王海軍 孫明翰 朱志旺 杜鳳山 許志強(qiáng)

1.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，秦皇島，0660042.燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，秦皇島，066004

0 引言

第二相強(qiáng)化利用彌散分布于合金基體組織中的第二相粒子有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，是用于強(qiáng)化金屬材料的有效方法之一[9]。劉明陽(yáng)等[10]對(duì)鋁合金電磁鑄軋板帶中的第二相粒子分布進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明電磁場(chǎng)有利于改善鋁合金鑄軋板坯的宏觀偏析，使元素分布更為均勻，第二相粒子不是僅僅偏聚在晶界上，而是更加彌散地分布到基體內(nèi)部，從而增強(qiáng)了板坯的力學(xué)性能。但電磁鑄軋脈沖頻率低，施加裝置復(fù)雜，應(yīng)用范圍存在一定的局限性，對(duì)鑄軋板坯力學(xué)性能強(qiáng)化作用有限。李純遲等[11]在研究鋁合金鑄軋板坯均勻化工藝時(shí)提出，板坯中不均勻分布的細(xì)小第二相以及粗大金屬間化合物粒子是材料應(yīng)力集中與裂紋萌生之處，對(duì)材料的斷裂韌性極為不利，因此可通過(guò)均勻化工藝控制板坯中第二相粒子的形狀及分布以達(dá)到彌散強(qiáng)化的效果。亓效剛等[12]在研究微合金鋼第二相粒子對(duì)焊接熱影響區(qū)奧氏體晶粒影響時(shí)指出，微合金鋼中大量存在的第二相粒子尺寸越細(xì)小，對(duì)奧氏體的釘扎力越大，細(xì)化晶粒的效果越明顯，當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ映叽缭龃蠛?，?duì)奧氏體的釘扎效果大為減弱。

以上研究表明：合金內(nèi)第二相粒子的尺寸、形狀、分布等特征對(duì)合金的顯微組織及力學(xué)性能均有顯著的影響，這為解決合金鋼鑄軋技術(shù)中板坯熱裂傾向高、斷裂韌性差、抗拉強(qiáng)度低等問(wèn)題提供了解決思路，即可以通過(guò)改善合金鋼鑄軋板坯中第二相粒子的析出狀況來(lái)強(qiáng)化其力學(xué)性能。

田學(xué)鋒等[13]在研究機(jī)械振動(dòng)對(duì)消失模鑄造鎂合金組織及力學(xué)性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，機(jī)械振動(dòng)使合金中出現(xiàn)新的沉淀相Al13Mn12，新沉淀相出現(xiàn)的原因?yàn)榧ふ窳Φ拇嬖谑谷廴诤辖鹬写嬖谠S多微小“空穴”，“空穴”復(fù)合產(chǎn)生的附加壓力使合金的液態(tài)自由能發(fā)生變化，激振力的存在改變了溶質(zhì)的傳輸與分布也是新沉淀相出現(xiàn)的原因之一。張浩等[14]研究了機(jī)械振動(dòng)對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)增強(qiáng)Mg97Y2Cu1合金凝固組織和力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明經(jīng)機(jī)械振動(dòng)處理后Mg97Y2Cu1合金中第二相的分布變得連續(xù)均勻，對(duì)提高合金的強(qiáng)度和塑形有積極作用。以上研究說(shuō)明機(jī)械振動(dòng)能改變合金凝固組織中第二相粒子的種類、分布等特征，從而達(dá)到改善合金力學(xué)性能的目的?；诖耍瑸榻鉀Q合金鋼鑄軋板坯力學(xué)性能低于預(yù)期的問(wèn)題，雙輥薄帶振動(dòng)鑄軋技術(shù)被提出，在傳統(tǒng)鑄軋過(guò)程中引入機(jī)械振動(dòng)，通過(guò)改善鑄軋板坯中第二相粒子的分布、種類等特征達(dá)到強(qiáng)化鑄軋板坯力學(xué)性能的目的。

本文以自主設(shè)計(jì)研發(fā)的雙輥薄帶振動(dòng)鑄軋機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了一系列的振動(dòng)與非振動(dòng)鑄軋對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了振動(dòng)鑄軋對(duì)鑄軋板坯的力學(xué)性能的改善效果。并進(jìn)一步對(duì)有無(wú)振動(dòng)兩種條件下的第二相粒子析出過(guò)程進(jìn)行了對(duì)比分析，旨在研究振動(dòng)鑄軋中所施加的機(jī)械振動(dòng)對(duì)鑄軋板坯中第二相粒子強(qiáng)化板坯力學(xué)性能的影響機(jī)理。

