微鑄鐵紅送裂紋形成機(jī)制的研究

微鑄鐵紅送裂紋形成機(jī)制的研究

連通式鋼圈熱擠工藝將精煉和鋼圈的能耗轉(zhuǎn)變?yōu)榫o密相連的一體化生產(chǎn)體系，不僅可以顯著降低成本，提高金屬產(chǎn)量，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，從而減少車(chē)間的占地面積。因此,這一技術(shù)在節(jié)約投資、降低生產(chǎn)成本等方面都顯示出了巨大的優(yōu)越性。但是目前大多數(shù)企業(yè)只實(shí)現(xiàn)了Q235、Q345等普碳鋼的熱送熱裝,含有微合金元素的低合金高強(qiáng)鋼由于種種原因并未能大量采用熱送熱裝工藝,熱軋板表面形成的紅送裂紋即是其中一個(gè)重要原因。這種質(zhì)量缺陷是微合金鋼鑄坯采用熱送熱裝(熱裝溫度約600℃)工藝時(shí)所特有的,裂紋沿振痕方向或呈網(wǎng)狀分布。在裝爐前的鑄坯表面以及鑄坯冷裝軋制的熱軋板表面都未發(fā)現(xiàn)此種裂紋。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)紅送裂紋的形成機(jī)制進(jìn)行了研究,結(jié)論不盡相同。本文以微合金鋼E36鑄坯中的析出相行為作為研究對(duì)象,結(jié)合鑄坯組織演變與鑄坯熱應(yīng)力變化分析討論了微合金鋼鑄坯紅送裂紋的形成機(jī)制。1透射電鏡vf分析試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。試驗(yàn)設(shè)計(jì)參照現(xiàn)場(chǎng)工藝流程,模擬連鑄、熱送熱裝過(guò)程中鑄坯的熱履歷,分別是連鑄→輥道冷卻至800℃→加熱、連鑄→輥道冷卻至600℃→加熱、連鑄→堆跺冷卻至400℃→加熱,試驗(yàn)過(guò)程如圖1所示。試驗(yàn)操作:首先將試樣熔清,模擬連鑄過(guò)程的冷卻速率冷至830℃,再分別以輥道輸送過(guò)程的冷卻速率6℃/min冷至800℃(水淬,試樣編號(hào)A1)、600℃(水淬,試樣編號(hào)B1),以堆跺冷卻速率0.3℃/min冷至400℃(水淬,試樣編號(hào)C1),另有3個(gè)試樣(A2、B2、C2)分別重復(fù)以上3種熱履歷后再加熱至1200℃并保溫1h,最后水淬。得到試樣后使用碳膜萃取復(fù)型方法制取透射電鏡樣品。觀(guān)察樣品中的析出相,并對(duì)析出相的數(shù)量及尺寸大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì),由式(1)近似得出析出相的體積分?jǐn)?shù)。Vf=(1.4?π6)×(N?D2junA)(1)Vf=(1.4?π6)×(Ν?Djun2A)(1)式中:Vf為析出相的體積分?jǐn)?shù);N為析出粒子的數(shù)量;Djun為析出粒子的平均直徑;A為測(cè)量面積。2分析與討論2.1鑄坯中的出相來(lái)源通過(guò)TEM對(duì)析出相形貌進(jìn)行觀(guān)察的結(jié)果為:1)6個(gè)試樣中的析出相主要是(Ti,Nb)(C,N),其典型形貌、能譜和電子衍射花樣如圖2所示;2)析出相主要呈彌散分布,另外在試樣B1中發(fā)現(xiàn)部分析出相具有沿晶界分布的特點(diǎn),如圖3(a)所示。觀(guān)察結(jié)果表明:鑄坯的輸送方式以及裝爐溫度對(duì)裝爐時(shí)鑄坯中析出相的分布有顯著影響。當(dāng)以6℃/min的輥道冷卻速率冷卻至800℃裝爐和以0.3℃/min的堆跺冷卻速率冷卻至400℃裝爐時(shí),析出相在鑄坯中都呈彌散分布狀。而當(dāng)以6℃/min的輥道冷卻速率冷卻至600℃裝爐時(shí),由于冷卻速率較快,導(dǎo)致析出相無(wú)法在奧氏體中進(jìn)行較為充分的析出,相關(guān)元素在鋼中呈過(guò)飽和狀態(tài),同時(shí)析出相在鐵素體中的溶度積遠(yuǎn)小于其在奧氏體中的溶度積,所以部分析出相在冷卻過(guò)程中生成的先共析鐵素體網(wǎng)膜中析出(圖4(b)),形成了沿奧氏體晶界分布的特點(diǎn)。這種析出相的分布發(fā)現(xiàn)于以較快冷卻速率冷卻至兩相區(qū)及其以下溫度的微合金鋼鑄坯中,說(shuō)明這種現(xiàn)象的產(chǎn)生在微合金鋼鑄坯中具有普遍性。對(duì)各樣品中析出相的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果如表2所示。數(shù)據(jù)表明:1)不同輸送方式冷卻的鑄坯,其析出相的析出行為存在差異。從動(dòng)力學(xué)角度分析,因在600℃以下鑄坯中的析出相形成元素的原子遷移速率極為緩慢,故此時(shí)可視為析出行為已經(jīng)完成。結(jié)合樣品B1中析出相的體積分?jǐn)?shù)1.3×10-4明顯少于樣品C1中的3.5×10-4,可知由于輥道冷卻速率較快導(dǎo)致鑄坯中析出相形成元素?cái)U(kuò)散時(shí)間較短,從而未能完全析出,這些元素在鑄坯中只能以過(guò)飽和狀態(tài)存在。2)以相同冷卻速率冷卻時(shí),溫度越低,析出相的體積分?jǐn)?shù)越大。