特殊钢大方坯碳偏析遗传性及其轧材组织特征研究

櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿 櫿櫿櫿櫿櫿櫿櫿 氄 氄氄 氄 生产实践 特殊钢大方坯碳偏析遗传性及其轧材 组织特征研究 许伟阳，曹志刚，颜慧成，唐广波，仇圣桃 (钢铁研究总院连铸技术国家工程研究中心，先进钢铁流程及材料国家重点实验室，北京 100081) 摘 要:通过跟踪特钢 20CrMnTi和 42CrMo的生产，分别对同一炉次铸坯和轧材取样，分析其低倍组织和碳偏析。 结果表明:铸坯中的碳偏析会遗传到轧材，轧材出现锭型偏析，轧材低倍组织与铸坯凝固结构相关。针对轧材的锭 型偏析区域，用光学显微镜观察其显微组织，发现锭型内外区域的显微组织不同，并且 20CrMnTi 的轧材存在带状 组织，这对组织性能的均匀性不利，影响成品质量。 关键词:特殊钢;碳偏析;遗传性;大方坯;轧材 中图分类号:TF777. 2，TG142. 1 文献标识码:A 文章编号:1004 － 7638(2011)04 － 0087 － 05 Carbon Macrosegregation Heredity of Cast Bloom of Special Steel and Microstructure Characteristics of Its Rolled Bar Xu Weiyang ，Cao Zhigang，Yan Huicheng，Tang Guangbo，Qiu Shengtao (The State Key Laboratory of Advanced Processes and Products for Iron and Steel，National Engineering Research Center of Continuous Casting Technology，Central Iron and Steel Research Institute，Beijing 100081，China) Abstract:We followed the production of 20CrMnTi and 42CrMo steel and took the samples of cast bloom and rolled bar at the same batch． By analyzing their macrostructure and carbon macrosegregation，we found the carbon segregation had definitely inherit characteristics from cast bloom to its rolled bar，which led to segregation with ingot shape in the rolled bar，and the macrostructure of rolled bar was related with solidification structure of cast bloom． We observed the segregation in the rolled bar under the optical mi- croscope and found that the rolled bar had different macrostructure in and out of the ingot-shape area． We also found banded structure in the 20CrMnTi steel which was bad for homogeneity and finally influenced the quality of finished products． Key words:special steel;carbon segregation;heredity;bloom;rolled bar 0 引言 特殊钢大方坯轧材经常出现锭型偏析，对成品 的质量不利［1］。锭型偏析的出现与连铸坯碳分布 情形有关。目前针对连铸大方坯轧材出现锭型偏析 的报道研究较少。笔者就某厂生产 20CrMnTi 及 42CrMo时轧材出现锭型偏析的情况，跟踪其生产流 程并取样分析，研究特殊钢轧材锭型偏析形成原因， 并对轧材的组织特征进行研究，分析锭型偏析对轧 制组织的影响。 收稿日期:2011 － 05 － 31 作者简介:许伟阳(1988—) ，男，福建人，钢铁研究总院硕士生，主要从事连铸质量控制研究。 第 32 卷第 4 期 2011 年 10 月 钢 铁 钒 钛 IRON STEEL VANADIUM TITANIUM Vol． 32，No． 4 October 2011 1 生产工艺状况及研究方法 生产 20CrMnTi 及 42CrMo 的工艺流程为: BOF—LF—VD—CC—加热炉—可逆轧机—精轧机 组，主要生产技术参数如表 1 所示。20CrMnTi 及 42CrMo的内控成分如表 1 和表 2 所示。 