1引言

    鋼鐵工業(yè)作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)近年來(lái)得到迅猛發(fā)展，但日益突出的高能耗、高污染、低效益、資源匱乏和環(huán)境負(fù)荷重等嚴(yán)峻問(wèn)題正威脅著鋼鐵工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的安全。然而擺脫當(dāng)前困境的唯一出路就是向“低消耗高品質(zhì)”（即資源能源節(jié)約型、環(huán)境友好型、低成本、高性能）ECO生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變。只有大力開(kāi)發(fā)節(jié)省能源資源、減少環(huán)境污染、增加循環(huán)利用、實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好的新一代鋼鐵生產(chǎn)工藝流程，才能保障我國(guó)鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。為此，鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心“先進(jìn)短流程熱軋工藝與裝備技術(shù)”方向圍繞高強(qiáng)韌節(jié)約型不銹鋼的制備工藝技術(shù)開(kāi)展了系統(tǒng)的研究工作。

    2研發(fā)背景

    近年來(lái)，高強(qiáng)韌、節(jié)約型不銹鋼成為研究熱點(diǎn)，以期取代較高Ni含量的奧氏體不銹鋼如SUS304等。為調(diào)控奧氏體穩(wěn)定性和保證奧氏體含量，提出了以“Mn+N”代Ni的合金化設(shè)計(jì)思路，通過(guò)控制鋼材層錯(cuò)能，在變形過(guò)程中可獲得“γ→ε-馬氏體→α′-馬氏體”的TRIP效應(yīng)，綜合提高鋼材的強(qiáng)度和延伸率。常規(guī)雙相不銹鋼的鎳含量為4wt%-7wt%，而節(jié)約型雙相不銹鋼的鎳含量則降低至1.5wt%以下，而且由于采用了“Mn+N”代Ni的合金設(shè)計(jì)，其強(qiáng)塑性和耐腐蝕性能也大幅度改善。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面已經(jīng)展開(kāi)了大量研究工作，日本的Fujisawa等、德國(guó)的Raabe等以及韓國(guó)的Park等相繼開(kāi)發(fā)出含Cr量為20%的系列節(jié)約型雙相不銹鋼，通過(guò)Mn、C、N等元素來(lái)調(diào)節(jié)奧氏體的穩(wěn)定性，使其在變形過(guò)程中可以發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生TRIP效應(yīng)，綜合改善不銹鋼的強(qiáng)度及塑性。

    圖1示出的是新型汽車結(jié)構(gòu)用鋼的發(fā)展趨勢(shì)。新一代汽車用鋼除要求具備高強(qiáng)度、高韌性外，還要求具有更高的耐腐蝕性能，以替代熱鍍鋅鋼板并提高汽車用鋼的使用壽命和可回收性。歐盟開(kāi)展了汽車結(jié)構(gòu)用不銹鋼研發(fā)計(jì)劃（“NextGeneration Vehicle”），用于開(kāi)發(fā)高強(qiáng)韌汽車結(jié)構(gòu)用不銹鋼，奧托昆普生產(chǎn)的汽車用不銹鋼已在不同車型上有商業(yè)化應(yīng)用。但是，這些不銹鋼基本以含鎳量較高的奧氏體不銹鋼為主，價(jià)格較高且性能富裕量偏大，因此基本僅限于豪華車型，未能大范圍推廣應(yīng)用。

    高強(qiáng)韌節(jié)約型不銹鋼以其高強(qiáng)塑性、高耐蝕性及低成本的多重優(yōu)勢(shì)有望成為“量大面廣”的不銹鋼新品種而在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起到越來(lái)越重要的作用，是不銹鋼產(chǎn)業(yè)未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。然而，以錳、氮代鎳，由于氮含量的提高，在連鑄坯的制備中也容易出現(xiàn)氣孔缺陷，嚴(yán)重降低了節(jié)約型雙相不銹鋼的成材率。另外，與常規(guī)雙相不銹鋼相比，節(jié)約型雙相不銹鋼因N含量更高且Mo元素含量更低，高溫奧氏體固溶的間隙原子含量升高而具有更高的硬度，而高溫鐵素體中合金元素含量降低使高溫硬度降低，因而熱變形過(guò)程中兩相的變形協(xié)調(diào)性更差，熱變形過(guò)程中更易發(fā)生開(kāi)裂，是阻礙大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的主要障礙。因此，熱加工成形是制約其能否成功生產(chǎn)的關(guān)鍵因素,   特別是寬/薄規(guī)格、無(wú)缺陷的熱連軋卷板的生產(chǎn)一直是一個(gè)世界性技術(shù)挑戰(zhàn)。為了更好地解決冶煉澆鑄過(guò)程中的氣孔缺陷以及熱軋邊裂的問(wèn)題，嘗試將薄帶連鑄技術(shù)應(yīng)用到節(jié)約型雙相不銹鋼的生產(chǎn)中，以期實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)韌節(jié)約型雙相不銹鋼的近終成形制備，提高其成材率及生產(chǎn)效率。

