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鋼中第二相粒子與鑄坯表面裂紋分析
发布者:不鏽鋼管厂(www.pmmianshi.com) 发布时间:2021/4/4 阅读:128

 浙江w66利来最给利的老牌特鋼有限公司測試了Q345B鋼的高溫力學性能,鑒別了鑄坯裂紋處析出物的類型,研究了含铌Q345鋼中第二相粒子固溶析出及晶粒長大的規律,探討了鋼中第二相粒子與鑄坯表面裂紋的關系及相應的控制措施。鋼中添加的Nb、V、Ti等元素,可以通過析出強化、相變強化和晶粒細化來提高鋼的性能。這些元素在鑄坯冷卻過程中與C和N相互作用形成第二相粒子,第二相粒子的溶解和析出會直接影響奧氏體晶粒大小、晶粒均勻化程度及奧氏體再結晶規律,其碳氮化物在強化組織的同時,也使連鑄坯表面奧氏體晶粒粗大和晶界弱化,使鋼的塑性降低,連鑄坯表面裂紋産生率明顯增高。

 一、連鑄坯裂紋分析

  很多研究人员在裂纹形成机理方面做了大量研究工作,研究结果表明,连铸坯裂纹可分为表面裂纹和内部裂纹两大类,影响裂纹形成的因素很多,包括连铸机设备条件、钢种及原辅料特性,连铸生产工艺等,但这些因素是导致连铸坯产生裂纹的外部条件,其内在因素则是钢的高温力学性能和微观组织,决定着高温下坯壳所能承受的临界变形的大小,而热塑性差的钢种高温下坯壳所能承受的临界变形小,因此特别容易产生裂纹。梅钢生产的Q345B钢种连铸板坯轧后钢板表面横裂裂纹主要存在于钢板宽度的两个1/4至边部位置,深度约0.5~1.5mm。

  笔者取该钢种Q345B成分有较大差异的3个试样,其中1号试样取自未产生角裂的连铸坯,2、3号试样取自有角裂的连铸坯,试样的化学成分见表,测试了其高温塑性,高温面缩率拟合曲线如图所示。由图可以看出,随着Q345B钢中A1、N质量分数的增加,第三脆性区呈扩大趋势。即在一定温度下,随钢中Al、N质量分数的增加,试样的断面收缩率降低,钢的热塑性变差。

 二、鋼中第二相粒子析出行爲研究

  大多数研究人员在实验室通过用热模拟试验机模拟连铸过程的方法来研究析出物行为。研究发现,在低形变速率条件下,在晶界析出的第二相粒子成为应力集中源,当应力作用于这些粒子上时,非常容易引起晶界滑移而导致沿晶界断裂现象的发生。对于Nb、V、Ti微合金化钢来说,高温下固溶在钢中的Al、Nb、V、Ti在温度降低时以AIN、Nb(C,N)、V(C,N)及TiN等粒子形式在奥氏体晶界动态或静态析出,成为应力集中源。在C-Mn钢中,Al可与N形成细小的AIN并在奥氏体晶界析出,对钢的塑性产生不良影响。在Nb微合金化C-Mn钢中,质量分数很低的Al也能加深加宽塑性凹槽,Al质量分数增加,特别是N质量分数增加会使这类钢的连铸坯出现裂纹的机会增多国。

  实验室的许多结论对连铸生产有指导意义,但这种试验并不能精确模拟实际连铸过程,主要原因是实验室试验与实际连铸过程有两点区别,一是冷却过程不同,在实验室内铸坯温度均匀下降,而现场铸坯温度为反复升降的总体下降过程";二是变形程度不同,铸坯在实际矫直过程中仅有1%~2%的变形,而热模拟试验中的断裂变形范围为5%~100%。鉴于以上差别,我们采用了直接观察分析铸坯裂纹处析出物的方法来分析研究裂纹成因。采用扫描电镜观察了在裂纹区域所取试样,观察结果见图2~4。由图2~4可以看出,在裂纹边缘区域存在两种小型颗粒状夹杂物,一种大小1~4μm,另一种大小0.1~0.4μm,能谱分析结果表明夹杂物中均含有A1元素。为了进行更加微观的分析,采用透射电镜对析出物进行了观察和鉴别,试样为从铸坯裂纹附近所取的金属薄膜试样,观察结果与相应电子衍射谱见图5和图6。

 三、鋼中的第二相粒子與加熱工藝研究

  Nb-V-Ti微合金钢中存在大量第二相粒子,且尺寸也较小,这些粒子在加热过程中能够钉扎原始奥氏体晶界,有效地阻止原始奥氏体晶粒长大,第二相粒子对奥氏体晶粒的钉扎力由下式确定:F=Kflr,式中:K为常数;f为粒子的体积分数;r为粒子的半径。由上式第二相粒子的数量越多,粒子的尺寸越小,粒子对原始奥氏体的钉扎力越大。在较高的温度下,钢中第二相粒子将发生大量深解及严重长大,f减小而r增大,使得粒子对奥氏体晶界的钉扎作用减小。取含铌Q345B钢试样在在感应式加热炉上加热不同的温度,然后分析奥氏体晶粒大小,试验中加热温度对铌钢奥氏体晶粒尺寸长大的影响见图。

  由此可见,加热温度低于1150℃时,晶粒尺寸增加缓慢,而加热温度超过1150℃晶粒迅速长大。当钢坯在某个临界温度下加热时,微合金元素第二相粒子可以有效阻止奥氏体晶粒的长大,使奥氏体晶粒细小,这个临界温度称之为晶粒粗化温度"。根据粗化温度的定义,本试验铌钢的晶粒粗化温度约为1150℃。当加热温度低于粗化温度(1150℃)时,微合金元素的加入使晶粒长大行为得到了很好的控制,晶粒随温度长大的趋势缓慢。当加热温度达到粗化温度时8,部分晶粒发生异常粗化,呈不均匀的混晶状,因此,当加热温度高于粗化温度时,第二相粒子不仅失去了对晶粒正常长大的阻碍作用,而且还会诱发晶粒异常粗化,甚至混晶的出现,导致钢板开裂和力学性能的恶化。

  因此制定加热制度时要考虑如下两个因素:一是较细小的奥氏体尺寸(加热温度不能太高),二是较高的固溶量(加热温度不能太低)。从试验的结果看,要保证原始Nb钢的细小的奥氏体晶粒尺寸,加热温度不得高于1200℃,根据资料介绍,要保证较高的Nb钢的固溶量,加热温度不得低于1150℃9,因此Nb钢的实际加热温度范围应为1150~1200℃。

四、結論

  钢中的Nb、V、Ti、A1等元素在铸坯冷却过程中与C和N相互作用形成第二相粒子,高温下形成的第二相粒子在铸坯冷却过程中沿晶界析出成为应力集中源并形成微孔,微孔聚合形成细小裂纹;铸坯运行过程中在热应力、机械应力及组织应力作用下裂纹会进一步扩展。板坯加热过程中,当加热温度高于粗化温度(1150℃)时,钢中第二相粒子不仅失去了对晶粒正常长大的阻碍作用,而且还会诱发晶粒异常粗化,甚至混晶的出现,导致钢板开裂和力学性能的恶化。消除裂纹缺陷从两个方面考虑,一是减少裂纹源或微小裂纹的产生,即严格控制钢中氮质量分数和板坯加热温度,减小钢中第二相粒子的危害性;二是防止微小裂纹进一步扩展,即做好板坯的均匀冷却和连铸机设备功能精度控制,减小铸坯运行过程中所受的热应力和机械应力。

 
 

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