1 鑄軋實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本文利用自主設(shè)計(jì)研發(fā)的φ500 mm×350 mm中試級(jí)雙輥薄帶振動(dòng)鑄軋機(jī)進(jìn)行了一系列振動(dòng)、非振動(dòng)鑄軋對(duì)比實(shí)驗(yàn)。該鑄軋機(jī)主要工作原理及實(shí)際設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

(a)振動(dòng)鑄軋?jiān)?/p>

(b)振動(dòng)鑄軋機(jī)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)圖1 雙輥薄帶振動(dòng)鑄軋機(jī)工作原理及設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Principle and equipment site of twin-roller strip vibratory cast-rolling mill

圖1b所示的振動(dòng)鑄軋機(jī)主要由冶煉系統(tǒng)、主傳動(dòng)系統(tǒng)、澆鑄系統(tǒng)、結(jié)晶輥輥系、液壓控制系統(tǒng)、振動(dòng)平臺(tái)、電控操作臺(tái)以及冷卻水循環(huán)系統(tǒng)等幾部分組成。

詩(shī)的字里行間清晰地表明，鄉(xiāng)愁在詩(shī)人的不同人生階段是具有不同涵義的，分別體現(xiàn)在詩(shī)的4小節(jié)中：詩(shī)人對(duì)辛勞母親的綿綿牽掛（第1節(jié)）、詩(shī)人對(duì)新婚妻子的深深思念（第2節(jié)）、詩(shī)人對(duì)已逝母親的無(wú)限哀思（第3節(jié)）以及詩(shī)人對(duì)祖國(guó)統(tǒng)一的無(wú)比向往（第4節(jié)）。而這4層不同的涵義又是通過(guò)詩(shī)中所使用的郵票、船票、墳?zāi)购秃{這4個(gè)不同的喻體來(lái)傳遞的，如圖1所示。

本次實(shí)驗(yàn)選用材料為20CrMn低合金鋼，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。鑄軋實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 20CrMn的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 鑄軋實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

鑄軋實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：①鋼材熔煉，將準(zhǔn)備好的20CrMn低合金鋼放入中頻熔煉爐中進(jìn)行熔煉；②中間包靜置，熔煉完成后利用中頻爐翻轉(zhuǎn)裝置將鋼液傾倒入預(yù)熱至指定溫度的中間包內(nèi)靜置；③待中間包內(nèi)鋼液降溫至預(yù)定溫度時(shí)，通過(guò)控制塞棒的開(kāi)合程度控制鋼液的流速，鋼液流出中間包后依次流經(jīng)上水口、下水口、布流器并最終流入雙輥之間的熔池；④在預(yù)設(shè)置好相關(guān)工藝參數(shù)的結(jié)晶輥輥系的冷卻及軋制作用下，鋼液形成鑄軋板坯，為保留板坯形成時(shí)的顯微組織特點(diǎn)，在板坯離開(kāi)輥系后即對(duì)其進(jìn)行水冷淬火。

分別在振動(dòng)與非振動(dòng)條件下進(jìn)行上述鑄軋實(shí)驗(yàn)得到相應(yīng)板坯，并在板坯中部沿縱向各自取3組試件，以備后續(xù)測(cè)試使用。

2 測(cè)試過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 拉伸試驗(yàn)

利用線切割設(shè)備分別在振動(dòng)、非振動(dòng)鑄軋板坯上沿縱向截取3組拉伸試件，試件尺寸以GB6397—86為準(zhǔn)。利用800號(hào)砂紙對(duì)拉伸試件進(jìn)行打磨，消除試件表面的氧化皮以及側(cè)面的線切割痕跡，打磨完成后利用CSS-44100拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

以上拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，與非振動(dòng)鑄軋板坯相比，振動(dòng)鑄軋板坯的屈服強(qiáng)度由289 MPa提高到324 MPa，增幅為12.11%；抗拉強(qiáng)度由302 MPa提升至346 MPa，增幅為14.57%；伸長(zhǎng)率由18%提升為25%，增幅為38.9%。以上變化表明鑄軋過(guò)程中機(jī)械振動(dòng)的引入對(duì)鑄軋板坯的強(qiáng)度以及塑性都有明顯的提升效果。

2.2 斷口形貌觀察

利用ZeIS-Sigma 500掃描電鏡(SEM)對(duì)拉伸試驗(yàn)中所得試件的斷口形貌進(jìn)行了觀察與分析。觀察結(jié)果如圖2所示。

(a)振動(dòng)