    3國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

    3.1國(guó)際發(fā)展現(xiàn)狀

    近年來(lái)，韓國(guó)浦項(xiàng)鋼鐵公司為了應(yīng)對(duì)不銹鋼行業(yè)整體持續(xù)低迷的頹勢(shì)，利用雙輥薄帶連鑄技術(shù)（PoStrip），生產(chǎn)出了節(jié)約型雙相不銹鋼產(chǎn)品（PosSD）。該產(chǎn)品具備與SUS 304不銹鋼相當(dāng)?shù)哪透g性和成形性，但Ni含量為0.5%-1.5%，經(jīng)濟(jì)性則更勝一籌。表1示出的是PosSD的化學(xué)成分和力學(xué)性能。這種產(chǎn)品可用于建筑、管道、車輛等多個(gè)領(lǐng)域，擁有廣闊的應(yīng)用前景。如果用于鐵道車輛，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度指標(biāo)優(yōu)異，還可以將車身重量減輕7%左右。這種產(chǎn)品的成形性和耐腐蝕性與普通不銹鋼相當(dāng)，但大幅降低了鎳、鉬等合金元素含量，成本競(jìng)爭(zhēng)力非常突出。目前，PosSD已在韓國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（KS）取得STS329FLD認(rèn)證，在美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM取得S82013認(rèn)證，去年榮獲了國(guó)際鋼協(xié)頒發(fā)的“年度創(chuàng)新獎(jiǎng)”。由于Ni含量的降低，受金屬鎳價(jià)格波動(dòng)的影響也相對(duì)較小，具備在未來(lái)取代SUS 304的可能性。

    表1 韓國(guó)浦項(xiàng)PosSD的化學(xué)成分和力學(xué)性能

    3.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

    東北大學(xué)鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心發(fā)明了薄帶連鑄制備節(jié)約型雙相不銹鋼（Fe-19Cr-6Mn-0.4N）的原型技術(shù)和產(chǎn)品。所設(shè)計(jì)的錳氮合金化節(jié)約型高強(qiáng)韌雙相不銹鋼含有較高的氮含量（≥0.3%），而氮在鐵素體相中的溶解度很低，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)?shù)砍^(guò)0.2%時(shí)在雙相不銹鋼的鑄坯中就極易出現(xiàn)氣孔和縮孔缺陷，采用雙輥薄帶連鑄技術(shù)可以很好地解決該類缺陷，提高成材率。一方面，在薄帶連鑄過(guò)程中，亞快速凝固能夠保證快速通過(guò)鐵素體單相區(qū)，進(jìn)入雙相區(qū)由于奧氏體相固溶氮的能力較強(qiáng)，能夠保證氮的快速吸收；另一方面，超出氮的飽和溶解度極限的部分可以通過(guò)結(jié)晶輥排放到外部，消除氣孔和縮孔缺陷。采用雙輥薄帶連鑄技術(shù)生產(chǎn)高氮高性能節(jié)約型雙相不銹鋼薄帶，簡(jiǎn)化熱軋工藝，避免常規(guī)工藝中熱軋時(shí)因雙相不銹鋼熱塑性差而造成的邊裂缺陷，減小軋制難度，可以快速達(dá)到薄規(guī)格，減少甚至消除邊裂缺陷。圖2示出的是常規(guī)熱軋和薄帶連鑄制備的節(jié)約型高強(qiáng)韌不銹鋼產(chǎn)品對(duì)比。

    該新型的節(jié)約型高強(qiáng)韌雙相不銹鋼不同工藝階段的顯微組織如圖3所示。利用雙輥薄帶連鑄亞快速凝固效應(yīng)可以細(xì)化初始凝固組織，有利于在后續(xù)工藝中細(xì)化晶粒，獲得更加優(yōu)良的性能；亞快速凝固效應(yīng)還可以抑制合金元素的偏析，使合金元素經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的固溶退火工藝后可以實(shí)現(xiàn)均勻分布。經(jīng)過(guò)后續(xù)的1-2道次熱軋-冷軋-固溶退火后，可以獲得無(wú)邊裂、表面質(zhì)量良好的0.4mm厚薄板。由于采用薄帶連鑄技術(shù)可以消除氣孔及邊裂缺陷，大大提高了節(jié)約型雙相不銹鋼的成材率并降低了工藝成本，與SUS304奧氏體不銹鋼相比，噸鋼原料成本降低約6000元。