表 1 主要生产技术参数 Table 1 Major technical parameters 连铸机机型 浇铸断面(mm × mm) 弧半径 /m 中间包类型 结晶器类型 结晶器铜板长度 /m 直弧形，带液芯多点连续矫直，方板兼用 300 × 430 10 梯型中间包 直结晶器 900 结晶器液面控制 结晶器振动方式 结晶器电磁搅拌 电磁搅拌频率 /Hz 电磁搅拌电流 /A 粗轧 精轧 放射性元素 Co60 液压振动 外置旋转磁场 2． 5 400 800 二辊可逆式 四平四立连轧机组 表 2 20CrMnTi和 42CrMo的内控化学成分 Table 2 Chemical compositions of gear steel 20CrMnTi and structure steel 42CrMo % 钢种 C Si Mn P S Cr Mo Ti 20CrMnTi 0． 18 ～ 0． 21 0． 20 ～ 0． 30 0． 95 ～ 1． 15 ≤0． 020 ≤0． 015 1． 05 ～ 1． 20 ≤0． 005 0． 05 ～ 0． 07 42CrMo 0． 39 ～ 0． 42 0． 20 ～ 0． 30 0． 65 ～ 0． 75 ≤0． 020 ≤0． 015 1． 05 ～ 1． 15 0． 16 ～ 0． 25 0． 05 ～ 0． 07 基本研究方法为跟踪特钢生产流程，对相应炉 次的连铸坯及圆钢进行取样，然后分 3 个方面进行 检测分析:①用酸液对铸坯和轧材进行低倍侵蚀;② 钻孔取屑，分析钢中的碳成分，钻孔取样位置如图 1 所示，钻孔的位置为中心，由中心到表面距离 1 /4、 1 /2、3 /4 处及表皮下处(铸坯为皮下 10 mm，圆钢为 皮下 5 mm) ;③切取一定大小的轧材样，处理后用光 学显微镜观察轧材组织。 图 1 钻孔取样位置 Fig. 1 The drilling and sampling positions of cast bloom and rolled bar 2 结果及分析 2. 1 低倍组织及碳偏析 铸坯和轧材的低倍组织如图 2 所示，轧材直径 是 90 mm。碳偏析值由以下公式［2］得到:Ri = Ci ∑ i = n Ci /n ，Ci 表示某取样点的碳含量，n 表示取样点的 个数，i为 1，2……，n。得到铸坯和轧材的碳偏析如 图 3 所示，图中 1 /4r、1 /2r、3 /4r、皮下处的碳偏析由 8 个方向对应位置的碳偏析取平均值得到(参考图 1)。轧材没在表皮下取点。 由图 2 可知，连铸坯低倍组织分为 3 个区域:色 深表面激冷层、色深的柱状晶区和色浅的等轴晶区。 轧材的低倍组分也分成 3 个区域:色浅的表层、色深 的方框区域和色浅的中部区域。连铸坯的等轴晶区 域为 140 mm ×270 mm，比例为 29. 3%，轧材色浅中 部区域为 36 mm ×52 mm，比例为 28. 9%。 由图 3 可知连铸坯和轧材都存在较严重的中心 碳偏析。连铸坯凝固组织与碳偏析相关。表层激冷 层为碳负偏析，柱状晶区为碳正偏析，等轴晶区为碳 负偏析，由于组织颜色与碳含量相关，所以这 3 个区 域颜色依次为浅 －深 －浅。铸坯在轧制过程组织发 生改变，但碳偏析的分布和形态还是保留下来，只是 偏析程度能得到一定程度的改善，如图 3 所示，轧材 和铸坯的碳偏析基本相近，只是中心碳偏析较小了。 由此可见碳偏析具有遗传性，轧材低倍组织色浅表 ·88· 钢 铁 钒 钛 2011 年第 32 卷 层、色深方框区域及色浅的中部区域分别对应于原 来铸坯中的激冷表层、柱状晶区和等轴晶区。由于 等轴晶区位矩形且柱状晶区也成矩形环，在轧材上 便呈现锭型偏析。 图 2 20CrMnTi方形铸坯(左)和圆钢轧材(右)的低倍组织 Fig. 2 The etched macrostructure of 20CrMnTi cast bloom(left)and rolled bar(right) 图 3 20CrMnTi铸坯和轧材碳偏析分布 Fig. 3 The carbon segregation distribution of 20CrMnTi cast bloom and rolled bar 42CrMo的连铸坯和轧材的低倍组织如图 4 所 示，轧材的直径为 130 mm，碳偏析情况如图 5 所 示，可以看出轧材碳偏析分布与铸坯碳偏析分布形 式大体一致，轧材中心的偏析值较铸坯低，而 1 / 4R、1 /2R及 3 /4R 处均较铸坯高。类似地连铸坯 和轧材低倍组织也分为 3 个区域，轧材的碳偏析遗 传自连铸坯。 由以上分析结果可知，轧材方框碳偏析的出现 与铸坯组织等轴晶区与柱状晶有明显对应关系。轧 材和铸坯的整体形式一致，轧材与铸坯的偏析值比 较目前无法给出结论，这需经过大量统计分析才能 得到。 图 4 42CrMo方形连铸坯(左)和圆钢轧材(右)的低倍组织 Fig. 4 The etched macrostructure of 42CrMo cast bloom(left)and rolled bar(right) 2. 2 轧材组织观察和分析 2. 2. 