2205DSS热处理开题报告

-

PAGE

13

-

目录

1文献综述

2

1.1双相不锈钢的发展

2

1.1.1双相不锈钢的发展历史

2

1.1.2中国双相不锈钢的发展

3

1.2双相不锈钢的分类及使用要求

4

2课题背景及开展研究的意义

5

2.1课题背景

5

2.2开展研究的意义

7

3研究内容、预期目标和研究方法

8

3.1研究内容

8

3.2预期目标

8

3.3研究方法

8

3.3.12205双相不锈钢再结晶温度的测定

8

3.3.2实验材料及热处理工艺

10

3.3.3显微硬度测试

10

3.3.4α相与γ相含量的测定

10

3.3.5不同温度下相转变机制

10

3.3.6实验结果的分析

11

4进度安排

11

参考文献

12

指导老师意见

14

1文献综述

2205双相不锈钢属于超低碳的中合金奥氏体-铁素体不锈钢，是双相不锈钢的一种，其组织结构是由各占50%的α-铁素体和γ-奥氏体两相组成。其英文名称是“2205DuplexStainlessSteel”，常缩写为2205DSS。

2205双相不锈钢兼有奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢的特性。与铁素体不锈钢和马氏体不锈钢相比，其韧性高，脆性转变温度低，耐晶间腐蚀性能和焊接性能显著提高；同时保留了铁素体不锈钢导热系数高，膨胀系数小，具有超塑性等特点；与奥氏体不锈钢相比，α+γ双相不锈钢强度高，特别是屈服强度和疲劳强度显著提高，屈服强度可达400~550MPa，是普通不锈钢的2倍。特别是在中性氯化物溶液及H2S中的耐应力腐蚀能力远远超过304L，316L奥氏体不锈钢和18-5Mo型双相不锈钢，具有良好的抗孔蚀和缝隙腐蚀能力，还有良好的韧性和强度等综合性能，能够进行冷，热加工成型，焊接性良好。2205双相不锈钢在工业中的应用越来越多，如在化肥生产，化学工业，运输用大型化工容器，近海天然气和石油工业，造纸工业，环境污染控制设备领域已得到广泛应用[1]。

1.1双相不锈钢的发展

1.1.1双相不锈钢的发展历史

双相不锈钢己有70年之久的历史，它的发展经历了三代[2,3]。第一代双相不锈钢以美国上世纪40年代开发的329不锈钢为代表，含高铬、钼，耐局部腐蚀性能好，但是含碳量较高(≤0.1%C)。因此焊接时容易失去相的平衡及产生碳化物导致耐蚀性及韧性下降，焊接后必须经过热处理，一般适用于铸锻件，在应用上受到了一定限制。前苏联在上世纪50年代发展了含稳定化元素钛的08X21H5T和08X21H6M2T不锈钢，同时德国开发了1.458Z不锈钢，法国开发了Urnnus50不锈钢，英国研制成功了Ferralium255不锈钢，还有日本在美国329不锈钢的基础上降低碳含量，开发出了329J1不锈钢钢种，这些双相不锈钢都可以作为可焊接的结构材料使用。随后至上世纪60年代中期瑞典开发了著名的3RE6O不锈钢，它是第一代双相不锈钢的代表钢种，其特点是超低碳，含铬量为18%，焊接及成型性能好，可广泛代替AlSI304L、316L奥氏体不锈钢用作耐氯离子应力腐蚀材料。直至上世纪70年代，随着二次精炼技术AOD和VOD等冶炼方法的出现与普及，能容易地冶炼出超低碳的钢，同时发现氮作为奥氏体形成元素对双相不锈钢有提高耐腐蚀性能的积极作用，改进了第一代双相不锈钢，并开创了第二代新型的含氮双相不锈钢，并开发了双相不锈钢的新领域。

第二代双相不锈钢不论是18Cr型，还是22Cr或25Cr型大多属超低碳型，已被纳入美国的ASTMA789和A790标准。此外，法国有URANUS系列，英国有ZERON铸钢系列，德国也有了纳入标准的系列牌号钢种。

上世纪80年代后期发展的超级双相不锈钢属于第三代双相不锈钢，这类钢的特点是含碳量极低，含高钼和高氯，钢中铁素体含量40%~50%，此类钢具有优良的耐孔蚀性能且孔蚀抗力当量值大于40。韩国1996年公开的双相不锈钢(专利号：96190623)，具有优越的抗热塑性、耐腐蚀性能、抗高温氧化性能和冲击性能。

