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磁浮列車軌枕用耐候H型鋼表面龜裂的成因及控制

2021-07-09 00:57:18霍喜偉
山東冶金 2021年3期
關(guān)鍵詞:晶界型鋼基體

霍喜偉

(山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司,山東 濟(jì)南271104)

1 前 言

中低速磁浮交通是一種新型城市軌道交通工具,與輕軌和地鐵相比,不僅技術(shù)上較先進(jìn),而且具有噪音小、安全性高、運(yùn)營維護(hù)成本低、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。山鋼萊蕪分公司自2006 年開始生產(chǎn)磁浮列車軌枕用H 型鋼,產(chǎn)品成功應(yīng)用在唐山1.5 km實(shí)驗(yàn)線,株洲1.7 km試驗(yàn)線及北京S1 示范線,受到各界好評。為了滿足磁浮交通用軌排在不同環(huán)境下的應(yīng)用,2019 年,公司成功開發(fā)了耐候軌枕用H 型鋼LGWR345,產(chǎn)品尺寸公差和各項(xiàng)力學(xué)性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)初期,表面質(zhì)量存在問題,在翼尖和腹板中間部位有不同程度的表面龜裂,針對此問題,進(jìn)行了成分、金相、能譜等分析,并根據(jù)結(jié)果制定了解決措施。

2 生產(chǎn)工藝

2.1 生產(chǎn)流程

鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF 精煉→連鑄機(jī)→合格鋼坯→加熱→除鱗→粗軋→切頭→除鱗→精軋→冷卻→矯直→定尺鋸切→檢查→成品。

2.2 產(chǎn)品化學(xué)成分及力學(xué)性能

以LGWR345 鋼為例,產(chǎn)品熔煉化學(xué)成分及實(shí)物測量值如表1所示,力學(xué)性能要求及實(shí)測數(shù)據(jù)如表2 所示。由表1、表2 可以看出,產(chǎn)品化學(xué)成分控制良好,物理性能滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 LGWR345鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 LGWR345鋼物理性能

3 表面龜裂分析

3.1 宏觀形貌特征

在軋材表面有大量肉眼可見的魚鱗狀網(wǎng)紋,直徑為2~10 mm,主要分布在翼尖和腹板中部,其宏觀形貌如圖1所示。

對軋材進(jìn)行噴丸處理后,龜裂表面出現(xiàn)兩種情況,被鐵砂打掉的部位出現(xiàn)凹坑,而沒有打掉的部位則松散地附著或懸掛在基體表面(如圖2所示),嚴(yán)重影響了軋材的表面質(zhì)量及隨后的涂漆和其他處理。

圖1 軋材表面宏觀形貌

圖2 噴丸后翼緣表面

3.2 微觀形貌特征

對龜裂產(chǎn)品取樣進(jìn)行金相分析,金相組織正常,但距軋材表面50~200 μm范圍內(nèi)存在如圖3所示的夾雜物,且全部連通到軋件的表面。

應(yīng)用Sigma500 電子掃描電鏡對裂紋處夾雜物進(jìn)行分析,表明裂紋內(nèi)部夾雜物為氧化鐵,裂紋擴(kuò)展處有銅存在,且銅含量最高可到25%,銅富集明顯。由此得出,表面龜裂是由銅的富集引起的,為典型的“銅脆”現(xiàn)象[1]。

3.3 “銅脆”的形成機(jī)理

Cu 是提高耐大氣腐蝕鋼性能而普遍使用的主要合金元素。Cu 有活化陰極的作用,在鋼種加入一定量的銅可使鋼產(chǎn)生陽極鈍化,減緩大氣的腐蝕作用。另外,鋼中加入Cu,可在鋼的腐蝕層與銅的富積層之間形成緊密的薄氧化銅中間層,形成雙層結(jié)構(gòu)的銹層,緊貼鋼基體的內(nèi)層,非常致密、完整,附著性強(qiáng),可減緩腐蝕介質(zhì)腐蝕鋼板內(nèi)部。但Cu在鋼中具有富集作用,含銅量>0.25%的鋼,如在強(qiáng)氧化氣氛中長時(shí)間高溫加熱,氧化性氣體與鋼料發(fā)生氧化反應(yīng),使表層的鐵含量降低,銅含量因而相對增加,直至超過在鐵中的溶解度,就會(huì)沿著晶界向鐵基體內(nèi)部擴(kuò)散,從而形成網(wǎng)絡(luò)狀富銅相。由于鋼料加熱溫度高于銅的熔點(diǎn)(1 083 ℃),富銅相處于熔融狀態(tài),如果軋制時(shí)溫度仍高于銅的熔點(diǎn)溫度,就會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)狀富銅相聚集的基體表面開裂,形成“銅脆”裂紋缺陷。

4 “銅脆”的預(yù)防措施及效果

結(jié)合該公司工藝設(shè)備現(xiàn)狀,從“銅脆”的產(chǎn)生機(jī)理出發(fā),制定以下措施。

4.1 銅含量

為了保證良好的耐腐蝕性能,銅含量應(yīng)在0.25%~0.3%[2],而銅含量高于0.25%就為銅的富集埋下了隱患,因此,應(yīng)該盡量將銅含量控制在0.25%左右。從試制情況來看,銅含量基本在0.25%~0.3%波動(dòng),因此,冶煉成分設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)均控制在合理范圍內(nèi)。

