吴亚宜
潮州市潮安区彩塘五金不锈钢研究中心 广东潮州 521000
摘要：本文主要针对304不锈钢连铸坯高温物理性的试验展开了探讨，结合了一系列具体的试验实例，简要概述了试验方法，试验所得的结果作了系统的阐述和讨论，并提出了三点试验结论，以期能为有关方面的需要提供有益的参考和借鉴。
关键词：304不锈钢；高温热物性；试验
所谓的304不锈钢，是一种很常见的不锈钢，业内也叫做18/8不锈钢。它的金属制品耐高温，加工性能好，因此，其被广泛使用于工业、不锈钢厨餐具行业、家具装饰行业和食品医疗行业中。而本文通过结合一系列的具体试验，系统研究了304不锈钢的高温物理性，相信会为连铸生产及数值模拟提供重要的理论基础数据。
1试验方法
在304不锈钢的连铸生产中，中间包温度应控制在1470～1510℃，拉坯速度根据铸坯宽度控制在0.9～1.3m／min，水口插入深度保证在160mm左右。对某厂生产的304不锈钢进行高温热物性测试，材料的主要化学成分见表1。
表1 304不锈钢的化学成分（质量分数）％
1.1 304不锈钢热膨胀试验
本试验采用NETZSCHDIL402C热膨胀仪，测定304不锈钢从常温到1000℃的膨胀与收缩系数。热膨胀性能测试试样的尺寸为φ4mm×25mm。
试验制度如下：升温和降温的速度相同，其速度不能太大，本试验取为10℃／min。从室温升至1000℃左右，保温1min，再开始降温。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。
1.2 304不锈钢同步热分析试验
采用NETZSCHSTA449Ｆ3综合热分析仪测试了304不锈钢的差示扫描量热（DSC）曲线与定压热容（Cp）随温度的变化规律。DSC测试试样的尺寸为5mm×1.5mm，Cp测试试样的尺寸为φ3mm×1mm。试验过程采取全程氩气保护。
DSC测试方案：先由常温以20℃／min的升温速率升至1480℃，再以降温速率10℃／min降至500℃。
Cp测试方案：由常温以20℃／min的升温速率升至1400℃，再以降温速率10℃／min降至500℃。
2结果与分析
2.1 304不锈钢热膨胀性能结果与分析
图1所示为304不锈钢从常温至1000℃的膨胀系数与从1000℃到200℃的收缩系数。从图1可以看出，试样在升温过程中随着温度升高，线膨胀系数基本呈线性增加趋势；降温过程中的线收缩系数随温度降低而降低。升温过程中线膨胀系数的范围为20.9700×10－6K－1～21.5712×10－6K－1；降温过程中线收缩系数范围为21.2528×10－6～21.9471×10－6K－1。与马氏体2Cｒ13不锈钢（线膨胀系数α为12.08×10－6K－1）及20CｒMｏ合金结构钢（线膨胀系数α为14.05×10－6K－1）相比，304不锈钢的膨胀收缩系数较大。这些性质将对304不锈钢在结晶器与二冷区中的冷却凝固过程产生重要影响。与其他钢种相比，304不锈钢在结晶器和二冷区凝固冷却的过程中，坯壳的收缩量较大，易使坯壳表面冷却收缩不均匀。凹坑和裂纹形成的一个重要原因即为初生坯壳收缩不均匀。所以304不锈钢在连铸生产过程中铸坯表面易出现凹坑及裂纹。
图1 304不锈钢热膨胀（试样的相对伸长量dL／L0）与温度关系曲线
2.2 304不锈钢定压热容结果与分析
图2和3所示分别为304不锈钢升温与降温过程中定压热容随温度变化的曲线。由图2可以看出，升温过程中，304不锈钢的定压热容Cp曲线在常温到600℃的低温环境下随温度增加有下降趋势；而在600～900℃内随温度增高而急剧增长；在900～1400℃之间时，定压热容Cp曲线波动较大，在1279.2℃时曲线发生突变，这说明在这一温度点，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2 304不锈钢升温过程定压热容曲线