本文研究的2205型双相不锈钢是瑞典继开发了3RE60双相不锈钢之后，针对酸性油井井管及管线用钢首先开发出的，属第二代双相不锈钢，纳入ASTMA789、A790、A240、A276等标准，美国牌号为UNSS31803；20世纪80年代以后，各国相继开发出类似钢种，并且纳入标准。德国有W-Nr.1.4462，DINX2CrMoN2253，瑞典有SS2377，法国有Z2CND2205-03，英国有BS318S13等。SAF2205双相不锈钢自20世纪80年代初开始被用于油、气井生产，这是最早在这方面使用的双相不锈钢，中国在上世纪80年代初期开始研制相当SAF2205双相不锈钢的00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢是目前应用最普遍的双相不锈钢[3]。

1.1.2中国双相不锈钢的发展

在国外发展双相不锈钢的基础上，中国自20世纪70年代中期也开始发展双相不锈钢，主要是研制含N钢，关注N对钢性能和工艺的影响。至今已有包括5个钢种的系列牌号，但只有低Cr的钢种纳入了国家标准，其余都按企标生产，目前钢板的国标正在修订。此外，五二研究所在分析国内外双相不锈钢发展的基础上，成功研制了新型稀土双相不锈钢SG52，其抗点蚀当量PRE≥40。该钢种采用稀土改性，并以氮代镍，具有良好的力学性能、工艺性能和耐腐蚀性能。中国的双相钢只是处于国外第二代双相不锈钢的发展水平，钢种的含N量在0.25%以下。目前国外已步入市场的含N在0.25%-0.35%的超级双相不锈钢，中国仍处于实验室开发阶段，AOD精炼工艺和双相不锈钢连铸工艺的成熟将有助于超级双相不锈钢板的工业试生产成功。目前国内双相不锈钢主要产品是管、板、复合板，也有锻件和铸件，但是产量都不大。Φ219mm的无缝钢管和Φ457mm的薄壁等离子焊管都已研制成功，2205和Q345C的复合板也已用在长江三峡工程上。我国已经具有制造双相不锈钢和超级双相不锈钢设备的实力和水平。太钢的设备已可生产3000mm宽的中厚板、2000mm宽的热轧卷板和0.6mm×1500mm的冷轧板卷。宝钢可生产4000mm宽的中厚板和1600mm宽的热轧卷板。太钢用AOD炉冶炼含氮不锈钢，建立了氮合金化工艺模型，可以精确控制成品中的氮含量达到±0.0135%，另外，可以将成品中P、S含量控制在较低的水平，为提高系列双相不锈钢产品的性能，尤其是含高氮双相不锈钢的性能提供了保证。

双相不锈钢的优势在于其优越的耐腐蚀，尤其是耐局部腐蚀性能。在镍价波动变化大时，开发节镍经济型钢种，使之成为重点推广的产品。另一方面在苛刻腐蚀环境下，由于它的高性价比，开发高牌号的钢种也已成为重要的发展方向之一。

1.2双相不锈钢的分类及使用要求

按化学成分，国内外的双相不锈钢通常可分为低合金型、中合金型、高合金型和超级双相不锈钢型，分别对应于以下4类：

(1)不含Mo经济型双相不锈钢主要成分为23%Cr、4%Ni、0.1%N，如UR35N、SAF23O4双相不锈钢等。经济型双相不锈钢在许多场合下尤其在耐应力腐蚀方面可代替AISI304或316奥氏体不锈钢使用，是费效比最好的不锈钢钢种，抗点蚀当量PREN值为24~25；

(2)标准双相不锈钢主要成分为22%Cr、5%Ni、3%Mo、0.17%N，为了改善在富含氯化物酸性介质中的耐蚀性能抗点蚀当量PREN值为29~36，取代奥氏体不锈钢317L、317LN等；

(3)高级双相不锈钢主要成分为25%Cr，并添加了不同含量的合金元素Mo、W、Cu、N。抗点蚀当量PREN值为35~39，如双相不锈钢UR52N、DP3，这类钢的耐蚀性能高于22%Cr的双相不锈钢；