(b)非振動(dòng)圖2 拉伸試件斷口形貌Fig.2 Fracture morphology of tensile specimens

觀察對(duì)比振動(dòng)、非振動(dòng)條件下所得試件的斷口形貌可以發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)試件韌窩小而深且均勻密集分布，說(shuō)明裂紋擴(kuò)展阻力大，材料強(qiáng)度與韌性較好。而非振動(dòng)試件中韌窩存在明顯的分布不均現(xiàn)象，部分韌窩深度淺，該處金屬裂紋擴(kuò)展能力較強(qiáng)，塑性較差；另有一部分韌窩小且密集分布，該部分金屬?gòu)?qiáng)度和塑性相對(duì)較好，這種不均勻狀態(tài)將導(dǎo)致非振動(dòng)鑄軋板坯的強(qiáng)度與塑性均處于較低水平。觀察結(jié)果還顯示，在小而深的韌窩中一般都能發(fā)現(xiàn)第二相粒子的存在，而大而淺的韌窩中則沒(méi)有。這說(shuō)明第二相粒子的存在增大了裂紋擴(kuò)展的阻力，從而增強(qiáng)了材料的強(qiáng)度與韌性。與韌窩的分布規(guī)律一樣，與非振動(dòng)鑄軋板坯相比，第二相粒子在振動(dòng)鑄軋板坯中的分布更為均勻。可以推斷，振動(dòng)能有效改善鑄軋板坯中第二相粒子的分布，使其在基體中呈現(xiàn)彌散分布的特征，從而同時(shí)改善板坯的強(qiáng)韌性與塑性。

2.3 X射線能譜檢測(cè)

為探究振動(dòng)對(duì)鑄軋過(guò)程中第二相粒子析出行為的作用機(jī)理，利用X射線能譜儀(EDS)對(duì)斷口韌窩中發(fā)現(xiàn)的第二相粒子進(jìn)行檢測(cè)，為保證檢測(cè)結(jié)果的全面性與準(zhǔn)確性，對(duì)試件進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)，選取點(diǎn)包括同一大顆粒上的不同點(diǎn)、不同的小顆粒以及基體。振動(dòng)試件與非振動(dòng)試件的能譜檢測(cè)結(jié)果分別如圖3～圖6所示。

圖3 能譜檢測(cè)點(diǎn)分布(振動(dòng)鑄軋)Fig.3 Energy spectrum detection point distribution (vibratory cast-rolling)

(a)第1點(diǎn)

(c)第3點(diǎn)

(e)第5點(diǎn)

(b)第2點(diǎn)

(d)第4點(diǎn)

(f)第6點(diǎn)

圖4 振動(dòng)鑄軋拉伸試件斷口第二相粒子能譜檢測(cè)結(jié)果

Fig.4 Energy spectrum detection results of the second phase particles in the fracture ofthe vibratory cast-rolling tensile specimens

在圖3、圖5的能譜圖基礎(chǔ)上，排除干擾峰，確定振動(dòng)、非振動(dòng)鑄軋拉伸試件斷口中第二相粒子的成分組成，結(jié)果如表4所示。

圖5 能譜檢測(cè)點(diǎn)分布(非振動(dòng)鑄軋)Fig.5 Energy spectrum detection point distribution (vibrationless cast-rolling)

鑄軋板坯中第二相粒子按尺寸可分為大尺寸顆粒與小尺寸顆粒，其中大尺寸顆粒直徑約30 μm，小尺寸顆粒直徑約5 μm。其中，振動(dòng)鑄軋與傳統(tǒng)鑄軋板坯中的小尺寸第二相粒子化學(xué)組成基本一樣，可分為兩類，分別為各種合金元素與Fe的金屬間化合物以及各種元素的氧化物。振動(dòng)鑄軋與非振動(dòng)鑄軋?jiān)诖蟪叽绲诙嗔Ｗ拥幕瘜W(xué)組成上有所區(qū)別，振動(dòng)鑄軋板坯中的大顆粒均為Fe的碳化物和氧化物，并無(wú)合金元素的存在，而非振動(dòng)鑄軋板坯中大顆粒內(nèi)則存在合金元素Mn。

