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(guó)重型機(jī)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(xué)，陜西 西安 710055)

雙相不銹鋼指鐵素體與奧氏體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)各約占50%，一般較少相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最少也需要達(dá)到30%的不銹鋼。在含C較低情況下，Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在18%～28%，Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(diǎn)[1-3]，與鐵素體不銹鋼相比，塑性、韌性更高，無(wú)室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時(shí)還保持了鐵素體不銹鋼的475 ℃脆性、導(dǎo)熱系數(shù)高和超塑性等特點(diǎn)[4-6]。與奧氏體不銹鋼相比，強(qiáng)度高且耐晶間腐蝕和氯化物應(yīng)力腐蝕有明顯提高[7-9]。雙相不銹鋼具有優(yōu)良的耐孔蝕性能，也是一種節(jié)鎳不銹鋼，已廣泛應(yīng)用于石化、化工、海洋等領(lǐng)域[10-12]。本文采用德國(guó)NETZSCH STA 449F5綜合熱分析儀、德國(guó)NETZSCH DIL 402C熱膨脹分析儀、德國(guó)林賽斯LFA1000激光導(dǎo)熱儀和Gleeble-3500熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)2507雙相不銹鋼進(jìn)行了綜合熱分析試驗(yàn)、熱膨脹試驗(yàn)、激光導(dǎo)熱試驗(yàn)和高溫力學(xué)試驗(yàn)，為連鑄制定相關(guān)的參數(shù)提供一定的指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

對(duì)某廠生產(chǎn)的2507雙相不銹鋼鑄坯進(jìn)行高溫?zé)嵛镄詼y(cè)試，材料的化學(xué)成分組成如表1所示。

1.2 綜合熱分析試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用德國(guó)NETZSCH 449 F5綜合熱分析儀，測(cè)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(guī)律。

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

定壓熱容(Cp)測(cè)試時(shí)，采用帶氧化鋁內(nèi)襯的鉑坩堝，試樣質(zhì)量約為40 mg，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM E1269。測(cè)定時(shí)以藍(lán)寶石為標(biāo)樣，由室溫以10 K/min的升溫速率升至1 400 ℃。

1.3 熱膨脹試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用德國(guó)NETZSCH DIL 402C熱膨脹分析儀，測(cè)定2507雙相不銹鋼從室溫到1 400 ℃的膨脹與收縮系數(shù)。熱膨脹性能的測(cè)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(yàn)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(yàn)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(yàn)前將Φ6 mm×25 mm Al2O3標(biāo)樣以相同升溫制度獲得基線，以消除誤差，提高測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確性。

1.4 激光導(dǎo)熱試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用LFA1000激光導(dǎo)熱儀，通過加熱爐將2507雙相不銹鋼試樣加熱到設(shè)定的不同溫度點(diǎn)后，在該溫度點(diǎn)下保持溫度恒定開始激光打點(diǎn)。

本試驗(yàn)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(duì)光能的吸收比及發(fā)射率，將不銹鋼圓片的上表面和下表面進(jìn)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(lái)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(yàn)的升溫速率為5 ℃/min，600～1 150 ℃每50 ℃一溫度點(diǎn)，不銹鋼試樣在每個(gè)溫度點(diǎn)下激光打點(diǎn)三次，最后結(jié)果取算數(shù)平均值。測(cè)定過程始終通氦氣進(jìn)行保護(hù)。實(shí)驗(yàn)的真空度為10-5mbar(1 bar=105Pa)。本試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)為ASTM E1461：Standard Test Method for Thermal Diffusivity of Solids by the Flash Method。

