2507雙相不銹鋼高溫物理性能研究

周士凱，胡 中，曾 晶，呂 明，田 川，王 蓉

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018；2.廣西柳鋼中金不銹鋼有限公司，廣西 玉林 537600；3.西安建筑科技大學，陜西 西安 710055)

雙相不銹鋼指鐵素體與奧氏體的質量分數各約占50%，一般較少相的質量分數最少也需要達到30%的不銹鋼。在含C較低情況下，Cr的質量分數在18%～28%，Ni的質量分數在3%～10%。有些鋼還含有Mo、Cu、Nb、Ti、N等合金元素。該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點[1-3]，與鐵素體不銹鋼相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時還保持了鐵素體不銹鋼的475 ℃脆性、導熱系數高和超塑性等特點[4-6]。與奧氏體不銹鋼相比，強度高且耐晶間腐蝕和氯化物應力腐蝕有明顯提高[7-9]。雙相不銹鋼具有優良的耐孔蝕性能，也是一種節鎳不銹鋼，已廣泛應用于石化、化工、海洋等領域[10-12]。本文采用德國NETZSCH STA 449F5綜合熱分析儀、德國NETZSCH DIL 402C熱膨脹分析儀、德國林賽斯LFA1000激光導熱儀和Gleeble-3500熱/力模擬試驗機分別對2507雙相不銹鋼進行了綜合熱分析試驗、熱膨脹試驗、激光導熱試驗和高溫力學試驗，為連鑄制定相關的參數提供一定的指導。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

對某廠生產的2507雙相不銹鋼鑄坯進行高溫熱物性測試，材料的化學成分組成如表1所示。

1.2 綜合熱分析試驗

本試驗采用德國NETZSCH 449 F5綜合熱分析儀，測試了2507雙相不銹鋼的差示掃描量熱(differential scanning calorimeter，DSC)曲線和定壓熱容(Cp)隨溫度的變化規律。

DSC試驗中，采用剛玉坩堝，樣品質量在15～20 mg之間。升溫時，速率為20 K/min，將試驗材料由室溫升至1 500 ℃，降溫時則以10 K/min的速率降至700 ℃。

定壓熱容(Cp)測試時，采用帶氧化鋁內襯的鉑坩堝，試樣質量約為40 mg，測試標準為ASTM E1269。測定時以藍寶石為標樣，由室溫以10 K/min的升溫速率升至1 400 ℃。

1.3 熱膨脹試驗

本試驗采用德國NETZSCH DIL 402C熱膨脹分析儀，測定2507雙相不銹鋼從室溫到1 400 ℃的膨脹與收縮系數。熱膨脹性能的測定主要是考察鋼種在凝固過程中的膨脹和收縮性能。

熱膨脹試驗中，樣品尺寸為Φ6 mm×25 mm。升溫和降溫速率相同，其速率不能太大，本試驗取為10 ℃/min。從室溫升至1 400 ℃左右，保溫1 min，再降溫至200 ℃，得到熱膨脹升溫曲線和降溫曲線。試驗前將Φ6 mm×25 mm Al2O3標樣以相同升溫制度獲得基線，以消除誤差，提高測定結果準確性。

1.4 激光導熱試驗

本試驗采用LFA1000激光導熱儀，通過加熱爐將2507雙相不銹鋼試樣加熱到設定的不同溫度點后，在該溫度點下保持溫度恒定開始激光打點。

本試驗試樣加工成圓片狀，直徑為12.5 mm，厚度d=2 mm。為增加不銹鋼對光能的吸收比及發射率，將不銹鋼圓片的上表面和下表面進行打磨光滑后，利用超聲波清洗干凈，均勻噴石墨。將不銹鋼試樣放到載物盤上后，在其上放置直徑比試樣直徑小的遮光板，來屏蔽試樣邊界與托盤之間的熱量傳遞，只記錄試樣表面中心的溫升。

試驗的升溫速率為5 ℃/min，600～1 150 ℃每50 ℃一溫度點，不銹鋼試樣在每個溫度點下激光打點三次，最后結果取算數平均值。測定過程始終通氦氣進行保護。實驗的真空度為10-5mbar(1 bar=105Pa)。本試驗參考標準為ASTM E1461：Standard Test Method for Thermal Diffusivity of Solids by the Flash Method。