(4)超级双相不锈钢（超级型）抗点蚀当量PREN≥40的超级双相不锈钢，主要成分有25%Cr，6.8%Ni，3.7%Mo，0.27%N，添加或者不添加Cu或W，如UR52N，SAF2507，DP-3W等。针对海洋、化工和石油工程设计，可适用于苛刻的介质条件中，具有良好的耐蚀与力学综合性能，与超级奥氏体不锈钢可相媲美[4]。

基于双相不锈钢的上述性质故使用过程重要注意以下几点。

1.需要对相比例进行控制，最合适的比例是铁素体相和奥氏体相约各占一半，其中某一相的数量最多不能超过65%，这样才能保证有最佳的综合性能。

2.需要掌握双相不锈钢的组织转变规律，熟悉DSS钢种的TTT和CCT转变曲线，这是正确指导制定双相不锈钢热处理，热成型等工艺的关键，双相不锈钢脆性相的析出要比奥氏体不锈钢敏感的多。

3双相不锈钢的连续使用温度范围为-50～250℃，下限取决于其脆性转变温度，上限受到475℃脆性的限制，上限温度不能超过300℃。

4.双相不锈钢固溶处理后需要快冷，缓慢冷却会引起脆性相的析出，从而导致钢的韧性，特别是耐局部腐蚀性能的下降。

5.高铬钼双相不锈钢的热加工与热成型的下限温度不能低于950℃，超级双相不锈钢不能低于980℃低铬钼双相不锈钢不能低于900℃，避免因脆性相的析出在加工过程造成表面裂纹[5]。

2课题背景及开展研究的意义

2.1课题背景

双相不锈钢冶炼质量要求高，价格较贵，产量不高。但是经过了几十年的研制和开发，随着新产品和新工艺的快速发展，尤其是当代超低C含N双相不锈钢克服了焊接方面的一些问题，结合双相不锈钢所具有的耐局部腐蚀和综合力学性能好的一些优点，为焊接结构材料大量推广和应用创造了条件。近10年市场销售量增加很快，加之随着超级双相不锈钢的步入市场，扩大了在一些苛刻介质中的应用，使双相不锈钢的应用范围不断拓展，已在化工，陆上和海上油气工程，纸浆和造纸，能源，运输业，军事，制药和食品工业以及建筑业等工业领域赢得了一席之地，大多数用来制造反应容器，各种工业设备和输送管道等。大多数的应用中，双相不锈钢被认为是具有成本效益的材料，填补了普通奥氏体不锈钢如316和高合金奥氏体不锈钢之间的空白。

双相不锈钢品种中使用量最大的是2205双相不锈钢，它具有良好的韧性，强度和焊接性能，其优良的耐中性氯化物应力腐蚀性能远远超过18-8型不锈钢，并具有良好的抗孔蚀和抗缝隙腐蚀能力，屈服强度是304型不锈钢的两倍。该类钢中的含Ni量仅为18-8型不锈钢的一半，解决了世界上用Ni资源的不足[6]。

对于2205双相不锈钢工艺流程为：EF化钢→AOD精炼→模铸→开坯→板坯修磨→中板热轧→热处理酸洗→包装.国外厂家一般采用“AOD精炼一连铸一炉卷轧制”工艺。太钢采用“AOD精炼一模铸一初轧开坯一中板轧制”工艺。与国外工艺相比，主要难点是AOD炉内氮的精确控制和热加工工艺[7]。开始研制时初轧坯开裂，表面质量较差，影响成品中板的表面质量和成材率。通过控制成分及改善钢的质量和执行合理的热加工工艺，取得了良好的生产效果[8]。2205双相不锈钢中，N的含量大大高于普通不锈钢，故精炼时要采取合适的N合金化冶炼工艺，严格控制工艺参数，提高N的百分含量。同时也要严格控制Cr和Ni的含量，确保钢中铁索体和奥氏体的比例，保障最终材料的力学性能。双相不锈钢由于为铁素体和奥氏体的双相结构，高温下铁素体和奥氏体的热塑不一致，导致轧制时产生开裂，从而影响板材的表面质量和成材率，因此需执行合理的轧制工艺[9]。

由于2205DSS在中国克拉2气田工程中已经得到了比较成功的应用，其供应厂家大部分还来自于国外例如瑞典AVESTA，德国BUTTING、EEW以及美国的CUSYOMALLOYCORP公司，化学成分的精确掌握程度摘录在AVESTA公司的实验数据，见表1，通过比较得出：从表中可以看出其C，Si，Mn，S含量明显低于国内的要求，式样的成分差距很小控制稳定，而且N含量较高。由于高合金元素的加入使得2205双相不锈钢不存在明显的475℃析出相，而在850℃存在析出相，并且在较短的时间（大概两分钟）就有明显的析出相[8]。

