朱曉雷 ，王爽 ，孔令種 ，吳世龍 ，廖相巍

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山114009；2.東北大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110819；3.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

近年來(lái)，隨著對(duì)高錳高鋁鋼研究的不斷深入，該鋼種表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，使其在汽車制造、海洋工程以及軍工等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。尤其在汽車用鋼領(lǐng)域，高錳高鋁鋼滿足人們對(duì)汽車輕量化、環(huán)境友好和安全性能的要求，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)[1]。雖然人們對(duì)高錳高鋁鋼進(jìn)行了大量的研究，但是這些研究成果的關(guān)注點(diǎn)多是集中在高錳高鋁鋼的變形機(jī)理和進(jìn)一步提高其力學(xué)性能方面，而對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)高錳高鋁鋼的高效化冶煉卻鮮有涉及。

連鑄技術(shù)是實(shí)現(xiàn)鋼種高效化生產(chǎn)的關(guān)鍵手段，在世界范圍內(nèi)，連鑄比已達(dá) 90%以上[2]，有些國(guó)家甚至已實(shí)現(xiàn)鋼種生產(chǎn)的全連鑄。然而，目前對(duì)于高錳高鋁鋼工業(yè)化穩(wěn)定連鑄生產(chǎn)的研究還未見(jiàn)報(bào)道，其相關(guān)的技術(shù)及理論尚待研究?；谶@種情況，在實(shí)驗(yàn)室條件下研究了高錳高鋁鋼的鑄態(tài)組織，并測(cè)定了其熱塑性曲線和熱強(qiáng)性曲線，以期為將來(lái)高錳高鋁鋼連鑄技術(shù)參數(shù)的制定提供方向和理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料準(zhǔn)備

采用200 kg真空感應(yīng)爐進(jìn)行實(shí)驗(yàn)鋼的冶煉。真空系統(tǒng)采用兩級(jí)真空泵，過(guò)程壓力10～40 Pa。首先，通電熔化工業(yè)純鐵，通過(guò)觀察孔觀察其熔化狀態(tài)，熔化后吹入0.05 MPa的氬氣（為了防止加入錳合金汽化）。此后進(jìn)行合金化，加入錳鐵合金和鋁線段，搖爐使合金熔化，出鋼（真空澆鑄），模鑄（鑄錠尺寸為 150 mm×150 mm×800 mm）。 實(shí)驗(yàn)選取了3種不同成分的高錳高鋁鋼，其成分見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼種成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

1.2 取樣與檢測(cè)方案

取樣方法：縱向剖開(kāi)鑄錠，在其中的半個(gè)鋼錠取縱向低倍試樣；將另一半沿縱向平均分成4份，可從中切取3塊橫向低倍試樣。鋼錠低倍檢測(cè)取樣位置示意圖見(jiàn)圖1，圖中標(biāo)有 “△”的為試樣加工面，磨光后進(jìn)行低倍分析，帶有斜線的面表示試樣的厚度面，通過(guò)酸浸，得到鑄錠的低倍組織。

采用Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)測(cè)定了實(shí)驗(yàn)鋼種的熱塑性和熱強(qiáng)性曲線。本次實(shí)驗(yàn)在1#、2#和3#鋼錠中部上都取長(zhǎng)度100 mm，直徑10 mm的鋼棒，分別放入Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)里，在相同條件下，將溫度設(shè)置為700～1 300℃進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。

圖1 鋼錠低倍檢測(cè)取樣位置示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 低倍組織形貌

圖2為3種高錳高鋁鋼的縱向低倍組織照片。由圖2（a）可清晰地看出，1#鋼的柱狀晶特別發(fā)達(dá)，晶體尺寸也十分粗大。這種發(fā)達(dá)的柱狀晶組織會(huì)嚴(yán)重降低鑄坯的強(qiáng)度和韌性，若使用連鑄機(jī)進(jìn)行澆注，在鑄坯矯直過(guò)程中非常容易產(chǎn)生裂紋，這也是高錳高鋁鋼連鑄困難的重要原因之一。即使連鑄坯不因粗大的柱狀晶而產(chǎn)生裂紋，但這種具有＜001＞晶體學(xué)取向的柱狀晶，在后續(xù)軋制過(guò)程中會(huì)形成{001}＜110＞和{112}＜110＞織構(gòu)，退火也很難使該織構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。在鋼的成形過(guò)程中該織構(gòu)形變能力與其它晶體學(xué)織構(gòu)差異大，在制品表面會(huì)出現(xiàn)凸凹不平的缺陷。

1#鋼柱狀晶粗大很大程度上是由于其特殊的熱物性參數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[3]報(bào)道，高錳高鋁鋼的導(dǎo)熱系數(shù)較低，這就導(dǎo)致了鋼液凝固過(guò)程中傳熱困難，熱流在液相和固相中蓄積，有利于晶體的長(zhǎng)大。另外，由于熱流也在液相中蓄積，引起鋼液過(guò)冷度降低，造成凝固過(guò)程中形核困難。這兩方面都有利于柱狀晶的長(zhǎng)大，導(dǎo)致如圖2（a）所示粗大柱狀晶的出現(xiàn)。因此，在使用連鑄機(jī)澆注高錳高鋁鋼時(shí)，抑制柱狀晶長(zhǎng)大、增加等軸晶率非常關(guān)鍵。建議采用低過(guò)熱度澆注，并加強(qiáng)電磁攪拌。