由图3可以看出，降温过程中，304不锈钢的定压热容Cp曲线趋势比较平缓，在1400～1100℃内曲线随温度降低而降低；而在1100～500℃内随温度降低而有所增长；1100℃左右定压热容值Cp最小，热稳定性最佳。在降温的整个过程中，物质无太大变化，热稳定性良好。温度对比热容有重要的影响。低温阶段，由于晶格振动较弱，所以比热容增加趋势比较平缓；随着温度升高，晶格振动幅度增大，比热容增加的程度随之变大；同时，比热容的大小与构成材料的合金相的性质有关，组成合金相的每个原子的热振动能可能导致形成合金相时总能量减小，比热容值降低。两者共同作用导致定压热容曲线出现先降低后增加的趋势。结晶器中上部铸坯温度处于1250～1400℃的范围内，而在这一温度范围内，铸坯存在晶型转变及相变，铸坯容易产生缺陷。
图4 304不锈钢的DSC曲线
图4所示为304不锈钢的DSC曲线。由图4可以看出，在升温过程中，1420.8℃时试样存在明显的吸热峰，试样开始熔化，峰值温度为1438.86℃；降温过程中，1439℃时存在明显的放热峰，试样开始凝固，峰值温度为1435.6℃；在1439～1100℃降温过程中，DSC曲线不平滑，热稳定性差，这与定压热容所测曲线得到的结论基本一致。在1426.3，1355.9和1167.3℃这几个温度点，有相变产生，相变的出现易引起材料体积的变化，最终导致铸坯的初始坯壳生长不均匀。这些温度点均属于结晶器中上部温度范围，铸坯在该温度范围内易产生裂纹，因此改善铸坯传热的均匀性，可有效减少裂纹的产生。
3结论
（1）热膨胀试验表明：304不锈钢在升温过程中膨胀系数的范围为20.9700×10－6～21.5712×10－6K－1；降温过程中收缩系数范围为21.2528×10－6～21.9471×10－6K－1。膨胀系数及收缩系数较大，属裂纹敏感性钢种。
（2）定压热容试验表明：304不锈钢在900～1400℃升温过程中，曲线波动幅度较大，存在晶型转变；降温时曲线较平缓，物质本身无太大变化；在1279.2℃时304不锈钢发生突变，有相变产生；在结晶器上部温度1250～1400℃范围内，铸坯稳定性较差，易产生缺陷。
（3）DSC试验结果表明：加热过程中，在1420.8℃有明显吸热峰，试样开始熔化，峰值温度为1438.86℃；降温过程中，1439℃时存在明显的放热峰，试样开始凝固，峰值温度为1435.6℃；在1439～1100℃降温过程中，曲线不平滑，热稳定性较差，初始坯壳生长不均匀，铸坯易产生裂纹。
4 结语
综上所述，通过结合一系列的试验研究，我们对304不锈钢的高温物理性有了进一步的了解，这不仅可以改善304不锈钢铸坯传热的均匀性，还能有效减少裂纹的产生，相信对304不锈钢连铸坯的生产制造能起到一定的帮助作用。
参考文献：
[1]刘洪军、吴鑫、李亚敏.0Cr13不锈钢连铸坯高温物理性能研究[J].热加工工艺.2010（16）.
[2]李燕、胡坤太、杜忠泽、仇圣桃、孙伟科.2205双相不锈钢连铸坯的高温力学性能研究[J].热加工工艺.2012（02）.
论文作者:吴亚宜
论文发表刊物:《基层建设》2015年23期供稿
论文发表时间:2016/3/30
标签：不锈钢论文; 温度论文; 过程中论文; 曲线论文; 试样论文; 热膨胀论文; 系数论文; 《基层建设》2015年23期供稿论文;