2507双相不锈钢高温物理性能研究

周士凯，胡 中，曾 晶，吕 明，田 川，王 蓉

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710018；2.广西柳钢中金不锈钢有限公司，广西 玉林 537600；3.西安建筑科技大学，陕西 西安 710055)

双相不锈钢指铁素体与奥氏体的质量分数各约占50%，一般较少相的质量分数最少也需要达到30%的不锈钢。在含C较低情况下，Cr的质量分数在18%～28%，Ni的质量分数在3%～10%。有些钢还含有Mo、Cu、Nb、Ti、N等合金元素。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点[1-3]，与铁素体不锈钢相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持了铁素体不锈钢的475 ℃脆性、导热系数高和超塑性等特点[4-6]。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和氯化物应力腐蚀有明显提高[7-9]。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢，已广泛应用于石化、化工、海洋等领域[10-12]。本文采用德国NETZSCH STA 449F5综合热分析仪、德国NETZSCH DIL 402C热膨胀分析仪、德国林赛斯LFA1000激光导热仪和Gleeble-3500热/力模拟试验机分别对2507双相不锈钢进行了综合热分析试验、热膨胀试验、激光导热试验和高温力学试验，为连铸制定相关的参数提供一定的指导。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

对某厂生产的2507双相不锈钢铸坯进行高温热物性测试，材料的化学成分组成如表1所示。

1.2 综合热分析试验

本试验采用德国NETZSCH 449 F5综合热分析仪，测试了2507双相不锈钢的差示扫描量热(differential scanning calorimeter，DSC)曲线和定压热容(Cp)随温度的变化规律。

DSC试验中，采用刚玉坩埚，样品质量在15～20 mg之间。升温时，速率为20 K/min，将试验材料由室温升至1 500 ℃，降温时则以10 K/min的速率降至700 ℃。

定压热容(Cp)测试时，采用带氧化铝内衬的铂坩埚，试样质量约为40 mg，测试标准为ASTM E1269。测定时以蓝宝石为标样，由室温以10 K/min的升温速率升至1 400 ℃。

1.3 热膨胀试验

本试验采用德国NETZSCH DIL 402C热膨胀分析仪，测定2507双相不锈钢从室温到1 400 ℃的膨胀与收缩系数。热膨胀性能的测定主要是考察钢种在凝固过程中的膨胀和收缩性能。

热膨胀试验中，样品尺寸为Φ6 mm×25 mm。升温和降温速率相同，其速率不能太大，本试验取为10 ℃/min。从室温升至1 400 ℃左右，保温1 min，再降温至200 ℃，得到热膨胀升温曲线和降温曲线。试验前将Φ6 mm×25 mm Al2O3标样以相同升温制度获得基线，以消除误差，提高测定结果准确性。

1.4 激光导热试验

本试验采用LFA1000激光导热仪，通过加热炉将2507双相不锈钢试样加热到设定的不同温度点后，在该温度点下保持温度恒定开始激光打点。

本试验试样加工成圆片状，直径为12.5 mm，厚度d=2 mm。为增加不锈钢对光能的吸收比及发射率，将不锈钢圆片的上表面和下表面进行打磨光滑后，利用超声波清洗干净，均匀喷石墨。将不锈钢试样放到载物盘上后，在其上放置直径比试样直径小的遮光板，来屏蔽试样边界与托盘之间的热量传递，只记录试样表面中心的温升。

试验的升温速率为5 ℃/min，600～1 150 ℃每50 ℃一温度点，不锈钢试样在每个温度点下激光打点三次，最后结果取算数平均值。测定过程始终通氦气进行保护。实验的真空度为10-5mbar(1 bar=105Pa)。本试验参考标准为ASTM E1461：Standard Test Method for Thermal Diffusivity of Solids by the Flash Method。

1.5 高温力学性能试验

本试验采用美国DSI公司开发的Gleeble-3500热/力模拟试验机进行不锈钢连铸坯的高温拉伸试验。为减少试样的高温氧化以及由热交换导致的径向温度梯度，将一对Ni-Cr热电偶分别单根点焊在试样中部表面，套上一个内径为10.2 mm、长度为30 mm的石英管。采用“半熔化”法测试连铸坯高温力学性能，将试样水平固定在试样台上，抽真空后，通入Ar气流以防止氧化。然后以10 ℃/s的加热速率将试样加热至1 250 ℃并保温90 s；在加热过程中，当温度接近熔点时，改用较缓慢的升温速率进行加热，并施加较小的压缩应力来防止试样出现孔洞；最后以3 ℃/s的冷却速率将试样自熔点降至指定的试验温度，并在试验温度下保持90 s再进行拉伸试验。试验温度如下所示：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 ℃。根据连铸坯的实际生产情况，进行高温热模拟试验时选取的应变速率取值范围为0.01 s-1。

