曹天一 李莉娟 朱雷敏 豆乃遠(yuǎn) 殷子豪 陳佳藝

(1.上海大學(xué)先進(jìn)凝固技術(shù)中心，上海 200444； 2.常州中天鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，江蘇 常州 213011)

合金工具鋼應(yīng)用廣泛，其淬硬性、淬透性、耐磨性和韌性均比碳素工具鋼高，但其使用條件非常苛刻[1]，所以通常高合金工具鋼含有較多的C、Cr、Mo、V等元素。C和合金元素含量較高，組織中會(huì)有嚴(yán)重的合金元素偏析和粗大的網(wǎng)狀碳化物等缺陷，嚴(yán)重影響工具的使用壽命和使用性能[2]。由于鑄坯- 軋材的組織和性能遺傳性，鋼材的很多質(zhì)量問題都源于鑄坯。鑄坯的缺陷(如偏析)一旦形成，則很難通過軋鋼、熱處理等后續(xù)加工進(jìn)行彌補(bǔ)，會(huì)遺傳給軋材形成異常組織，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品力學(xué)性能不合格、使用壽命低等質(zhì)量問題[3- 4]。所以現(xiàn)在各廠對(duì)連鑄坯的質(zhì)量十分重視，促進(jìn)連鑄坯的均質(zhì)化已迫在眉睫。

目前鑄坯的均質(zhì)化技術(shù)主要有末端電磁攪拌和輕壓下技術(shù)等[5]。但由于鑄坯的凝固末端位置波動(dòng)，均質(zhì)化效果不穩(wěn)定，質(zhì)量參差不齊。已有研究表明，細(xì)化凝固組織是最有效的均質(zhì)化途徑，其方法主要有化學(xué)法和物理法兩大類?；瘜W(xué)法主要是向熔體中心添加細(xì)化劑[6- 9]，在有色金屬和鑄鐵中的應(yīng)用效果很好。但由于鋼鐵冶煉溫度高，細(xì)化劑在鋼液中難以形成形核核心，故尚未在鋼鐵行業(yè)應(yīng)用。物理法主要有超聲波[10- 15]、機(jī)械攪拌[16- 17]、電磁攪拌[18- 21]、電磁振動(dòng)[22- 23]和脈沖電磁場(chǎng)[24- 29]等，其中超聲波和機(jī)械攪拌在使用中機(jī)械裝置會(huì)被高溫鋼水溶解，因而污染鋼水，也未得到實(shí)際應(yīng)用。本文使用的脈沖磁致振蕩(PMO)均質(zhì)化技術(shù)[30- 39]是通過在連鑄坯外圍安裝PMO線圈，并設(shè)定合理的脈沖電流參數(shù)，使坯殼內(nèi)熔體的固- 液界面受到感應(yīng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用，即脈沖電流通過電致過冷促進(jìn)金屬液在自由液面和型壁處形核，并在脈沖電流的作用下晶核不斷增殖和脫落形成結(jié)晶雨，從而細(xì)化凝固組織、提高鑄坯均勻性，最終達(dá)到細(xì)化晶粒和改善偏析的作用。由于通入的是脈沖磁場(chǎng)，整個(gè)熔體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。此外，PMO在使用中不與金屬熔體接觸，不會(huì)引入新的雜質(zhì)，能耗較低，效率高，而且脈沖發(fā)生裝置比較簡(jiǎn)單，該技術(shù)現(xiàn)已成功在中天鋼鐵集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱中天鋼鐵)工業(yè)化應(yīng)用。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

工業(yè)試驗(yàn)采用中天鋼鐵生產(chǎn)的斷面尺寸為260 mm×220 mm的ZTM- S2合金工具鋼連鑄坯，其煉鋼工藝流程與大生產(chǎn)一致，鑄坯拉速為0.80 m/min，化學(xué)成分如表1所示。

表1 ZTM- S2合金工具鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the ZTM- S2 alloy tool steel (mass fraction) %

圖1為設(shè)置在連鑄二冷區(qū)的PMO試驗(yàn)裝置示意圖。鑄坯從結(jié)晶器出來經(jīng)過PMO線圈，待拉速穩(wěn)定后，開啟脈沖電源進(jìn)行脈沖磁致振蕩處理。試驗(yàn)中PMO電流峰值為560Ki A，放電頻率為90Ki Hz。

圖1 二冷區(qū)脈沖磁致振蕩試驗(yàn)示意圖[36]Fig.1 Schematic of pulse magnetic- oscillation test in the second cold zone[36]

