黃 雁，趙文淵，楊仁強，楊偉勇，唐以寧

(蕪湖新興鑄管有限責任公司，安徽 蕪湖 241002)

40Cr是一種低淬透性調(diào)質(zhì)合金鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合力學(xué)性能，是使用最為廣泛的合金調(diào)質(zhì)鋼鋼種之一。主要用于制造中速、中載的零件，如機床齒輪、軸、蝸桿、花鍵軸等機器零部件。國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的40Cr鋼主要用于加工成汽車轉(zhuǎn)向節(jié)，但其下游客戶在使用過程中常存在轉(zhuǎn)向節(jié)淬火開裂的問題，對原材料檢驗后發(fā)現(xiàn)存在較為嚴重的碳偏析，碳偏析極差達0.09%-0.12%。一般來說鑄坯的偏析規(guī)律與鋼液的結(jié)晶器過程中電磁攪拌和強度密度有關(guān)。因此本文主要通過現(xiàn)場工藝實驗摸索出最佳的連鑄工藝參數(shù)，使40Cr鋼鑄坯碳偏析極差控制在0.05%以內(nèi)。

1 實驗材料與分析方法

1.1 成分要求

本課題研究的40Cr鋼成分如表1所示。

表1 40Cr鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Tab.1 Chemical composition of 40Cr steel

1.2 生產(chǎn)工藝

40Cr鋼生產(chǎn)工藝：120T轉(zhuǎn)爐→120T精煉爐→Φ300連鑄機→成品，其中大圓坯連鑄機的主要裝備及技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 連鑄主要裝備及技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main equipment and technical parameters of continuous casting

1.3 碳硫分析方法

采用Φ5 mm鉆頭在鑄坯橫截面上鉆取鋼屑，鉆取深度為5 mm，稱取0.3 g鋼屑用碳硫分析儀進行檢驗。碳偏析極差計算方式為：

極差=取樣點碳含量最大值-取樣點碳含量最小值

2 鑄坯錠型偏析形貌及現(xiàn)狀

2.1 鑄坯錠型偏析形貌

選取20 mm長40Cr鋼鑄坯橫截面進行低倍酸浸，將其放置70 ℃酸洗池內(nèi)浸泡1小時，然后用5%濃度NaHCO3溶液進行沖洗，低倍酸浸照片如圖1所示。

圖1 40Cr低倍酸浸形貌

從圖1可以看出，鑄坯低倍酸浸出現(xiàn)圓形錠型偏析，尤其是等軸晶與柱狀晶交界處，是凝固過程中鋼液流動傳熱和溶質(zhì)再分配的結(jié)果。據(jù)文獻[1]研究，鑄坯橫截面上顏色較深區(qū)域為碳含量較高點，經(jīng)測量此區(qū)域位置為皮下60 mm——即鑄坯的等軸晶與柱狀晶交界處。

2.2 工藝優(yōu)化前偏析極差

Φ300試樣酸浸后，沿著試樣內(nèi)外弧及左右弧2條垂直直徑方向按照等分方式每隔30 mm鉆屑取樣，每條直徑方向鉆取11點，共鉆取22點，碳硫分析檢驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 工藝優(yōu)化前偏析情況Tab.3 Optimization segregation of process

由表3得出碳偏析極差為0.12%，且均在皮下60 mm處存在碳含量較高點。為驗證結(jié)論的準確性，隨后對工藝優(yōu)化前的50爐試樣按照邊緣-皮下30 mm-皮下60 mm-皮下90 mm-皮下120 mm-中心進行鉆點分析，其碳含量變化趨勢如圖2所示。

圖2 40Cr鋼鑄坯橫截面碳偏析趨勢

從圖2可以看出，40Cr鋼鑄坯的偏析形式為典型的錠型偏析，且等軸晶與柱狀晶交界處——即皮下60 mm處碳含量較高，且通過大量數(shù)據(jù)分析再次驗證了鑄坯橫截面碳偏析極差均在0.08%-0.12%之間。

3 實驗結(jié)果及原因分析

本文結(jié)合相關(guān)文獻從連鑄的過熱度、拉速、結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)、末端電磁攪拌參數(shù)等方面進行優(yōu)化，采用單因素的方式進行現(xiàn)場實驗。

3.1 過熱度對碳偏析的影響

過熱度對鑄坯的凝固組織起著至關(guān)重要的作用，在相同的拉速下采用低的過熱度澆注能夠降低凝固前沿的溫度梯度，從而降低柱狀晶的發(fā)達程度，減輕鑄坯的中心偏析。隨著過熱度的增大，碳偏析極差有增大的趨勢。這是因為在較高的過熱度下，柱狀晶發(fā)達，選分結(jié)晶持續(xù)時間較長，C元素富集嚴重造成的。結(jié)合現(xiàn)場實際生產(chǎn)條件，通過研究過熱度控制在15-25 ℃范圍內(nèi)，碳偏析極差改善較大，如圖3所示。