    與國(guó)外同類專利鋼種相比，不僅完全取消貴金屬鎳，而且使點(diǎn)蝕電位較SUS304奧氏體不銹鋼提高了20%-25%，起到了以N代Mo的耐腐蝕作用，其電化學(xué)極化曲線如圖4所示。同時(shí)，通過(guò)合理的合金化設(shè)計(jì)，將鋼材的層錯(cuò)能控制在20mJ/m2以下，從而使鋼中的奧氏體相處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，在變形過(guò)程中產(chǎn)生形變誘導(dǎo)馬氏體相變，從而利用TRIP效應(yīng)來(lái)綜合提高鋼材的強(qiáng)塑性。圖5示出的是新型的節(jié)約型高強(qiáng)韌不銹鋼Fe-19Cr-6Mn-0.4N的拉伸曲線，其抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1000MPa以上、均勻延伸率達(dá)到62%（強(qiáng)塑積達(dá)到62000MPa%）。圖6示出的是其加工硬化速率曲線和塑性變形過(guò)程中奧氏體含量的變化，在變形過(guò)程中發(fā)生了明顯的TRIP效應(yīng)。變形過(guò)程中，亞穩(wěn)奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變使局部強(qiáng)度提高，難以繼續(xù)變形，導(dǎo)致變形向未發(fā)生馬氏體相變的其他部位轉(zhuǎn)移，形變誘導(dǎo)馬氏體不斷產(chǎn)生并且數(shù)量隨真應(yīng)變量的增加而增加，推遲了頸縮的形成，獲得了更高的加工硬化速率及均勻延伸率。圖7示出的是該新型高強(qiáng)韌不銹鋼發(fā)生塑性變形后的顯微組織。拉伸變形過(guò)程中，鋼中亞穩(wěn)奧氏體發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變機(jī)制遵循“γ→ε-馬氏體→α′-馬氏體”，大大改善了其強(qiáng)韌性。

    該成果已在Metallurgical and Materials Transactions A 雜志上發(fā)表，審稿專家認(rèn)為這是一個(gè)非常令人關(guān)注的發(fā)現(xiàn)，而且是一種有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的高強(qiáng)韌雙相不銹鋼制備方法，對(duì)未來(lái)雙相不銹鋼的制備成形很有啟示作用（A very interesting finding. A potentially competitive manufacturing method for production of high strength and ductility duplex stainless steel. This will be quite helpful for DSS fabrication in the future.——MMTA）。

    4應(yīng)用前景展望

    雖然關(guān)于節(jié)約型高強(qiáng)韌雙相不銹鋼的薄帶連鑄制備的研究工作還較少，但是在制備這種熱塑性差的合金薄帶方面的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)顯露出來(lái)，發(fā)展前景相當(dāng)可觀。我國(guó)與世界雙相不銹鋼生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)相比，還存在較大差距，不論是生產(chǎn)技術(shù)還是新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度都相對(duì)落后。因此，需要加快節(jié)約型高強(qiáng)韌不銹鋼的開(kāi)發(fā)及產(chǎn)業(yè)推廣，使我國(guó)鋼鐵材料向“資源節(jié)約、性能優(yōu)良、持續(xù)發(fā)展”的方向邁出一大步。我國(guó)不銹鋼在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用還很少。在德國(guó)和意大利等歐洲國(guó)家，經(jīng)過(guò)20多年試驗(yàn)，目前80%的大型客車使用全不銹鋼構(gòu)件。以全生命周期計(jì)算，全不銹鋼客車的成本比普通客車低約20%且可100%回收，避免了表面涂鍍和鋅塵污染等對(duì)資源與環(huán)境造成的負(fù)擔(dān)。因此，用不銹鋼板取代鍍鋅板，既能使汽車用鋼長(zhǎng)壽命化，又能使汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)汽車產(chǎn)量大，需求足，如果能將節(jié)約型雙相不銹鋼在汽車領(lǐng)域推廣，用來(lái)替代部分鍍鋅板及先進(jìn)高強(qiáng)鋼，可以大大提高汽車使用的安全系數(shù)及生命周期。

    采用薄帶連鑄技術(shù)來(lái)生產(chǎn)節(jié)約型高強(qiáng)韌不銹鋼，可以取消或大大簡(jiǎn)化熱軋過(guò)程，降低能源消耗，是一種低能耗、綠色的制備工藝。利用薄帶連鑄制備的節(jié)約型高強(qiáng)韌雙相不銹鋼未來(lái)不僅會(huì)替代SUS304奧氏體不銹鋼，也可以作為高強(qiáng)結(jié)構(gòu)件，替代部分鍍鋅板及先進(jìn)高強(qiáng)鋼，在核電、石化、鐵路交通及汽車結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

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責(zé)任編輯：王元

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