1引言

    鋼鐵工業作為我國國民經濟的支柱產業近年來得到迅猛發展，但日益突出的高能耗、高污染、低效益、資源匱乏和環境負荷重等嚴峻問題正威脅著鋼鐵工業產業鏈的安全。然而擺脫當前困境的唯一出路就是向“低消耗高品質”（即資源能源節約型、環境友好型、低成本、高性能）ECO生產方式的轉變。只有大力開發節省能源資源、減少環境污染、增加循環利用、實現環境友好的新一代鋼鐵生產工藝流程，才能保障我國鋼鐵工業的可持續發展。為此，鋼鐵共性技術協同創新中心“先進短流程熱軋工藝與裝備技術”方向圍繞高強韌節約型不銹鋼的制備工藝技術開展了系統的研究工作。

    2研發背景

    近年來，高強韌、節約型不銹鋼成為研究熱點，以期取代較高Ni含量的奧氏體不銹鋼如SUS304等。為調控奧氏體穩定性和保證奧氏體含量，提出了以“Mn+N”代Ni的合金化設計思路，通過控制鋼材層錯能，在變形過程中可獲得“γ→ε-馬氏體→α′-馬氏體”的TRIP效應，綜合提高鋼材的強度和延伸率。常規雙相不銹鋼的鎳含量為4wt%-7wt%，而節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的合金設計，其強塑性和耐腐蝕性能也大幅度改善。國內外學者在這方面已經展開了大量研究工作，日本的Fujisawa等、德國的Raabe等以及韓國的Park等相繼開發出含Cr量為20%的系列節約型雙相不銹鋼，通過Mn、C、N等元素來調節奧氏體的穩定性，使其在變形過程中可以發生馬氏體轉變而產生TRIP效應，綜合改善不銹鋼的強度及塑性。

    圖1示出的是新型汽車結構用鋼的發展趨勢。新一代汽車用鋼除要求具備高強度、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。歐盟開展了汽車結構用不銹鋼研發計劃（“NextGeneration Vehicle”），用于開發高強韌汽車結構用不銹鋼，奧托昆普生產的汽車用不銹鋼已在不同車型上有商業化應用。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，未能大范圍推廣應用。

    高強韌節約型不銹鋼以其高強塑性、高耐蝕性及低成本的多重優勢有望成為“量大面廣”的不銹鋼新品種而在國民經濟建設中起到越來越重要的作用，是不銹鋼產業未來的主要發展趨勢之一。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氣孔缺陷，嚴重降低了節約型雙相不銹鋼的成材率。另外，與常規雙相不銹鋼相比，節約型雙相不銹鋼因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，因而熱變形過程中兩相的變形協調性更差，熱變形過程中更易發生開裂，是阻礙大規模工業化生產的主要障礙。因此，熱加工成形是制約其能否成功生產的關鍵因素,   特別是寬/薄規格、無缺陷的熱連軋卷板的生產一直是一個世界性技術挑戰。為了更好地解決冶煉澆鑄過程中的氣孔缺陷以及熱軋邊裂的問題，嘗試將薄帶連鑄技術應用到節約型雙相不銹鋼的生產中，以期實現高強韌節約型雙相不銹鋼的近終成形制備，提高其成材率及生產效率。

    3國內外研究進展

    3.1國際發展現狀

    近年來，韓國浦項鋼鐵公司為了應對不銹鋼行業整體持續低迷的頹勢，利用雙輥薄帶連鑄技術（PoStrip），生產出了節約型雙相不銹鋼產品（PosSD）。該產品具備與SUS 304不銹鋼相當的耐腐蝕性和成形性，但Ni含量為0.5%-1.5%，經濟性則更勝一籌。表1示出的是PosSD的化學成分和力學性能。這種產品可用于建筑、管道、車輛等多個領域，擁有廣闊的應用前景。如果用于鐵道車輛，材料的屈服強度和抗拉強度指標優異，還可以將車身重量減輕7%左右。這種產品的成形性和耐腐蝕性與普通不銹鋼相當，但大幅降低了鎳、鉬等合金元素含量，成本競爭力非常突出。目前，PosSD已在韓國工業標準（KS）取得STS329FLD認證，在美國材料與試驗協會ASTM取得S82013認證，去年榮獲了國際鋼協頒發的“年度創新獎”。由于Ni含量的降低，受金屬鎳價格波動的影響也相對較小，具備在未來取代SUS 304的可能性。