為研究PMO處理對(duì)鑄坯凝固過程及組織演變的影響，從第5流(對(duì)比坯，未經(jīng)過PMO處理)和第6流(處理坯，經(jīng)過PMO處理)分別取樣，試樣尺寸為260 mm×220 mm×30 mm。將試樣按圖2的尺寸加工，每個(gè)試樣分成兩小塊，一塊用于低倍金相檢驗(yàn)，另一塊用于碳硫檢測(cè)。將金相試樣打磨后，浸入體積分?jǐn)?shù)為50%的鹽酸溶液中，將腐蝕液加熱至70 ℃并腐蝕40 min。腐蝕后將試樣取出，用過飽和氫氧化鈉溶液中和表面的酸液，隨后用清水洗1～2 min，噴酒精后用吹風(fēng)機(jī)吹干，觀察鑄坯橫截面宏觀和顯微組織。

圖2 取樣示意圖Fig.2 Schematic of sampling

將圖2所示的片狀試樣粗磨、精磨和拋光，然后放入過飽和苦味酸溶液中加熱至70 ℃腐蝕10 s，觀察其枝晶形貌；再用400目(38 μm)砂紙打磨，采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜原位分析儀(LIBS- OPA, laser induced breakdown spectroscopy- original position analyzer)對(duì)元素的偏析進(jìn)行定量分析，如圖 3所示，掃描試樣中間60 mm×20 mm的區(qū)域，光斑大小300 μm，點(diǎn)間距為2 mm(行、列間距均為2 mm)。

圖3 OPA檢測(cè)示意圖Fig.3 Schematic diagram of OPA detection

使用紅外碳硫分析儀檢測(cè)鋼中碳和合金元素含量，用直徑5 mm的鉆頭鉆取試樣屑(圖2中圓點(diǎn)位置)，每個(gè)位置測(cè)2次，然后將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與中天鋼鐵的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 宏觀和微觀組織

鑄坯橫截面的低倍組織如圖4所示。從圖4可以看出，未經(jīng)PMO處理的對(duì)比坯柱狀晶發(fā)達(dá)，內(nèi)弧側(cè)柱狀晶長(zhǎng)約39.7 mm，外弧側(cè)柱狀晶長(zhǎng)度可達(dá)約60.8 mm，等軸晶區(qū)面積分?jǐn)?shù)為22.3%；經(jīng)過PMO處理后，柱狀晶長(zhǎng)度明顯減小，內(nèi)弧側(cè)的長(zhǎng)約22.9 mm，外弧側(cè)的長(zhǎng)約40.8 mm，等軸晶區(qū)面積明顯擴(kuò)大，其面積分?jǐn)?shù)達(dá)到了34.8%。

鑄坯柱狀晶發(fā)達(dá)，具有明顯的方向性，枝晶間溶質(zhì)易富集，形成宏觀偏析，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)嚴(yán)重降低產(chǎn)品的壽命，所以工業(yè)生產(chǎn)中都力求擴(kuò)大等軸晶區(qū)的面積。由于等軸晶沒有明顯取向，生長(zhǎng)方向各不相同，有利于凝固末期糊狀區(qū)的元素分布均勻，改善中心偏析。PMO處理坯內(nèi)弧側(cè)柱狀晶的長(zhǎng)度比對(duì)比坯的縮短了42.3%，外弧側(cè)柱狀晶的長(zhǎng)度縮短了32.9%，等軸晶區(qū)面積分?jǐn)?shù)增加了56.1%。此外，經(jīng)過PMO處理后，鑄坯的中心縮孔和疏松也明顯減少，整體質(zhì)量明顯改善。

圖4 連鑄坯的低倍組織Fig.4 Macrostructures of the continuously cast billet

根據(jù)金屬凝固原理[40]，鋼液在凝固過程中，溶質(zhì)元素在固- 液兩相間發(fā)生溶質(zhì)再分配，柱狀晶的生長(zhǎng)使枝晶間未凝固鋼水的溶質(zhì)元素富集，而鋼坯的鼓肚和液相穴末端的凝固收縮使中心產(chǎn)生強(qiáng)大的抽吸力而產(chǎn)生空穴。優(yōu)先生長(zhǎng)的柱狀晶在鑄坯中心相遇形成“晶橋”?！熬颉毙纬珊螅喜夸撍茏璨荒軐?duì)下部鋼水的凝固收縮進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)充，因而晶橋下方的鋼水按一般鋼錠凝固模式凝固，結(jié)果形成了上部有中心縮孔、中心疏松和正偏析帶，下部有V形偏析或負(fù)偏析帶，這就是連鑄坯的中心偏析。