1.5 高溫力學性能試驗

本試驗采用美國DSI公司開發的Gleeble-3500熱/力模擬試驗機進行不銹鋼連鑄坯的高溫拉伸試驗。為減少試樣的高溫氧化以及由熱交換導致的徑向溫度梯度，將一對Ni-Cr熱電偶分別單根點焊在試樣中部表面，套上一個內徑為10.2 mm、長度為30 mm的石英管。采用“半熔化”法測試連鑄坯高溫力學性能，將試樣水平固定在試樣臺上，抽真空后，通入Ar氣流以防止氧化。然后以10 ℃/s的加熱速率將試樣加熱至1 250 ℃并保溫90 s；在加熱過程中，當溫度接近熔點時，改用較緩慢的升溫速率進行加熱，并施加較小的壓縮應力來防止試樣出現孔洞；最后以3 ℃/s的冷卻速率將試樣自熔點降至指定的試驗溫度，并在試驗溫度下保持90 s再進行拉伸試驗。試驗溫度如下所示：700 ℃，750 ℃，800 ℃，850 ℃，900 ℃，950 ℃，1 000 ℃，1 050 ℃，1 100 ℃，1 150 ℃，1 200 ℃，1 225 ℃，1 250 ℃，1 275 ℃，1 300 ℃，1 325 ℃，1 350 ℃。根據連鑄坯的實際生產情況，進行高溫熱模擬試驗時選取的應變速率取值范圍為0.01 s-1。

2 試驗結果及分析

2.1 綜合熱分析試驗結果及分析

2.1.1 DSC曲線結果及分析

圖1為2507不銹鋼的DSC曲線?？梢钥闯?，在升溫過程中，1 420 ℃時試樣存在明顯的吸熱峰，樣品開始吸熱熔化，峰值溫度為1 469.5 ℃，2507不銹鋼在1 469.5 ℃熔化。在降溫過程中，1 440 ℃時試樣存在明顯的放熱峰，試樣開始凝固，峰值溫度為1 446.2 ℃。

圖1 2507雙相不銹鋼DSC曲線降溫

2.1.2Cp曲線結果與分析

圖2所示為2507不銹鋼升溫過程中定壓熱容隨溫度變化的曲線。從圖2可以看出，在升溫過程中，溫度從室溫升至800 ℃，2507不銹鋼的熱容隨溫度升高而緩慢增大。在800～1 100 ℃溫度范圍內，曲線波動較大并出現了峰值，峰值對應溫度為1 024 ℃。隨著溫度繼續升高，在1 281 ℃時曲線發生突變，說明在這一溫度點，物質發生了相變，在這一溫度區間，材料處于不穩定狀態，存在晶型轉變與相變，鋼的脆性較高。

圖2 2507不銹鋼升溫過程定壓熱容曲線

2.2 熱膨脹試驗結果與分析

圖3所示為2507不銹鋼從室溫至1 400 ℃的線膨脹系數與從1 400 ℃至800 ℃的線收縮系數。從圖中可以看出，2507不銹鋼試樣在升溫過程中，線膨脹系數隨溫度升高而增加，基本呈線性趨勢；降溫過程中的線收縮系數隨溫度降低而減小。升溫過程中，在100～750 ℃溫度之間的平均線膨脹系數為16.606 1×10-6K-1，在750～1 020 ℃之間的平均線膨脹系數為14.916 2×10-6K-1，1 020～1 400 ℃之間的平均線膨脹系數為20.475 1×10-6K-1。在降溫過程中，平均線膨脹系數為-22.690 3×10-6K-1。綜上所述，2507不銹鋼的線膨脹系數較大，會使連鑄坯連鑄過程出現表面凹陷和裂紋等缺陷[13-14]。

圖3 2507不銹鋼熱膨脹與溫度關系曲線

2507不銹鋼的質量分數根據式(1)進行推測。

(1)

在不同溫度下，對于重量固定的不銹鋼塊，其質量m(T)不隨溫度變化。對于V(T)的變化，在認為不銹鋼材料是各向同性的前提下，可以通過材料的熱膨脹率來得到材料體積隨溫度的變化關系，從而獲得質量濃度隨溫度的變化關系ρ(T)。圖4為由熱膨脹曲線修正得到的質量濃度隨溫度變化曲線。從圖中可以看出，2507不銹鋼的質量濃度隨溫度升高而降低。

圖4 2507不銹鋼密度與溫度關系曲線

2.3 激光導熱試驗結果與分析

圖5為2507不銹鋼熱擴散系數隨溫度變化曲線。從圖中可以看出，四組圖線基本重合，2507不銹鋼的熱擴散系數在600～1 150 ℃溫度區間內隨溫度升高而增大，650 ℃時的熱擴散系數為4.08 mm2/s，而1 150 ℃的熱擴散系數為5.10 mm2/s，溫度從650 ℃升至1 150 ℃，2507不銹鋼的熱擴散系數增大了25%。

圖5 2507不銹鋼熱擴散系數與溫度關系曲線

根據導熱系數與熱擴散系數的換算關系[15-16]：

λ(T)=α(T)×ρ(T)×Cp(T)

(2)

可以計算出2507不銹鋼的導熱系數。其中，α為不銹鋼的熱擴散系數(導溫系數)；λ為不銹鋼的導熱系數；Cp為不銹鋼的熱容，ρ為不銹鋼的密度。同步熱分析試驗以得到比熱隨溫度變化曲線如圖2所示，密度由熱膨脹曲線修正得到如圖4所示。