圖2 高錳高鋁鋼縱向低倍組織

然而，隨著鋼中Al含量的增加，柱狀晶的比例降低，其尺寸也減小，如圖 2（b）和圖 2（c）所示，相對(duì)于1#鋼，2#和3#鋼柱狀晶區(qū)的比例明顯降低，晶體尺寸也大幅度降低。鋼中Al含量對(duì)凝固組織的這種影響也許能夠從堆垛層錯(cuò)能的角度來(lái)解釋。由文獻(xiàn)[4]研究結(jié)果可知，隨著高錳高鋁鋼中Al含量的增加，其層錯(cuò)能也隨之增加。層錯(cuò)能增加到一定程度后，粗大的柱狀晶就變得不再穩(wěn)定，分解成為若干個(gè)尺寸較小的晶體，這些細(xì)小的晶體會(huì)成為新的晶核，從而形成了如圖2（b）和圖2（c）所示的組織。當(dāng)然這種解釋尚需通過(guò)更為深入的研究進(jìn)行驗(yàn)證，但是通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以確認(rèn)，增加鋼中Al含量能夠起到減小鑄態(tài)組織晶體尺寸并強(qiáng)化鑄坯組織性能的作用。另外，圖3所示的高錳高鋁鋼橫向低倍組織也驗(yàn)證了這一推斷。

圖3 高錳高鋁鋼橫向低倍組織

2.2 高溫?zé)崴苄?/h3>

根據(jù) Mintz[5]等人的研究結(jié)果，鋼液在凝固過(guò)程中存在3個(gè)脆性溫度區(qū)，第一脆性溫度區(qū)為鋼液熔點(diǎn)至1 200℃，第二脆性溫度區(qū)為1 200～900℃，第三脆性溫度區(qū)為900～600℃。由經(jīng)驗(yàn)可知，Al的加入使鋼的高溫低塑性區(qū)向高溫區(qū)域偏移，斷面收縮率在40%以下說(shuō)明該鋼種的高溫塑性不好。圖4為高錳高鋁鋼熱塑性和熱強(qiáng)性曲線。3種高錳高鋁鋼的熱塑性曲線見(jiàn)圖4（a）。由圖4（a）可以看出，在1 100℃以上的高溫區(qū)，3#鋼種總體的高溫?zé)崴苄暂^好，但其在1 100℃明顯存在脆性區(qū)。1#、2#鋼種總體塑性較差，在連鑄過(guò)程中極易在鑄坯表面產(chǎn)生裂紋。因此這3個(gè)鋼種在連鑄過(guò)程中應(yīng)采用弱冷制度，以保證鑄坯表面質(zhì)量滿足要求。由圖4（b）所示的高溫?zé)釓?qiáng)性曲線可知，最大力值隨著溫度的下降而上升，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，3#鋼種高溫?zé)釓?qiáng)性最好，1#鋼種高溫?zé)釓?qiáng)性最差，說(shuō)明在相同條件下，3#鋼種汽車鋼板抵抗塑性變形和破壞的能力較強(qiáng)，而1#鋼種則較差。

2.3 微觀金相組織

采用4%硝酸酒精腐蝕劑對(duì)1#、2#鋼種腐蝕，時(shí)間為2.5 min,觀察其100倍金相組織如圖5所示（由于機(jī)加工的原因，3#未切出金相試樣）。從圖5可以看出，1#、2#鋼的組織都是奧氏體。奧氏體塑性很好，強(qiáng)度較低，具有一定韌性，不具有鐵磁性，奧氏體因?yàn)槭敲嫘牧⒎?，四面體間隙較大，可以容納更多的碳，符合第四代輕質(zhì)汽車鋼板材的微觀要求。另外，從圖5中還可以看出，1#鋼奧氏體組織尺寸明顯大于2#鋼，而且在1#鋼奧氏體組織中有鐵素體析出，這種從奧氏體中析出的鐵素體對(duì)鋼的強(qiáng)度和韌性影響很大，尤其是在晶界析出的鐵素體會(huì)誘發(fā)沿晶裂紋的出現(xiàn)，導(dǎo)致鋼的熱塑性降低，這也很好地解釋了圖4中，2#鋼的熱塑性優(yōu)于1#鋼。

圖4 高錳高鋁鋼熱塑性和熱強(qiáng)性曲線

圖5 高錳高鋁鋼金相組織

3 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用真空感應(yīng)爐冶煉3種不同成分的高錳高鋁鋼，通過(guò)分析其低倍組織、測(cè)定熱塑性、熱強(qiáng)性曲線和觀察金相組織，得到以下結(jié)論：

（1）高錳高鋁鋼的柱狀晶組織比較發(fā)達(dá)，其晶體尺寸也較粗大。隨著鋼中Al含量的增加，柱狀組織所占比例減小，晶體尺寸也隨之減小。

（2）隨著鋼中Al含量的增加，鋼的熱塑性有所改善。

（3）高錳高鋁鋼幾乎為全奧氏體組織，但在凝固過(guò)程中會(huì)有少量的鐵素體析出，并且在晶界析出的鐵素體會(huì)嚴(yán)重影響鋼的熱塑性，是誘發(fā)連鑄坯角部裂紋的主要原因之一。

[1] 趙培峰,國(guó)秀花,宋克興.高錳鋼的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,2008（4）:85-88.

[2] 朱苗勇.現(xiàn)代冶金工藝學(xué)[M].冶金工業(yè)出版社,2011.

[3]楊健.寶鋼中高錳鋼連鑄技術(shù)基礎(chǔ)研究[C]∥第十八屆（2014年）全國(guó)煉鋼學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京：中國(guó)金屬學(xué)會(huì)，2014.

[4] Chen Liqing,Zhao Yang,Qin Xiaomei.Some Aspects of High Manganese Twinning-Induced Plasticity Steel,A Review [J].Acta Metallurgica Sinica（English Letters）,2013,26（1）:1-15.

[5] Mintz B,Yue S,Jonas J J.Hot ductility of steels and its relationship to the problem of transverse cracking during continuous casting [J].International Materials Reviews,1991,36（1）:187-220.