1.5 高溫力學(xué)性能試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用美國(guó)DSI公司開發(fā)的Gleeble-3500熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行不銹鋼連鑄坯的高溫拉伸試驗(yàn)。為減少試樣的高溫氧化以及由熱交換導(dǎo)致的徑向溫度梯度，將一對(duì)Ni-Cr熱電偶分別單根點(diǎn)焊在試樣中部表面，套上一個(gè)內(nèi)徑為10.2 mm、長(zhǎng)度為30 mm的石英管。采用“半熔化”法測(cè)試連鑄坯高溫力學(xué)性能，將試樣水平固定在試樣臺(tái)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(dāng)溫度接近熔點(diǎn)時(shí)，改用較緩慢的升溫速率進(jìn)行加熱，并施加較小的壓縮應(yīng)力來(lái)防止試樣出現(xiàn)孔洞；最后以3 ℃/s的冷卻速率將試樣自熔點(diǎn)降至指定的試驗(yàn)溫度，并在試驗(yàn)溫度下保持90 s再進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)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(jù)連鑄坯的實(shí)際生產(chǎn)情況，進(jìn)行高溫?zé)崮M試驗(yàn)時(shí)選取的應(yīng)變速率取值范圍為0.01 s-1。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 綜合熱分析試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1.1 DSC曲線結(jié)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(shí)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(shí)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(jié)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(nèi)，曲線波動(dòng)較大并出現(xiàn)了峰值，峰值對(duì)應(yīng)溫度為1 024 ℃。隨著溫度繼續(xù)升高，在1 281 ℃時(shí)曲線發(fā)生突變，說明在這一溫度點(diǎn)，物質(zhì)發(fā)生了相變，在這一溫度區(qū)間，材料處于不穩(wěn)定狀態(tài)，存在晶型轉(zhuǎn)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(yàn)結(jié)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(shù)與從1 400 ℃至800 ℃的線收縮系數(shù)。從圖中可以看出，2507不銹鋼試樣在升溫過程中，線膨脹系數(shù)隨溫度升高而增加，基本呈線性趨勢(shì)；降溫過程中的線收縮系數(shù)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(shù)為16.606 1×10-6K-1，在750～1 020 ℃之間的平均線膨脹系數(shù)為14.916 2×10-6K-1，1 020～1 400 ℃之間的平均線膨脹系數(shù)為20.475 1×10-6K-1。在降溫過程中，平均線膨脹系數(shù)為-22.690 3×10-6K-1。綜上所述，2507不銹鋼的線膨脹系數(shù)較大，會(huì)使連鑄坯連鑄過程出現(xiàn)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(guān)系曲線

2507不銹鋼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)根據(jù)式(1)進(jìn)行推測(cè)。

(1)

在不同溫度下，對(duì)于重量固定的不銹鋼塊，其質(zhì)量m(T)不隨溫度變化。對(duì)于V(T)的變化，在認(rèn)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(lái)得到材料體積隨溫度的變化關(guān)系，從而獲得質(zhì)量濃度隨溫度的變化關(guān)系ρ(T)。圖4為由熱膨脹曲線修正得到的質(zhì)量濃度隨溫度變化曲線。從圖中可以看出，2507不銹鋼的質(zhì)量濃度隨溫度升高而降低。

圖4 2507不銹鋼密度與溫度關(guān)系曲線

2.3 激光導(dǎo)熱試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5為2507不銹鋼熱擴(kuò)散系數(shù)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(kuò)散系數(shù)在600～1 150 ℃溫度區(qū)間內(nèi)隨溫度升高而增大，650 ℃時(shí)的熱擴(kuò)散系數(shù)為4.08 mm2/s，而1 150 ℃的熱擴(kuò)散系數(shù)為5.10 mm2/s，溫度從650 ℃升至1 150 ℃，2507不銹鋼的熱擴(kuò)散系數(shù)增大了25%。

圖5 2507不銹鋼熱擴(kuò)散系數(shù)與溫度關(guān)系曲線

根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)的換算關(guān)系[15-16]：

λ(T)=α(T)×ρ(T)×Cp(T)

(2)

可以計(jì)算出2507不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)。其中，α為不銹鋼的熱擴(kuò)散系數(shù)(導(dǎo)溫系數(shù))；λ為不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)；Cp為不銹鋼的熱容，ρ為不銹鋼的密度。同步熱分析試驗(yàn)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(dǎo)熱系數(shù)與溫度關(guān)系曲線如圖6所示。從圖中可以看出，在600～850 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增大；而在850～900 ℃之間時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而減小，在900 ℃時(shí)達(dá)到峰谷。溫度升至900 ℃后，導(dǎo)熱系數(shù)又隨溫度升高而增大，在1 000 ℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最大值34 W/(m·K)。溫度超過1 000 ℃后，曲線呈降低趨勢(shì)，導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而減小。對(duì)于2507不銹鋼的連鑄生產(chǎn)而言，二冷區(qū)的冷卻水量與鋼的導(dǎo)熱性能有密切關(guān)系，導(dǎo)熱系數(shù)的研究對(duì)制定合理的冷卻制度具有重要的參考價(jià)值。