樣品B1中析出相的體積分?jǐn)?shù)為1.3×10-4,明顯大于樣品A1中的0.99×10-4,就證實(shí)了這點(diǎn)。3)不同輸送方式以及不同裝爐溫度條件下再加熱結(jié)束后的鑄坯中析出相的存在狀態(tài)較為相似,樣品A2、樣品B2和樣品C2析出相的體積分?jǐn)?shù)分別為0.13×10-4、0.18×10-4、0.22×10-4?？梢?jiàn),再加熱結(jié)束時(shí)鑄坯中的析出相體積分?jǐn)?shù)雖相對(duì)有一定的差異,但與裝爐時(shí)的鑄坯比較,都減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)。冷卻時(shí)生成的析出相大部分已經(jīng)固溶,實(shí)際在鑄坯中都只有微量的殘余,而且TEM觀(guān)察表明這些微量殘余的析出相也都呈彌散分布。2.2微鋼鑄坯紅送裂紋產(chǎn)生原因分析微合金鋼紅送裂紋的產(chǎn)生機(jī)制如圖4所示。根據(jù)以上對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析討論,微合金鋼鑄坯紅送裂紋產(chǎn)生的原因可分為3個(gè)方面:1)鑄坯中析出相的析出行為。2)鑄坯組織的演變;3)熱送熱裝過(guò)程中鑄坯表面受力的變化,包括熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。其中組織應(yīng)力(σst=E·Δε/(1-ν))因奧氏體與(鐵素體+珠光體)密度不同(相差約1%)而產(chǎn)生,在鋼的淬火過(guò)程中表現(xiàn)較為顯著。鑄坯在輥道輸送過(guò)程中的冷卻速率遠(yuǎn)小于淬火過(guò)程,因而鑄坯體積變化速率很小,所以產(chǎn)生的組織應(yīng)力很小可以忽略;而由于鑄坯內(nèi)外溫差導(dǎo)致的熱應(yīng)力則較為顯著,最大時(shí)可達(dá)上百兆帕。在3方面因素的作用下,鑄坯表面在軋制之前已經(jīng)產(chǎn)生了細(xì)小晶界裂紋,軋制時(shí)被進(jìn)一步擴(kuò)展。在鑄坯輸送(冷卻)過(guò)程中,當(dāng)鑄坯溫度低于A(yíng)r3以后,組織開(kāi)始發(fā)生奧氏體向鐵素體的相變。在這一過(guò)程有3點(diǎn)原因?qū)е挛龀鱿嘌卦瓓W氏體晶界快速析出:1)先共析鐵素體網(wǎng)膜在奧氏體晶界的形成;2)析出相在鐵素體中的平衡溶度積小于奧氏體中的平衡溶度積;3)由于輥道輸送過(guò)程冷卻速率較快,析出相形成元素因擴(kuò)散時(shí)間短而固溶于鋼中,呈過(guò)飽和狀態(tài)。這些沿晶界析出的析出相顯然將惡化鑄坯的熱塑性。在相同的受力條件下,Q235等普碳鋼因沒(méi)有奧氏體晶界上析出相的作用所以不論如何改變熱裝溫度都不具備產(chǎn)生紅送裂紋的條件。根據(jù)研究可知,在輥道輸送過(guò)程中,鑄坯表面受壓應(yīng)力作用,心部受拉應(yīng)力作用。鑄坯進(jìn)入加熱爐后,當(dāng)鑄坯心部開(kāi)始升溫時(shí),鑄坯內(nèi)外所受的熱應(yīng)力方向?qū)l(fā)生變化,鑄坯表面所受壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力,鑄坯心部所受拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力,且熱應(yīng)力將有一個(gè)峰值。之后隨著鑄坯在高溫區(qū)均熱,鑄坯內(nèi)外熱應(yīng)力不斷減小并趨于零。輥道輸送的鑄坯入爐后,鑄坯表面受到的拉應(yīng)力與沿晶界析出的析出相共同作用,致使鑄坯表面形成了紅送裂紋。具體過(guò)程為,入爐后奧氏體晶粒所受熱應(yīng)力由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力,并在熱應(yīng)力的作用下出現(xiàn)晶界滑移。應(yīng)力作用于晶界的析出相粒子上,使得粒子與基體(先共析鐵素體)脫離,形成孔洞。析出相粒子溶解后,連續(xù)的孔洞即成為沿奧氏體晶界的細(xì)小裂紋。雖然在出加熱爐之前,鑄坯中的析出相大部分已經(jīng)固溶,且鑄坯內(nèi)外幾乎沒(méi)有熱應(yīng)力,但已經(jīng)形成的裂紋不會(huì)消失,出加熱爐后在軋輥的作用下,鑄坯表面的細(xì)小晶間裂紋被進(jìn)一步擴(kuò)展,最終形成了紅送裂紋。綜上所述,微合金鋼鑄坯采用熱送熱裝工藝時(shí)產(chǎn)生的紅送裂紋是在鑄坯中析出相行為、組織演變和熱應(yīng)力變化三者的共同作用下形成的。其中起主導(dǎo)作用的是微合金鋼鑄坯組織的演變,即兩相區(qū)中奧氏體晶界先共析鐵素體網(wǎng)膜的生成為微合金鋼中析出相粒子沿奧氏體晶界的析出提供了條件,在加熱過(guò)程鑄坯熱應(yīng)力的作用下奧氏體晶界最終成為紅送裂紋的發(fā)源地。3裝爐時(shí)鑄坯中出相的影響1)盡管不同輸送方式及不同裝爐溫度條件下再加熱結(jié)束后鑄坯中析出相的存在狀態(tài)較為相似,但是鑄坯輸送方式及裝爐溫度仍對(duì)裝爐時(shí)鑄坯中析出相