在沉淀過(guò)程中，第二相粒子在長(zhǎng)大的同時(shí)會(huì)發(fā)生由與基體的共格向非共格的過(guò)渡。與基體共格的小顆粒會(huì)在基體中引起點(diǎn)陣錯(cuò)配，由此產(chǎn)生的彈性應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)周圍的彈性應(yīng)力場(chǎng)相互作用，起到阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高合金強(qiáng)度的作用。而已經(jīng)完成了向非共格過(guò)渡的大尺寸第二相粒子周圍的共格應(yīng)變場(chǎng)遭到破壞，粒子對(duì)合金的強(qiáng)化效果相應(yīng)減弱，甚至由于大顆粒與基體的接觸區(qū)域具有較高的裂紋敏感性，大尺寸第二相粒子對(duì)基體的力學(xué)性能可能起到負(fù)面的綜合效果。

對(duì)鑄軋板坯中第二相粒子組成元素的分析結(jié)果表明，相比于非振動(dòng)鑄軋板坯中合金元素廣泛分布于各種尺寸的第二相粒子中，振動(dòng)鑄軋板坯中合金元素集中于對(duì)合金力學(xué)性能有明顯強(qiáng)化作用的小尺寸第二相粒子中，這種差異說(shuō)明鑄軋過(guò)程中振動(dòng)的引入能優(yōu)化合金元素在第二相粒子中的分布，提高合金元素的使用效率，從而達(dá)到最大程度強(qiáng)化金屬的目的，這與表3中振動(dòng)、非振動(dòng)鑄軋板坯拉伸試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果符合。

(a)第1點(diǎn)

(c)第3點(diǎn)

(e)第5點(diǎn)

(b)第2點(diǎn)

(d)第4點(diǎn)

(f)第6點(diǎn)

圖6 非振動(dòng)鑄軋拉伸試件斷口第二相粒子能譜檢測(cè)結(jié)果

Fig.6 Energy spectrum detection results of the second phase particles in the fracture ofthe vibrationless cast-rolling tensile specimens

表4 第二相粒子的組成元素

3 第二相粒子動(dòng)力學(xué)分析

X射線能譜檢測(cè)結(jié)果表明，振動(dòng)鑄軋中引入的機(jī)械振動(dòng)能優(yōu)化合金元素在第二相粒子中的分布，使其集中分布于對(duì)基體有明顯強(qiáng)化作用的小尺寸第二相粒子中，而對(duì)基體綜合力學(xué)性能有負(fù)面效應(yīng)的大尺寸粒子中則不存在。為進(jìn)一步探究這種合金元素選擇性分布的形成機(jī)理，本文對(duì)第二相粒子進(jìn)行了初步的動(dòng)力學(xué)分析。

由于第二相粒子從基體析出后會(huì)使系統(tǒng)具有很高的總界面能，此時(shí)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。為減小總界面能，顆粒將以大顆粒長(zhǎng)大，小顆粒溶解的方式粗化，這種基體中第二相粒子的競(jìng)爭(zhēng)性長(zhǎng)大的現(xiàn)象被稱作Oswald熟化。一般情況下顆粒粗化可以表達(dá)為

(1)

(2)

由式(2)可知，第二相粒子平均顆粒半徑的三次方的變化量與粗化速度成正比例關(guān)系。掃描電鏡觀察結(jié)果顯示，鑄軋板坯中大尺寸第二相粒子顆粒半徑約為30 μm，而小尺寸第二相粒子顆粒半徑約為5 μm，若兩種粒子形成方式均為脫溶，則大顆粒粗化速度應(yīng)為小顆粒粗化速度的200多倍?？紤]到大小顆粒成分并沒(méi)有很大差別，可以確定兩種尺寸的顆粒分別在鑄軋過(guò)程中的兩個(gè)階段形成，即：大尺寸第二相粒子形成于鑄軋過(guò)程凝固階段，而小尺寸第二相粒子形成于鑄軋過(guò)程軋制及后續(xù)冷卻階段。凝固階段溫度高，原子在液相中的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)高于較低溫度下在固相基體中的擴(kuò)散速度，因此在凝固階段形成的第二相粒子的生長(zhǎng)速度將遠(yuǎn)高于固相基體中脫溶析出的第二相粒子的生長(zhǎng)速度。