圖6 2507不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)曲線

2.4 高溫力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.4.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線與強(qiáng)度

在拉伸試驗(yàn)過程中，隨著應(yīng)變的增加，當(dāng)應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度時(shí)，試樣發(fā)生非均勻性塑性變形，橫截面積減小，即出現(xiàn)“頸縮”現(xiàn)象。同樣，試樣在拉伸過程中的長(zhǎng)度也不斷增加，但是如果此時(shí)的應(yīng)力求解還是用拉力除以原始橫截面積，應(yīng)變的求解還是用伸長(zhǎng)量除以原始長(zhǎng)度，這顯然是不對(duì)的。為了消除橫截面積及長(zhǎng)度的變化對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的影響，本試驗(yàn)用真應(yīng)力-應(yīng)變曲線來(lái)呈現(xiàn)不銹鋼的力學(xué)性能。圖7為2505不銹鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖7 2505不銹鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8為2507不銹鋼屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。2507不銹鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均隨試驗(yàn)溫度的升高而不斷降低，表明溫度越高鑄坯的高溫強(qiáng)度越差。在1 050 ℃左右，屈服強(qiáng)度達(dá)到第一個(gè)低值，約為40 MPa。溫度大于1 200 ℃，屈服強(qiáng)度均小于20 MPa，降低趨勢(shì)平緩，表明鑄坯在1 200 ℃之后抵抗外力能力變差，易發(fā)生塑性變形。在700～950 ℃內(nèi)，抗拉強(qiáng)度降低趨勢(shì)較快；溫度大于1 200 ℃之后，抗拉強(qiáng)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(chǎn)生非均勻塑性變形，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

圖8 2507不銹鋼屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(xiàn)第三脆性區(qū)，750 ℃時(shí)斷面收縮率達(dá)到最小，為43%左右。鑄坯裂紋的產(chǎn)生與第三脆性區(qū)的出現(xiàn)有非常重要的關(guān)系。主要來(lái)自兩個(gè)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(zhì)的沉積，導(dǎo)致在外力的作用下引起晶界滑動(dòng)，產(chǎn)生孔洞，造成晶界脆性增加；另一方面為發(fā)生γ→α相變，由于鐵素體與奧氏體之間存在強(qiáng)度差別，當(dāng)奧氏體晶界附近有鐵素體產(chǎn)生時(shí)，應(yīng)力作用下易使晶界發(fā)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(qū)。

圖9 2507不銹鋼斷面收縮率

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)所得的液固相溫度、Cp曲線、熱膨脹系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)等高溫物理性能參數(shù)可以應(yīng)用到不銹鋼的連鑄生產(chǎn)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(zhì)量缺陷。本文主要結(jié)論如下：

(1)同步熱分析試驗(yàn)結(jié)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(shù)隨溫度升高而增加，基本呈線性趨勢(shì)；降溫過程中的線收縮系數(shù)隨溫度降低而減小。100～750 ℃溫度之間的平均線膨脹系數(shù)為16.606 1×10-6K-1，750～1 020 ℃之間的平均線膨脹系數(shù)為14.916 2×10-6K-1，1 020～1 400 ℃之間的平均線膨脹系數(shù)為20.475 1×10-6K-1。在降溫過程中，平均線膨脹系數(shù)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(kuò)散系數(shù)在600～1 150 ℃溫度區(qū)間內(nèi)隨溫度升高而增大，溫度從650 ℃升至1 150 ℃，2507不銹鋼的熱擴(kuò)散系數(shù)增大了25%。600～850 ℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增大；在900 ℃時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)降低。隨著溫度升高到1 000 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)增大至34 W/(m·K)。而溫度繼續(xù)升高時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)曲線呈降低趨勢(shì)。

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