經(jīng)過PMO處理后，脈沖電流通過電致過冷促進(jìn)鋼液在坯殼的固- 液界面形核，晶核在電磁力的作用下不斷脫落形成“結(jié)晶雨”，細(xì)化凝固組織，并促進(jìn)中心等軸晶區(qū)的形成。隨著等軸晶區(qū)的擴(kuò)大，柱狀晶向鑄坯內(nèi)生長(zhǎng)，“搭橋”被阻礙，并抑制了鋼液的補(bǔ)縮，從而減少了中心縮孔。

連鑄坯的枝晶形貌如圖 5所示。虛線是柱狀晶與混晶區(qū)的分界線，混晶區(qū)是柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的過渡區(qū)域，可以明顯看出，處理坯的等軸晶和混晶區(qū)域面積遠(yuǎn)大于對(duì)比坯的相應(yīng)區(qū)域面積。還可以看出，經(jīng)PMO處理的鑄坯中心縮孔明顯減少。

2.2 元素偏析

通過碳硫分析儀檢測(cè)的連鑄坯橫截面不同部位的碳含量如表2所示。對(duì)比坯的中心平均碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為0.84%，處理坯的中心平均碳含量為0.77%，中心碳含量下降了8.3%；經(jīng)過PMO處理后，平均中心碳偏析指數(shù)從原來的1.21降低至1.13，下降了6.6%，中心碳偏析得到明顯改善。

圖5 連鑄坯的枝晶組織Fig.5 Dendritic structures in the continuously cast billet

表2 鑄坯橫截面不同部位的碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))及中心碳偏析指數(shù)Table 2 Carbon content (mass fraction,%) and central segregation index of carbon in different parts of cross section of the billet

采用OPA技術(shù)檢測(cè)的鑄坯中硅、鉻和錳含量及偏析指數(shù)分布如圖6所示。各元素偏析程度均有所改善，硅含量的極大值從1.51%減小至1.32%，極差從0.56%降低至0.42%；鉻含量的極大值從0.33%減小至0.30%，極差從0.13%降低至0.10%；錳含量的極大值從0.70%減小至0.65%，極差從0.28%降低至0.22%。根據(jù)二維等高圖和偏析指數(shù)線圖，由于在凝固中心出現(xiàn)縮孔，該部位數(shù)據(jù)會(huì)有異常，在作圖時(shí)予以剔除，因此對(duì)比坯的偏析指數(shù)曲線在出現(xiàn)縮孔處斷開。上述結(jié)果可歸納為：經(jīng)過PMO處理的鑄坯縮孔減小，中心各元素偏析得到改善，尤其是中心碳偏析改善明顯。

圖6 硅、鉻和錳元素的含量及偏析指數(shù)的分布Fig.6 Distribution of contents and segregation index of silicon, chromium and manganese elements

由2.1節(jié)可知，由于PMO處理過程中形成“結(jié)晶雨”，鑄坯中等軸晶比例明顯增加，從而抑制了柱狀晶的生長(zhǎng)，PMO作用下產(chǎn)生的電磁力對(duì)熔體產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流也會(huì)抑制柱狀晶的生長(zhǎng)。溶質(zhì)元素在固- 液界面隨柱狀晶生長(zhǎng)而不斷析出到液相中，隨著凝固過程的進(jìn)行，中心元素含量升高，產(chǎn)生中心偏析。而PMO產(chǎn)生的流場(chǎng)會(huì)使“結(jié)晶雨”的晶核不斷流入凝固中心，從而使等軸晶區(qū)擴(kuò)大，溶質(zhì)元素析出有限，且先形成的晶核與析出的溶質(zhì)元素在對(duì)流的作用下在熔體內(nèi)重新均勻分配，因此PMO處理的鑄坯中心偏析明顯改善。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過PMO處理后，ZTM- S2合金工具鋼連鑄坯的凝固組織得到細(xì)化，中心等軸晶區(qū)擴(kuò)大，中心縮孔和疏松均得到了改善， 連鑄坯內(nèi)在質(zhì)量明顯提高。

(2)經(jīng)過PMO處理的鑄坯中各元素偏析均有所改善，尤以中心碳偏析改善最明顯。