2 试验结果及分析

2.1 综合热分析试验结果及分析

2.1.1 DSC曲线结果及分析

图1为2507不锈钢的DSC曲线。可以看出，在升温过程中，1 420 ℃时试样存在明显的吸热峰，样品开始吸热熔化，峰值温度为1 469.5 ℃，2507不锈钢在1 469.5 ℃熔化。在降温过程中，1 440 ℃时试样存在明显的放热峰，试样开始凝固，峰值温度为1 446.2 ℃。

图1 2507双相不锈钢DSC曲线降温

2.1.2Cp曲线结果与分析

图2所示为2507不锈钢升温过程中定压热容随温度变化的曲线。从图2可以看出，在升温过程中，温度从室温升至800 ℃，2507不锈钢的热容随温度升高而缓慢增大。在800～1 100 ℃温度范围内，曲线波动较大并出现了峰值，峰值对应温度为1 024 ℃。随着温度继续升高，在1 281 ℃时曲线发生突变，说明在这一温度点，物质发生了相变，在这一温度区间，材料处于不稳定状态，存在晶型转变与相变，钢的脆性较高。

图2 2507不锈钢升温过程定压热容曲线

2.2 热膨胀试验结果与分析

图3所示为2507不锈钢从室温至1 400 ℃的线膨胀系数与从1 400 ℃至800 ℃的线收缩系数。从图中可以看出，2507不锈钢试样在升温过程中，线膨胀系数随温度升高而增加，基本呈线性趋势；降温过程中的线收缩系数随温度降低而减小。升温过程中，在100～750 ℃温度之间的平均线膨胀系数为16.606 1×10-6K-1，在750～1 020 ℃之间的平均线膨胀系数为14.916 2×10-6K-1，1 020～1 400 ℃之间的平均线膨胀系数为20.475 1×10-6K-1。在降温过程中，平均线膨胀系数为-22.690 3×10-6K-1。综上所述，2507不锈钢的线膨胀系数较大，会使连铸坯连铸过程出现表面凹陷和裂纹等缺陷[13-14]。

图3 2507不锈钢热膨胀与温度关系曲线

2507不锈钢的质量分数根据式(1)进行推测。

(1)

在不同温度下，对于重量固定的不锈钢块，其质量m(T)不随温度变化。对于V(T)的变化，在认为不锈钢材料是各向同性的前提下，可以通过材料的热膨胀率来得到材料体积随温度的变化关系，从而获得质量浓度随温度的变化关系ρ(T)。图4为由热膨胀曲线修正得到的质量浓度随温度变化曲线。从图中可以看出，2507不锈钢的质量浓度随温度升高而降低。

图4 2507不锈钢密度与温度关系曲线

2.3 激光导热试验结果与分析

图5为2507不锈钢热扩散系数随温度变化曲线。从图中可以看出，四组图线基本重合，2507不锈钢的热扩散系数在600～1 150 ℃温度区间内随温度升高而增大，650 ℃时的热扩散系数为4.08 mm2/s，而1 150 ℃的热扩散系数为5.10 mm2/s，温度从650 ℃升至1 150 ℃，2507不锈钢的热扩散系数增大了25%。

图5 2507不锈钢热扩散系数与温度关系曲线

根据导热系数与热扩散系数的换算关系[15-16]：

λ(T)=α(T)×ρ(T)×Cp(T)

(2)

可以计算出2507不锈钢的导热系数。其中，α为不锈钢的热扩散系数(导温系数)；λ为不锈钢的导热系数；Cp为不锈钢的热容，ρ为不锈钢的密度。同步热分析试验以得到比热随温度变化曲线如图2所示，密度由热膨胀曲线修正得到如图4所示。

2507不锈钢的导热系数与温度关系曲线如图6所示。从图中可以看出，在600～850 ℃温度区间内，导热系数随温度升高而增大；而在850～900 ℃之间时，导热系数随温度升高而减小，在900 ℃时达到峰谷。温度升至900 ℃后，导热系数又随温度升高而增大，在1 000 ℃时导热系数达到最大值34 W/(m·K)。温度超过1 000 ℃后，曲线呈降低趋势，导热系数随温度升高而减小。对于2507不锈钢的连铸生产而言，二冷区的冷却水量与钢的导热性能有密切关系，导热系数的研究对制定合理的冷却制度具有重要的参考价值。