1 20CrMnTi轧材组织 取样位置如图 2 圆形轧材低倍照片所示，在低 倍组织显示的锭型界面附近取样，样包含色深的锭 型区域和色浅的中部区域，其中色深区靠外，色浅区 靠内。用光学显微镜分别观察横截面内、外侧及两 ·98· 第 4 期 许伟阳等:特殊钢大方坯碳偏析遗传性及其轧材组织特征研究 图 5 42CrMo的铸坯及轧材碳偏析 Fig. 5 The carbon segregation of 42CrMo cast bloom and rolled bar 个纵剖面内、外侧的显微组织差异。由图 6 可知，横 截面方框界面内侧晶粒较外侧细小、均匀，珠光体含 量也较外侧略多。内、外侧纵剖面均显示出带状组织 形貌，根据 GB/T 13299 －1991中 5. 3及附录 A3 进行 带状组织评级，此试样带状组织级别为 2 级;外侧带 状组织带宽较内侧大，带状组织较内侧严重，这也与 图 6中观察到的外侧组织较内侧粗大的结果对应。 带状组织对钢材质量造成不利影响［3］，需控制消除。 由此可见，轧材锭型偏析区域内、外组织不均 匀，对产品性能不利。外侧部分原始铸坯组织处于 柱状晶区，内侧部分则处在等轴晶区，两个区域碳成 分不同，柱状晶区为碳正偏析，等轴晶区为碳负偏 析。对于带状组织，一般归结为碳锰等元素的枝晶 偏析导致。组织受成分影响，外侧处在方框的色深 处，碳偏析大，对应的带状组织也严重。 图 6 90 规格 20CrMnTiH圆钢试样金相组织(100 ×) Fig. 6 The metallurgical structure of 90 grade 20CrMnTiH rolled bar sample at the cross section and longitude section 2. 2. 2 42CrMo轧材组织 取样位置如图 4 所示，在低倍组织显示的锭型 界面附近取样。分别观察样横截面内、外侧及内、外 两个纵剖面的显微组织差异。观察结果(图 7)显 示，42CrMo圆钢的横截面金相组织为珠光体 /铁素 体组织，其特征为以珠光体为主，铁素体为晶界先共 析铁素体。方框界面内侧珠光体含量较外侧多，晶 粒大小程度略比外侧粗大。 42CrMo圆钢的纵剖面金相组织特征也为以珠 光体为主掺杂少量晶界先共析铁素体。内、外侧纵 剖面均未显示出明显的带状组织形貌。从放大倍数 较高的图像也可以看出，锭型界面内侧铁素体含量 明显少于外侧，这与从横截面观察到的结果 对应。 ·09· 钢 铁 钒 钛 2011 年第 32 卷 图 7 130 规格 42CrMo圆钢试样横截面金相组织(200 ×) Fig. 7 The metallurgical structure of 130 grade 42CrMo rolled bar sample at the cross section and longitude section 3 结论 1)轧材中锭型偏析遗传自连铸坯。轧材低倍 的色浅表层、色深环框及色浅的中部区域分别对应 连铸坯的激冷表层区域、柱状晶区域和等轴晶区域。 且二者都表现为色深处碳正偏析，色浅处碳负偏析。 2)20CrMnTi轧材出现带状组织，锭型界面内侧 色浅区域的带状组织较外侧色深区域严重，晶粒较 外侧细小、均匀，珠光体含量也较外侧略多。 3)42CrMo轧材没出现明显带状组织，锭型界面 内侧珠光体含量较外侧多，晶粒大小程度略比外侧 粗大。 参考文献 ［1］ Liu Yongquan． The heat treatment of steel［M］． Beijing:Metallurgical Industry Press，1981． (刘永铨 ．钢的热处理［M］ ．北京:冶金工业出版社，1981．) ［2］ Yang Jichun，Guo Dianfeng． The evolvement analysis on center carbon segregation of U74 heavy rail steel bloom after blooms rolling［J］． Journal of Baotou University of Iron and Steel Technology，2006，25(2) :119 － 122． (杨吉春，郭殿峰 ． U74 重轨大方坯开坯后中心碳偏析的演变分析［J］．包头钢铁学院学报，2006，25(2) :119 － 122．) ［3］ Liu Yunxu． Reason of formation，harmful effect and removal of band structure in low carbon alloy steel［J］． The Heat Treatment of Metal，2000，25(12) :1 － 3． (刘云旭 ．低碳合金钢中带状组织的成因、危害和消除［J］．金属热处理，2000，25(12) :1 － 3． ) 编辑 櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵櫵 余文华 欢迎订阅 欢迎投稿 欢迎惠顾广告 ·19· 第 4 期 许伟阳等:特殊钢大方坯碳偏析遗传性及其轧材组织特征研究