MPa、>610 MPa和>35%。

3）随着固溶温度的升高，铁素体中Cr、Mo含量下降，奥氏体相中的Cr、Mo含量升高。

4）随着固溶温度的升高，自腐蚀电位与点蚀电位降低。在固溶温度为1050℃时，2507双相不锈钢的耐蚀性较好。