莊 偉
(寶武特冶有限公司,上海 200940)
高碳高錳奧氏體耐磨鋼具有良好的強(qiáng)度和韌性,且能在使用中加工硬化,耐沖擊耐磨損,被廣泛用于冶金、礦山、建材、煤炭、電力、化工、農(nóng)機(jī)和軍事等領(lǐng)域[1-2]。在高壓力或強(qiáng)烈沖擊力的作用下Mn13高錳鋼表面會發(fā)生加工硬化,而心部仍保持原有的硬度和良好的韌性。
以往,Mn13鋼大多采用模鑄方法生產(chǎn),極少有連鑄生產(chǎn)的報道。目前,通常采用連鑄工藝生產(chǎn)Mn13鋼,但產(chǎn)品常出現(xiàn)縱向裂紋等缺陷。本文通過金相檢驗(yàn)、高溫拉伸試驗(yàn)分析了Mn13鋼連鑄坯縱向開裂的原因。
有縱向裂紋的Mn13鋼連鑄坯的生產(chǎn)流程為EBT/EAF→LF→CC。從鑄坯縱向裂紋部位取樣、制樣,采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察分析缺陷的形貌。
高溫拉伸試驗(yàn)在Gleeble-3800熱/力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試樣尺寸為φ10 mm×120 mm,試驗(yàn)溫度設(shè)定為650~1 200 ℃(間隔為50 ℃),應(yīng)變速率為1×10-3s-1。
采用高溫共聚焦激光顯微鏡研究了Mn13鋼的凝固過程。試樣尺寸為φ5 mm×3 mm。首先將試樣以5 ℃/s的速率加熱至1 450 ℃,使其完全熔化,適當(dāng)保溫后再以1 ℃/s冷卻至室溫,觀察試樣的凝固過程。
Mn13鋼連鑄坯縱向裂紋的宏觀形貌如圖1所示。裂紋通常較深,且有凹陷,多位于鑄坯寬度的中心附近,可達(dá)數(shù)米長,甚至貫穿整個板坯。有的裂紋周邊有漏鋼痕跡,這是由于Mn13鋼流動性好,會沿裂紋溢出。采用掃描電鏡檢驗(yàn)了裂紋是否有保護(hù)渣卷入。
圖1 Mn13鋼連鑄坯縱向裂紋
縱向裂紋主要產(chǎn)生于連鑄坯凹陷等缺陷的底部。對鑄坯橫截面裂紋處進(jìn)行拋光,發(fā)現(xiàn)縱向裂紋最深達(dá)40 mm,如圖2(a)所示。圖2(b)為鑄坯橫截面的金相照片,發(fā)現(xiàn)主裂紋附近還有次裂紋。采用電子探針能譜分析發(fā)現(xiàn),裂紋內(nèi)部含有Fe、Mn元素的氧化物,還有少量Ca和Si,未發(fā)現(xiàn)夾渣成分,如圖3所示。
圖3 裂紋的電子探針分析結(jié)果
圖2 縱向裂紋形貌
圖4是縱向開裂的Mn13鋼鑄坯的抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率隨拉伸試驗(yàn)溫度的變化。由圖4可知,抗拉強(qiáng)度隨試驗(yàn)溫度的降低而升高,在1 200 ℃拉伸時斷面收縮率低于20%,表明Mn13鋼在凝固初期的塑性很差。隨著試驗(yàn)溫度降低至1 050~1 150 ℃,鑄坯斷面收縮率升高,與傳統(tǒng)的第II脆性區(qū)基本一致[3-5]。隨著試驗(yàn)溫度進(jìn)一步降低至1 050~700 ℃,鑄坯斷面收縮率大都低于40%。隨著鋼液的繼續(xù)凝固,在熱應(yīng)力、相變和碳化物等共同作用下,裂紋沿枝晶擴(kuò)展,后面將作詳細(xì)分析。
圖4 Mn13鋼的抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率隨拉伸試驗(yàn)溫度的變化
采用激光共聚焦高溫顯微鏡原位觀察Mn13鋼的凝固行為,結(jié)果如圖5所示。原位觀察試驗(yàn)中,先將試樣熔化,然后觀察冷卻過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn),試樣在1 340 ℃開始形核,在1 200 ℃奧氏體晶界析出碳化物,增大了鑄坯的開裂傾向。當(dāng)錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于12%時,枝狀晶發(fā)達(dá),有晶粒長大和開裂的傾向。在平衡條件下冷卻時,錳一部分固溶于鋼中,另一部分與碳形成滲碳體型碳化物。
圖5 Mn13鋼從熔融態(tài)冷卻過程中的微觀形貌
試樣冷卻至室溫后的顯微組織如圖6所示。可見,等軸晶集中于試樣中部,且周圍有大量碳化物析出;在近試樣邊緣處有發(fā)達(dá)的樹枝晶,且局部枝晶間有裂紋。連鑄坯裂紋多發(fā)生于結(jié)晶器凝固初期,若鋼的液-固兩相區(qū)較寬,則脆性溫度區(qū)間寬,將增大開裂傾向。隨著凝固過程的進(jìn)行,在熱收縮和熱應(yīng)力的作用下,裂紋將沿鑄坯的枝晶和碳化物產(chǎn)生。
圖6 Mn13鋼從熔融態(tài)冷卻至室溫后的顯微組織
通常,由于結(jié)晶器初生坯殼厚度不均勻,當(dāng)承受的應(yīng)力或應(yīng)變超過臨界應(yīng)力或臨界應(yīng)變時,結(jié)晶器內(nèi)坯殼表面會發(fā)生凹陷或萌生裂紋。鑄坯在二冷區(qū)進(jìn)一步冷卻后,凹陷或裂紋將進(jìn)一步擴(kuò)展。如果鑄坯寬面在結(jié)晶器內(nèi)有縱向開裂傾向,結(jié)晶器專家系統(tǒng)中的摩擦力會突然出現(xiàn)峰值,如果摩擦力峰值超過鑄坯能承受的臨界值,就可能產(chǎn)生縱向裂紋[6-8]。如圖7所示,結(jié)晶器內(nèi)摩擦力波動較大,也說明鑄坯/結(jié)晶器間摩擦力大,潤滑狀況差。
圖7 Mn13鋼鑄坯與結(jié)晶器間的摩擦力隨連鑄時間的變化
Mn13鋼連鑄坯冷卻至1 340 ℃及以下溫度時,開始形成柱狀晶,枝晶間能傳遞微小的拉力。當(dāng)冷卻至1 200 ℃以下時,碳化物逐漸析出,進(jìn)一步加大了晶界開裂的傾向,且在950 ℃以下,Mn13鋼的塑性差,更易產(chǎn)生凹陷和裂紋。
(1)Mn13鋼連鑄坯縱向裂紋附近有次裂紋,裂紋內(nèi)有Fe、Mn氧化產(chǎn)物,無保護(hù)渣成分。
(2)Mn13鋼高溫塑性較差,鑄坯在凝固過程中低塑性區(qū)易開裂;在鑄坯冷卻過程中,晶界析出碳化物,導(dǎo)致鑄坯開裂傾向增大。
(3)Mn13鋼連鑄過程為非均勻傳熱和凝固,連鑄結(jié)晶器摩擦力大可以證明這一點(diǎn);提高凝固坯殼厚度和結(jié)晶器熱流的均勻性是避免Mn13鋼連鑄坯縱向開裂的重要途徑。