圖3 鋼水過熱度對碳偏析的影響

3.2 末端電磁攪拌對碳偏析的影響

凝固末端電磁攪拌發(fā)生在凝固末端的糊狀區(qū)，具體位置的選擇十分關(guān)鍵[2]，通過攪拌促進高濃度鋼液對流，消除晶間的搭橋，從而減輕鑄坯偏析[3]。在凝固前沿由于有凝固潛熱釋放，因此存在較大過熱度，采用末端電磁攪拌可以通過增強凝固前沿鋼液流動消除由于凝固潛熱釋放引起的過熱度增加。同時攪拌引起的運動鋼流將柱狀晶樹枝打斷，減弱了柱狀晶的生長，從而促進了等軸晶的生長。通過研究發(fā)現(xiàn)，末端電磁攪拌參數(shù)控制在400 A、8 Hz，碳偏析極差改善較大，如圖4(a)、(b)所示。

3.3 末端電磁攪拌旋轉(zhuǎn)模式對碳偏析的影響

有關(guān)末端電磁攪拌的旋轉(zhuǎn)模式對碳偏析影響的研究較少，結(jié)合通過現(xiàn)場實驗發(fā)現(xiàn)，末端電磁攪拌采用單方向旋轉(zhuǎn)不僅容易出現(xiàn)白亮帶而且對控制偏析影響不大，而采用正反交替旋轉(zhuǎn)模式的周期對偏析的影響較大，周期過長會影響單位長度鑄坯的攪拌次數(shù)，周期過短會影響末端電磁攪拌的攪拌效果。本研究發(fā)現(xiàn)該廠末端電磁攪拌最佳的旋轉(zhuǎn)模式和周期為正反轉(zhuǎn)交替模式，交替周期為8s-3s-8s，如圖5所示。

(a)末端電攪電流對碳偏析的影響

(b)末端電攪頻率對碳偏析的影響圖4 末端電磁攪拌參數(shù)對碳偏析的影響

圖5 末端電磁攪拌旋轉(zhuǎn)模式對碳偏析的影響

3.4 結(jié)晶器電磁攪拌對碳偏析的影響

鋼液中元素的偏析是隨著凝固前沿的推移而逐漸產(chǎn)生的，影響偏析大小的主要因素是電磁攪拌參數(shù)。通常來說Φ300 mm圓坯中心與電磁攪拌線圈中心線有一定距離的偏差——即偏攪集中在線圈外弧的半圓區(qū)，選擇較高電流強度的攪拌力很容易攪拌過強形成負偏析。本研究的最佳結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)為180 A、3 Hz時，碳偏析極差最小，如圖6(a)、(b)所示。

(a)結(jié)晶器電攪電流對碳偏析的影響

(b)結(jié)晶器電攪頻率對碳偏析的影響圖6 結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)對碳偏析的影響

3.5 二冷比水量對碳偏析的影響

Φ300 mm鑄坯一般都采用弱冷方式，二冷強度過大，會造成鑄坯凝固末端的溫度梯度也過大，促進柱狀晶體的生長，減少了等軸晶的比例，加快鑄坯中心樹枝晶搭橋的現(xiàn)象，使中心偏析和疏松嚴重[4]。二冷強度過弱，會造成凝固坯殼太薄，鑄坯表面溫度過高，鑄坯在高溫度下強度低，在鋼液靜壓力作用下，坯殼不均勻生長造成橢圓度超標。本研究證明該連鑄機二冷比水量為0.25 L/kg條件下，碳偏析極差最小，如圖7所示。

3.6 拉速對碳偏析的影響

由于末端電磁攪拌的位置已經(jīng)固定(弧長10.04 m處)，故通過拉速來調(diào)整鋼液到末端電磁攪拌的固相率，本研究證明拉速控制在0.7-0.75 m/min條件下，碳偏析極差最小，如圖8所示。

圖7 二冷比水量對碳偏析的影響

圖8 拉速對碳偏析的影響

3.7 工藝優(yōu)化后40Cr鋼偏析情況

經(jīng)過現(xiàn)場實驗最終確定了在連鑄工藝參數(shù)為連鑄拉速控制在0.7-0.75 m/min、過熱度控制在15-25 ℃、比水量控制在0.25 L/kg、結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)控制在180 A、3 Hz(單向旋轉(zhuǎn))、末端電磁攪拌參數(shù)控制在400 A、8 Hz、正反交替旋轉(zhuǎn)且旋轉(zhuǎn)周期為8s-3s-8s條件下40Cr鋼碳偏析極差最小。在此工藝參數(shù)下生產(chǎn)了50爐40Cr鋼，對其鑄坯鉆屑分析碳偏析極差，結(jié)果如圖9所示。

4 結(jié)論

通過對40Cr鋼鑄坯的低倍及鑄坯橫截面鉆樣分析，找出了鑄坯錠型偏析產(chǎn)生的原因并提出了相應(yīng)改進措施。研究結(jié)果表明，通過合理的控制連鑄拉速、過熱度、首、末端電磁攪拌參數(shù)、比水量可以改善鑄坯錠型偏析，使40Cr鋼圓形鑄坯的碳偏析極差控制在0.05%以內(nèi)。

圖9 工藝優(yōu)化后40Cr鋼碳偏析極差