表1AVESTA公司对2205DSS化学组成的热分析(wt%)[11]

金属

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Mo

N

A

0.014

0.45

1.49

0.023

0.001

22.2

5.8

2.99

0.17

B

0.018

0.42

1.48

0.022

0.001

21.9

5.6

2.95

0.16

C

0.017

0.45

1.41

0.021

0.001

21.6

5.8

2.99

0.19

D

0.012

0.42

1.40

0.029

0.003

22.1

5.6

3.28

0.16

2.2开展研究的意义

2205双相不锈钢（也称22Cr双相不锈钢），其主要的化学成分为Cr（约22%wt），Ni(约5%wt)，Mo（约3%wt）和N（约0.15%wt）其旧牌号为00Cr22Ni5Mo3N，新牌号为022Cr22Ni5Mo3N，化学成分见表2。在正常的交货状态(即固溶状态)下其显微组织为50%铁素体和50%奥氏体两相组织。由于化学成分和显微组织的特点，2205双相不锈钢是一种具有优良机械性能和抗腐蚀性能的钢种，国外从20世纪80年代开始在工程中大量应用，取得了良好的应用效果，各国牌号见表3。我国从20世纪90年代开始应用，其用量在逐年增加。

表2:2205双相不锈钢的化学成分

钢号

C≤

Mn≤

Si≤

S≤

P≤

Cr

Ni

Mo

N

00Cr22Ni5Mo3N

0.03

2.00

1.0

0.02

0.03

21.0/23.0

4.50/6.50

2.50/3.50

0.08/0.20

表3：2205双相不锈钢相应牌号对照

Sandvick

UNS

DIN

SS

AFNOR

EN

SAF2205

S31803/S32205

W-Ni.1.4462

2377

UR45N、UR45N+

1.4462

2205双相不锈钢虽然是一种性能良好的结构材料，但是，不当的热处理，焊接等热加工过程，会产生有损性的析出相，另外该材料的组织，力学性能和耐腐蚀等性能特点不同于一般的奥氏体不锈钢，只有掌握这些性能特点才能保障材料合理，安全的使用[12]。

对大部分人员来说，2205双相不锈钢是一种新型材料。从公开的文献可以看出，国内许多工程设备制造在焊接材料选择和工艺参数指定，腐蚀方法选择和性能评价等方面还存在着许多不尽完善之处，部分技术人员对该材料的有害析出相和相比例没有足够的认识，对其应用技术缺乏必要的技术储备，影响了该材料的安全合理的使用。通过查得文献可知道：退火温度对2205双相不锈钢的力学性能有重要影响，两个主要因素为组织再结晶完全程度和两相组织转变。当退火温度在900~1050℃时，随着退火温度的提高，组织的再结晶起主导作用，因而钢的强度逐渐下降；当退火温度在1050~1150℃时，随着退火温度的提高，两相组织转变起主导作用，因而钢的强度逐渐增加。总的来讲，当退火温度在1000~1100℃时，2205双相不锈钢的力学性能变化较小[13]。

3研究内容、预期目标和研究方法

3.1研究内容

退火酸洗工艺对2205双相不锈钢的相组成及力学性能的影响

主要针对2205双相不锈钢再结晶规律进行研究总结，和不同退火工艺（退火温度，退火时间）对相组成的影响

3.2预期目标

1）确定2205双相不锈钢的再结晶温度；

2）确定该钢种最适合的退火，酸洗工艺；

3）确定不同工艺下不锈钢的相组成。

3.3研究方法

3.3.12205双相不锈钢再结晶温度的测定

由Fe-Cr相图（图1），Fe-Cr-Ni650℃三元相图（图2），结合Cr，Mo为封闭γ相区的元素，并且使得转变奥氏体转变温度升高以及各个生产厂家的生产工艺可知2205双相不锈钢主要的退火温度区间在950~1150℃之间，所以确定在850℃以上测定2205双相不锈钢的再结晶温度区间，方法如下。