4.2 加熱制度

首先,從擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)考慮,為了降低軋件表面和基體中銅的濃度差,以降低擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力,所以將加熱爐內(nèi)的加熱氣氛設(shè)定為還原性氣氛,從而減輕軋件表面的氧化程度,減薄氧化層的厚度,使軋材表面銅的濃度不至高于基體太多,減弱擴(kuò)散的趨勢,降低擴(kuò)散速度,進(jìn)而減輕或消除富銅相的聚集。

其次,加熱溫度要高,速度要快。網(wǎng)絡(luò)狀富銅相的出現(xiàn)與銅的擴(kuò)散速度和析出速度有很大關(guān)系,擴(kuò)散和析出是兩個(gè)相反的過程,只有當(dāng)銅在晶界的析出速度大于向基體的擴(kuò)散速度時(shí),才會(huì)在晶界上出現(xiàn)富銅相。從銅的擴(kuò)散速度和析出速度隨溫度的變化曲線[1]可以看出(如圖4所示),在1 100 ℃附近,銅在鐵中的擴(kuò)散速度曲線與析出速度曲線交叉,兩者速度在此溫度相等,>1 100 ℃后,擴(kuò)散速度開始大于析出速度。因此,為了防止富銅相的析出,應(yīng)采取高溫加熱,加熱溫度≥1 100 ℃。同時(shí),從節(jié)能、減少氧化燒損和析出時(shí)間的角度考慮,在保證出爐鋼溫的前提下盡量減少保溫、待溫時(shí)間。根據(jù)本次試制結(jié)果,結(jié)合該公司大H型鋼加熱爐的爐況和BD軋機(jī)的軋制能力,將加熱時(shí)間設(shè)定為2.5~3 h,加熱溫度控制在1 120~1 220 ℃,均熱溫度為1 180~1 200 ℃。

圖4 銅的擴(kuò)散速度和析出速度隨溫度的變化曲線

最后,綜合考慮,鋼坯采用熱裝入爐能有效地減少加熱時(shí)間,減輕氧化程度,使“銅脆”導(dǎo)致的表面龜裂問題得到較大改善。

4.3 軋制制度

由于軋制時(shí)呈液態(tài)的銅相分布于晶界,破壞了基體的連續(xù)性,從而降低高溫下鐵基體的塑性,導(dǎo)致軋材表面的開裂。為了減輕由上述直接原因引起的表面龜裂,應(yīng)避開1 083 ℃這個(gè)臨界溫度點(diǎn)。

4.3.1 BD段軋制

過飽和是溶質(zhì)析出的基本條件,隨著溫度的降低,銅的溶解度降低,從而導(dǎo)致溶質(zhì)由于過飽和而析出。溫度越高,溶質(zhì)的溶解度越高,過飽和度就越低,析出動(dòng)力越小,因此,析出量和析出速度也越小,晶界富銅相的聚集就越少,“銅脆”引起的表面龜裂也會(huì)出現(xiàn)一定程度的減輕。因此,在BD軋制時(shí),在高于臨界溫度點(diǎn)前3個(gè)軋制道次,將軋制速度從1.5 m/s提高到2.5 m/s,第3和第4道次間隙待溫30 s,避開臨界溫度點(diǎn),這樣可在總體軋制節(jié)奏基本不變的情況下,降低臨界溫度點(diǎn)對龜裂的影響。

裂紋發(fā)生的機(jī)率和大小還受到變形量大小的影響,變形量越小,裂紋程度越輕,而且,在1 083 ℃以上的軋制道次,銅相尚處于液態(tài),大的變形量不僅導(dǎo)致裂紋加劇,且產(chǎn)生后難以焊合。在1 083 ℃以下,銅相從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài),此時(shí)增大變形量可起到較好的焊合效果,改善表面龜裂狀況。因此,對BD 各道次變形量進(jìn)行調(diào)整,將高于臨界溫度點(diǎn)的前3 道次總變形量由32%減小為20.5%,后面4個(gè)道次的變形量由70%增大到80%,對表面龜裂可起到較好的改善效果。

4.3.2 TM段軋制

TM 往復(fù)連軋共7 個(gè)道次,本鋼種奧氏體再結(jié)晶溫度在980 ℃左右,前2 個(gè)道次位于再結(jié)晶溫度以上,加大變形量對鐵素體形核的促進(jìn)作用不明顯,在未再結(jié)晶區(qū),隨變形量增大,晶粒纖維化和應(yīng)變能積累能夠顯著促進(jìn)鐵素體形核,原奧氏體晶界間富集的銅相在變形作用下被拉長、減薄,并在鐵素體相變過程中被分割,能夠產(chǎn)生比再結(jié)晶區(qū)更好的裂紋焊合效果。在此機(jī)理指導(dǎo)下對TM機(jī)組各道次變形量進(jìn)行了重新分配,將前兩個(gè)道次的總變形量從41.7%減小到33.2%。

上述措施實(shí)施后,產(chǎn)品表面質(zhì)量得到顯著改善,杜絕了“銅脆”引起的表面龜裂,熱軋材噴丸后表面如圖5所示。

圖5 工藝優(yōu)化后翼緣表面(噴丸)

5 結(jié) 語

通過對“銅脆”形成原因的分析,從經(jīng)濟(jì)合理,工藝順行的角度出發(fā),結(jié)合該公司大H型鋼的工藝設(shè)備現(xiàn)狀,通過控制銅含量,優(yōu)化加熱制度和軋制制度,從根本上解決了磁浮列車軌枕用耐候H型鋼的龜裂現(xiàn)象,產(chǎn)品表面質(zhì)量良好。

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