图6 2507不锈钢导热系数曲线

2.4 高温力学试验结果与分析

2.4.1 应力-应变曲线与强度

在拉伸试验过程中，随着应变的增加，当应力超过抗拉强度时，试样发生非均匀性塑性变形，横截面积减小，即出现“颈缩”现象。同样，试样在拉伸过程中的长度也不断增加，但是如果此时的应力求解还是用拉力除以原始横截面积，应变的求解还是用伸长量除以原始长度，这显然是不对的。为了消除横截面积及长度的变化对应力应变的影响，本试验用真应力-应变曲线来呈现不锈钢的力学性能。图7为2505不锈钢应力应变曲线。

图7 2505不锈钢应力-应变曲线

图8为2507不锈钢屈服强度和抗拉强度。2507不锈钢的抗拉强度和屈服强度均随试验温度的升高而不断降低，表明温度越高铸坯的高温强度越差。在1 050 ℃左右，屈服强度达到第一个低值，约为40 MPa。温度大于1 200 ℃，屈服强度均小于20 MPa，降低趋势平缓，表明铸坯在1 200 ℃之后抵抗外力能力变差，易发生塑性变形。在700～950 ℃内，抗拉强度降低趋势较快；温度大于1 200 ℃之后，抗拉强度均小于20 MPa。说明在1 200 ℃以后，铸坯抵抗外界变形能力变差，容易产生非均匀塑性变形，导致裂纹的产生。

图8 2507不锈钢屈服强度和抗拉强度

2.4.2 断面收缩率

图9为2507不锈钢断面收缩率。从图9可知，在700～900 ℃，试样出现第三脆性区，750 ℃时断面收缩率达到最小，为43%左右。铸坯裂纹的产生与第三脆性区的出现有非常重要的关系。主要来自两个方面：一方面为奥氏体晶界脆化，在奥氏体晶界存在Nb(C，N)、AlN等物质的沉积，导致在外力的作用下引起晶界滑动，产生孔洞，造成晶界脆性增加；另一方面为发生γ→α相变，由于铁素体与奥氏体之间存在强度差别，当奥氏体晶界附近有铁素体产生时，应力作用下易使晶界发生不均匀变形致使晶界脆化。在1 000～1 200 ℃，试样的断面收缩率均大于60%，塑性较好，属于高温塑性区。

图9 2507不锈钢断面收缩率

3 结论

通过试验所得的液固相温度、Cp曲线、热膨胀系数、热扩散系数和导热系数等高温物理性能参数可以应用到不锈钢的连铸生产中，为制定合理的冷却制度提供参考，以减少铸坯的凹坑缺陷和裂纹等质量缺陷。本文主要结论如下：

(1)同步热分析试验结果表明，2507双相不锈钢的固相线温度为1 469.5 ℃，液相线温度为1 446.2 ℃。

(2)2507不锈钢试样在升温过程中，线膨胀系数随温度升高而增加，基本呈线性趋势；降温过程中的线收缩系数随温度降低而减小。100～750 ℃温度之间的平均线膨胀系数为16.606 1×10-6K-1，750～1 020 ℃之间的平均线膨胀系数为14.916 2×10-6K-1，1 020～1 400 ℃之间的平均线膨胀系数为20.475 1×10-6K-1。在降温过程中，平均线膨胀系数为-22.690 3×10-6K-1。密度随温度升高而降低。

(3)2507不锈钢的热扩散系数在600～1 150 ℃温度区间内随温度升高而增大，温度从650 ℃升至1 150 ℃，2507不锈钢的热扩散系数增大了25%。600～850 ℃时导热系数随温度升高而增大；在900 ℃时，导热系数降低。随着温度升高到1 000 ℃，导热系数增大至34 W/(m·K)。而温度继续升高时，导热系数曲线呈降低趋势。

(4)抗拉强度和屈服强度均随试验温度升高而降低，表明温度越高铸坯的高温强度越差。温度大于1 200 ℃之后，抗拉强度均小于20 MPa。温度在700～900 ℃时，不锈钢出现第三脆性区。温度在1 000～1 200 ℃时，试样的断面收缩率均大于60%，塑性较好，属于高温塑性区。