    表1 韓國浦項PosSD的化學成分和力學性能

    3.2國內發展現狀

    東北大學鋼鐵共性技術協同創新中心發明了薄帶連鑄制備節約型雙相不銹鋼（Fe-19Cr-6Mn-0.4N）的原型技術和產品。所設計的錳氮合金化節約型高強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，根據經驗，當氮含量超過0.2%時在雙相不銹鋼的鑄坯中就極易出現氣孔和縮孔缺陷，采用雙輥薄帶連鑄技術可以很好地解決該類缺陷，提高成材率。一方面，在薄帶連鑄過程中，亞快速凝固能夠保證快速通過鐵素體單相區，進入雙相區由于奧氏體相固溶氮的能力較強，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結晶輥排放到外部，消除氣孔和縮孔缺陷。采用雙輥薄帶連鑄技術生產高氮高性能節約型雙相不銹鋼薄帶，簡化熱軋工藝，避免常規工藝中熱軋時因雙相不銹鋼熱塑性差而造成的邊裂缺陷，減小軋制難度，可以快速達到薄規格，減少甚至消除邊裂缺陷。圖2示出的是常規熱軋和薄帶連鑄制備的節約型高強韌不銹鋼產品對比。

    該新型的節約型高強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可以細化初始凝固組織，有利于在后續工藝中細化晶粒，獲得更加優良的性能；亞快速凝固效應還可以抑制合金元素的偏析，使合金元素經過簡單的固溶退火工藝后可以實現均勻分布。經過后續的1-2道次熱軋-冷軋-固溶退火后，可以獲得無邊裂、表面質量良好的0.4mm厚薄板。由于采用薄帶連鑄技術可以消除氣孔及邊裂缺陷，大大提高了節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。

    與國外同類專利鋼種相比，不僅完全取消貴金屬鎳，而且使點蝕電位較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，其電化學極化曲線如圖4所示。同時，通過合理的合金化設計，將鋼材的層錯能控制在20mJ/m2以下，從而使鋼中的奧氏體相處于亞穩定狀態，在變形過程中產生形變誘導馬氏體相變，從而利用TRIP效應來綜合提高鋼材的強塑性。圖5示出的是新型的節約型高強韌不銹鋼Fe-19Cr-6Mn-0.4N的拉伸曲線，其抗拉強度可以達到1000MPa以上、均勻延伸率達到62%（強塑積達到62000MPa%）。圖6示出的是其加工硬化速率曲線和塑性變形過程中奧氏體含量的變化，在變形過程中發生了明顯的TRIP效應。變形過程中，亞穩奧氏體向馬氏體的轉變使局部強度提高，難以繼續變形，導致變形向未發生馬氏體相變的其他部位轉移，形變誘導馬氏體不斷產生并且數量隨真應變量的增加而增加，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韌不銹鋼發生塑性變形后的顯微組織。拉伸變形過程中，鋼中亞穩奧氏體發生了馬氏體轉變，其轉變機制遵循“γ→ε-馬氏體→α′-馬氏體”，大大改善了其強韌性。

    該成果已在Metallurgical and Materials Transactions A 雜志上發表，審稿專家認為這是一個非常令人關注的發現，而且是一種有競爭優勢的高強韌雙相不銹鋼制備方法，對未來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應用前景展望

    雖然關于節約型高強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勢已經顯露出來，發展前景相當可觀。我國與世界雙相不銹鋼生產強國相比，還存在較大差距，不論是生產技術還是新產品的開發速度都相對落后。因此，需要加快節約型高強韌不銹鋼的開發及產業推廣，使我國鋼鐵材料向“資源節約、性能優良、持續發展”的方向邁出一大步。我國不銹鋼在汽車領域的應用還很少。在德國和意大利等歐洲國家，經過20多年試驗，目前80%的大型客車使用全不銹鋼構件。以全生命周期計算，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資源與環境造成的負擔。因此，用不銹鋼板取代鍍鋅板，既能使汽車用鋼長壽命化，又能使汽車產業可持續發展。我國汽車產量大，需求足，如果能將節約型雙相不銹鋼在汽車領域推廣，用來替代部分鍍鋅板及先進高強鋼，可以大大提高汽車使用的安全系數及生命周期。

    采用薄帶連鑄技術來生產節約型高強韌不銹鋼，可以取消或大大簡化熱軋過程，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約型高強韌雙相不銹鋼未來不僅會替代SUS304奧氏體不銹鋼，也可以作為高強結構件，替代部分鍍鋅板及先進高強鋼，在核電、石化、鐵路交通及汽車結構等領域得到廣泛的應用。

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責任編輯：王元

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