2507不銹鋼的導熱系數與溫度關系曲線如圖6所示。從圖中可以看出，在600～850 ℃溫度區間內，導熱系數隨溫度升高而增大；而在850～900 ℃之間時，導熱系數隨溫度升高而減小，在900 ℃時達到峰谷。溫度升至900 ℃后，導熱系數又隨溫度升高而增大，在1 000 ℃時導熱系數達到最大值34 W/(m·K)。溫度超過1 000 ℃后，曲線呈降低趨勢，導熱系數隨溫度升高而減小。對于2507不銹鋼的連鑄生產而言，二冷區的冷卻水量與鋼的導熱性能有密切關系，導熱系數的研究對制定合理的冷卻制度具有重要的參考價值。

圖6 2507不銹鋼導熱系數曲線

2.4 高溫力學試驗結果與分析

2.4.1 應力-應變曲線與強度

在拉伸試驗過程中，隨著應變的增加，當應力超過抗拉強度時，試樣發生非均勻性塑性變形，橫截面積減小，即出現“頸縮”現象。同樣，試樣在拉伸過程中的長度也不斷增加，但是如果此時的應力求解還是用拉力除以原始橫截面積，應變的求解還是用伸長量除以原始長度，這顯然是不對的。為了消除橫截面積及長度的變化對應力應變的影響，本試驗用真應力-應變曲線來呈現不銹鋼的力學性能。圖7為2505不銹鋼應力應變曲線。

圖7 2505不銹鋼應力-應變曲線

圖8為2507不銹鋼屈服強度和抗拉強度。2507不銹鋼的抗拉強度和屈服強度均隨試驗溫度的升高而不斷降低，表明溫度越高鑄坯的高溫強度越差。在1 050 ℃左右，屈服強度達到第一個低值，約為40 MPa。溫度大于1 200 ℃，屈服強度均小于20 MPa，降低趨勢平緩，表明鑄坯在1 200 ℃之后抵抗外力能力變差，易發生塑性變形。在700～950 ℃內，抗拉強度降低趨勢較快；溫度大于1 200 ℃之后，抗拉強度均小于20 MPa。說明在1 200 ℃以后，鑄坯抵抗外界變形能力變差，容易產生非均勻塑性變形，導致裂紋的產生。

圖8 2507不銹鋼屈服強度和抗拉強度

2.4.2 斷面收縮率

圖9為2507不銹鋼斷面收縮率。從圖9可知，在700～900 ℃，試樣出現第三脆性區，750 ℃時斷面收縮率達到最小，為43%左右。鑄坯裂紋的產生與第三脆性區的出現有非常重要的關系。主要來自兩個方面：一方面為奧氏體晶界脆化，在奧氏體晶界存在Nb(C，N)、AlN等物質的沉積，導致在外力的作用下引起晶界滑動，產生孔洞，造成晶界脆性增加；另一方面為發生γ→α相變，由于鐵素體與奧氏體之間存在強度差別，當奧氏體晶界附近有鐵素體產生時，應力作用下易使晶界發生不均勻變形致使晶界脆化。在1 000～1 200 ℃，試樣的斷面收縮率均大于60%，塑性較好，屬于高溫塑性區。

圖9 2507不銹鋼斷面收縮率

3 結論

通過試驗所得的液固相溫度、Cp曲線、熱膨脹系數、熱擴散系數和導熱系數等高溫物理性能參數可以應用到不銹鋼的連鑄生產中，為制定合理的冷卻制度提供參考，以減少鑄坯的凹坑缺陷和裂紋等質量缺陷。本文主要結論如下：

(1)同步熱分析試驗結果表明，2507雙相不銹鋼的固相線溫度為1 469.5 ℃，液相線溫度為1 446.2 ℃。

(2)2507不銹鋼試樣在升溫過程中，線膨脹系數隨溫度升高而增加，基本呈線性趨勢；降溫過程中的線收縮系數隨溫度降低而減小。100～750 ℃溫度之間的平均線膨脹系數為16.606 1×10-6K-1，750～1 020 ℃之間的平均線膨脹系數為14.916 2×10-6K-1，1 020～1 400 ℃之間的平均線膨脹系數為20.475 1×10-6K-1。在降溫過程中，平均線膨脹系數為-22.690 3×10-6K-1。密度隨溫度升高而降低。

(3)2507不銹鋼的熱擴散系數在600～1 150 ℃溫度區間內隨溫度升高而增大，溫度從650 ℃升至1 150 ℃，2507不銹鋼的熱擴散系數增大了25%。600～850 ℃時導熱系數隨溫度升高而增大；在900 ℃時，導熱系數降低。隨著溫度升高到1 000 ℃，導熱系數增大至34 W/(m·K)。而溫度繼續升高時，導熱系數曲線呈降低趨勢。

(4)抗拉強度和屈服強度均隨試驗溫度升高而降低，表明溫度越高鑄坯的高溫強度越差。溫度大于1 200 ℃之后，抗拉強度均小于20 MPa。溫度在700～900 ℃時，不銹鋼出現第三脆性區。溫度在1 000～1 200 ℃時，試樣的斷面收縮率均大于60%，塑性較好，屬于高溫塑性區。