测定方法一：测定2205双相不锈钢的等温转变曲线（TTT曲线）

按照国家标准GB5057-85、GB5058-85，按图3所示将原料加工成Φ4×10的圆柱试样3个，磨掉试样表面的氧化层并清洁处理。在热膨胀仪上进行TTT曲线的实验，实验步骤为：先以20℃/s加热至1250℃，并保温5min，使合金元素充分溶解，再以5℃/s冷至不同的变形温度（850℃、890℃、930℃、980℃、1000℃、1030℃、1050℃、1060℃、1070℃、1080℃、1090℃、1100℃、1130℃、1150℃、1170℃

1210℃、1250℃），每一温度下进行测试并绘制出TTT曲线，从而确定再结晶温度。

图1Fe-Cr相图[14]

图2Fe-Cr-Ni900℃三元相图

图3实验样品形状Φ4×10

测定方法二：采用硬度法(Hv)测定保温1h后的软化曲线,

在Gleeble-1500热模拟试验机。将Φ8×15尺寸的式样先以20℃/s加热至1250℃，并保温5min，使合金元素充分溶解，再以5℃/s冷至不同的温度（850℃、890℃、930℃、980℃、1000℃、1030℃、1050℃、1060℃、1070℃、1080℃、1090℃、1100℃、1130℃、1150℃、1170℃、1210℃。1250℃），每个温度式样一个共17个，在上述温度下保温2小时，进行急速冷却，测定最终的硬度，绘制出硬度温度软化曲线，从而确定再结温度[15]。

3.3.2实验材料及热处理工艺

实验材料为2205双相不锈钢板材，实验尺寸为10*mm10mm*10mm，数量30+5（备用）=35个，其化学成分见表3，固溶处理工艺为将30样品(每个温度下样品3个)分别加热950℃,980℃,1000℃,1020℃,1050℃,1070℃,1100℃,1120℃,1150℃,1170℃,保温二小时，将30个不同温度的样品进行水冷，所有热处理均在箱式电阻炉中进行热处理，将经过热处理的实验进行打磨抛光。并在80~90℃的Murakami溶液(30gKOH+30gK3Fe(CN)6+10mlH2O)中浸蚀，浸蚀时间为2~6分钟，制备好的金相式样在QantLaB金相分析系统上进行观察和定量分析，同时在显微硬度测试测定不同固溶处理后组成相的显微硬度[16]。

3.3.3显微硬度测试

将经过不同温度固溶处理后的样品用显微硬度计测试表面的硬度，并绘制曲线。通过此曲线来分析在不同温度下固溶能得到的产品的硬度。

3.3.4α相与γ相含量的测定

通过对显微组织的观察和测定确定在各个温度固溶下的样品中α相与γ相的所占比例，从而得到两相比例相接近的固溶温度，为选择退火工艺做好准备[17]。

3.3.5不同温度下相转变机制 观察通过固溶侵蚀后的样品的金相组织来分析，850~1250℃的组织转变规律，得出相应的结论

3.3.6实验结果的分析

通过对α、γ两相的含量的测定，组织形貌的观察分析以及不同固溶温度下显微硬度的测定等试验结果对不同热处理工艺进行分析，最终确定2205DSS适合的热处理工艺。

4进度安排

第五周进行2205DSS的TTT曲线测定以及硬度软化曲线的测定，绘制出曲线并确定再结晶温度。

第六周对再结晶温度区间的样品进行固溶处理。

第七、八周打磨抛光急速冷却样品和固溶样品，并得出各个样品的金相组织。

第九、十周对样品的显微硬度和α相含量进行测定，提交中期报告。

第十一、十二周对实验结果进行分析总结归纳，得出相应的结论。

第十三到十六周提取适合2205DSS的热处理工艺，书写毕业设计报告并准备答辩。

参考文献

索科尔著，李丕钟，王欣增译.双相不锈钢.北京：原子能出版社，1979

霍春勇，李为卫，熊庆人等编著.2205双相不锈钢.陕西：陕西科学技术出版社，2006.14~21

赵科巍.2205双相不锈钢的高温变形过程及其机理研究：学位论文.甘肃：兰州理工大学材料加工工程系，2010

陆世英，不锈钢．北京：原子能出版社，1995

国内外双相不锈钢材料和应用的发展.东北特钢，2010.3,8

高娃，罗建民，杨建君等.双相不锈钢的研究进展及其应用，兵器材料科学与工程，2005，(3)：61~64

王一德，李国平，王立新等.00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢板材的生产工艺，工艺技术，2001，10，22（5）：36~37

魏振宇，吴玖.双