結(jié)合X射線能譜檢測(cè)的結(jié)果，以上分析說(shuō)明，與傳統(tǒng)非振動(dòng)鑄軋相比，振動(dòng)鑄軋過(guò)程中合金元素在凝固階段的析出被抑制，而在軋制及后續(xù)冷卻過(guò)程中以彌散分布的小尺寸第二相粒子的形式大量析出，對(duì)基體起到明顯的第二相強(qiáng)化作用，這種變化由振動(dòng)引起。振動(dòng)鑄軋過(guò)程中振動(dòng)側(cè)結(jié)晶輥的往復(fù)振動(dòng)對(duì)熔池內(nèi)的熔融金屬起到擾動(dòng)效果，增大了熔池內(nèi)流體的紊亂程度，使各種合金元素較為均勻地分布于熔池內(nèi)，避免合金元素由于在局部區(qū)域富集而提前結(jié)晶析出，而促使其固溶于基體中直至軋制階段在較低溫度下以脫溶的方式彌散析出，從而造成合金元素在各種第二相粒子中的分布差異。

增大振幅、振動(dòng)頻率均能使熔池受擾動(dòng)程度增大，并進(jìn)一步促進(jìn)溶質(zhì)的均勻分布[15]。前文分析表明溶質(zhì)分布越均勻，合金元素越傾向于在軋制階段而非凝固階段析出，從而形成細(xì)小彌散的第二相粒子。因此，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)卦龃笳穹?、振?dòng)頻率的取值而獲得尺寸更小、分布更均勻的第二相粒子。并且由于振幅對(duì)熔池流場(chǎng)的影響更大[15]，在實(shí)際選取振動(dòng)參數(shù)時(shí)可優(yōu)先調(diào)整振幅的取值。

在凝固階段，以結(jié)晶形式析出的大尺寸顆粒相對(duì)基體無(wú)強(qiáng)化作用，反而具有較高的裂紋敏感性，對(duì)金屬的斷裂韌性、抗疲勞強(qiáng)度等綜合力學(xué)性能起負(fù)面作用。傳統(tǒng)無(wú)振動(dòng)鑄軋技術(shù)中大尺寸顆粒中存在合金元素，實(shí)質(zhì)上弱化了合金鋼中添加合金元素的意義，既達(dá)不到產(chǎn)品預(yù)期要求，又嚴(yán)重浪費(fèi)生產(chǎn)資源。振動(dòng)鑄軋中機(jī)械振動(dòng)促進(jìn)合金元素選擇性分布的獨(dú)特作用避免了合金鋼中的合金元素的有害消耗，使合金元素的使用效率最大化，對(duì)合金鋼鑄軋技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展極其工業(yè)化的實(shí)現(xiàn)有重大意義。

4 結(jié)論

(1)拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示振動(dòng)鑄軋板坯較傳統(tǒng)鑄軋板坯屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別提高了12.11%、14.57%和38.9%，說(shuō)明機(jī)械振動(dòng)對(duì)鑄軋板坯的強(qiáng)韌性與塑形都有較為明顯的改善效果。

(2)細(xì)小第二相粒子的存在能增大裂紋擴(kuò)展的阻力從而提高金屬的強(qiáng)度與韌性，拉伸試件斷口形貌觀察的結(jié)果表明振動(dòng)能促進(jìn)板坯中細(xì)小第二相粒子的彌散分布，從而提高板坯的綜合力學(xué)性能。

(3)鑄軋板坯中第二相粒子從尺寸上可以分為兩類，即直徑約30 μm的大尺寸第二相粒子以及直徑約5 μm的小尺寸第二相粒子。動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果表明，大尺寸粒子是凝固階段形成的結(jié)晶相，而小尺寸粒子則為軋制階段以后形成的沉淀相。能譜檢測(cè)結(jié)果表明傳統(tǒng)非振動(dòng)鑄軋板坯中大尺寸顆粒中存在合金元素，而振動(dòng)鑄軋板坯中則無(wú)此現(xiàn)象。

(4)振動(dòng)鑄軋過(guò)程中機(jī)械振動(dòng)的引入對(duì)熔池內(nèi)熔融金屬起擾動(dòng)效果，使合金元素均勻分布于熔池之中，難以在鋼液凝固階段以大顆粒結(jié)晶相的形式析出，而在軋制階段以小尺寸第二相顆粒的形式脫溶析出。合金元素集中分布于對(duì)基體有明顯強(qiáng)化效果的小尺寸第二相粒子中，實(shí)現(xiàn)了合金元素使用效率的最大化，從而最大程度地強(qiáng)化了鑄軋板坯的綜合力學(xué)性能。

(5)適當(dāng)增大振幅、振動(dòng)頻率能有效促進(jìn)熔池內(nèi)溶質(zhì)元素的均勻分布，從而獲得尺寸更小、分布更為均勻的第二相粒子。與改變振頻相比，改變振幅對(duì)鑄軋板坯內(nèi)第二相粒子的析出影響更大。