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    GCr15鋼連鑄坯凝固組織分析

    2021-07-09 00:57:20尹衍成李崇建韓麗娟
    山東冶金 2021年3期
    關(guān)鍵詞:軸晶柱狀晶枝晶

    尹衍成,李崇建, 韓麗娟

    (中信泰富特鋼研究院青鋼分院,山東 青島266000)

    1 前 言

    鋼的宏觀碳偏析與其凝固組織密切相關(guān),GCr15 鋼鑄坯比較容易產(chǎn)生裂紋。因?yàn)楦咛间摰膬上鄥^(qū)寬,在易產(chǎn)生裂紋區(qū)停留時(shí)間較長(zhǎng),并且高碳鋼的高溫強(qiáng)度較低,所以高碳鋼產(chǎn)生裂紋的幾率相對(duì)較高。該鋼的鑄態(tài)組織枝晶發(fā)達(dá),碳化物析出頗為復(fù)雜,有一次、二次碳化物,其偏聚在晶界。因此常溫下鑄態(tài)組織為α+Fe3C。不能完整顯現(xiàn)其連鑄坯的晶粒。然而顯示連鑄坯固態(tài)組織的腐蝕方法,如腐蝕劑的成分,文獻(xiàn)未見(jiàn)完整的報(bào)道。因此選擇適當(dāng)?shù)母g方法,顯示其鑄態(tài)組織的形貌,測(cè)定該鋼的凝固組織特性,如柱狀晶/等軸晶比例,樹(shù)枝晶一次晶間距、二次晶間距,以及其網(wǎng)碳分布,對(duì)研究其連鑄坯的質(zhì)量具有特殊意義。

    2 試驗(yàn)方法

    具體的生產(chǎn)工藝:120 t轉(zhuǎn)爐→LF→VD→CCM。選取的GCr15 連鑄坯,其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

    表1 GCr15 連鑄坯化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

    2.1 金相檢測(cè)參數(shù)

    采用腐蝕劑摸索試驗(yàn),顯示連鑄坯鑄態(tài)的晶粒和晶間距以及液析碳化物,同時(shí)金相測(cè)定晶粒尺寸和二次枝晶的晶間距。在未腐蝕情況下觀察夾雜物的類型。

    2.2 晶粒的現(xiàn)實(shí)的尺寸的測(cè)定

    在連鑄坯表面30 mm 左右、半徑1/2 處、中心區(qū)域切取3 塊試樣進(jìn)行鑄態(tài)晶粒的顯示和測(cè)定。

    2.3 試樣預(yù)處理

    堿性溶液:試樣拋光→10%NaOH 煮沸→沖洗(水)→侵蝕(5~40 s,2%~5%HNO3乙醇溶液)→消除污點(diǎn)(浸蝕5 s,10%HCl 甲醇溶液)→吹干→觀察。此外,也可采用還原劑溶液對(duì)未腐蝕試樣表面進(jìn)行預(yù)處理。

    2.4 試樣腐蝕液

    采用ASTM E407 標(biāo)準(zhǔn)推薦的溶液,此外,也可采用還原劑溶液對(duì)未腐蝕試樣表面進(jìn)行預(yù)處理。

    方法1。A液,8 g 草酸+5 mL 硫酸+100 mL 水;B液,H2O2(30%),用A液與B液等體積混合的溶液預(yù)處理檢測(cè)面 2~3 s,使用硝酸(1~5 mL)硝酸酒精溶液腐蝕。

    方法2。4 g 苦味酸+95%乙醇溶液或甲醇溶液。采用四甲基氯化銨為表面活性劑。檢驗(yàn)面腐蝕時(shí)間10 s 至1 min。

    方法3。10 g苦味酸+5滴鹽酸+100 mL(95%)乙醇或(95%)甲醇溶液,檢驗(yàn)面腐蝕時(shí)間10 s至1 min。

    方法4。10 g 焦亞硫酸鉀+100 mL 水。浸蝕檢測(cè)面1~15 s,最佳方法是先采用硝酸酒精溶液或苦味酸酒精溶液輕腐蝕后,再采用該液腐蝕。

    3 試驗(yàn)結(jié)果

    3.1 連鑄坯的宏觀碳偏析檢驗(yàn)

    如圖1 所示,連鑄坯試樣等軸晶區(qū)占比40%,且凝固組織均勻。冷卻工藝過(guò)強(qiáng)或者過(guò)弱都不能得到均勻的凝固組織,過(guò)強(qiáng)則會(huì)產(chǎn)生致密的柱狀晶組織,過(guò)弱則會(huì)產(chǎn)生粗大的等軸晶和縮孔。只有合理的冷卻工藝能夠產(chǎn)生含有一定比例的等軸晶的凝固組織,才有可能得到合理的凝固組織。

    3.2 一次晶間距

    圖1 連鑄坯低倍組織(1∶5)

    在連鑄坯表面30 mm 左右、半徑1/2、中心區(qū)域分別切取3 塊試樣進(jìn)行鑄態(tài)晶粒的顯示和測(cè)定。通過(guò)反復(fù)摸索試驗(yàn),顯現(xiàn)的鑄態(tài)晶粒,同時(shí)測(cè)定其尺寸。如圖2 所示,距表面約30 mm處晶粒形狀為長(zhǎng)條形,在顯微鏡下的一個(gè)視場(chǎng)不能將晶粒長(zhǎng)軸方向完全包括在內(nèi),故測(cè)定幾個(gè)相對(duì)較小長(zhǎng)軸長(zhǎng),其余均為晶粒短軸長(zhǎng)。長(zhǎng)軸測(cè)定結(jié)果平均值2 458 μm,視場(chǎng)觀察到的晶粒長(zhǎng)軸最長(zhǎng)為2 511 μm;而短軸長(zhǎng)測(cè)定結(jié)果平均值為736 μm,而短軸中最長(zhǎng)為1 576 μm,最小為286 μm。半徑1/2處的晶粒相對(duì)較均勻,其平均晶粒尺寸為772 μm,最大晶粒尺寸為1 967 μm,最小晶粒尺寸為385 μm。心部晶粒平均尺寸為710 μm,最大晶粒尺寸為1 284 μm,最小為320 μm。

    圖2 連鑄坯一次晶晶粒尺寸 20×

    3.3 二次晶間距

    進(jìn)行二次枝晶間距的測(cè)量,通過(guò)配制另一種弱酸腐蝕劑顯現(xiàn)出二次枝晶,測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖3。

    圖3 連鑄坯二次晶晶粒尺寸 50×

    為了測(cè)定結(jié)果更為準(zhǔn)確,采用平均值的結(jié)果分別為78 μm和93 μm。依據(jù)表面測(cè)定同樣進(jìn)行了半徑1/2 處的二次枝晶間距的測(cè)量,平均測(cè)定值分別為191 μm 和255 μm。由于心部為等軸晶,所以無(wú)法測(cè)得二次枝晶間距。

    3.4 網(wǎng)狀碳化物

    分別選取相應(yīng)位置鑄態(tài)試樣,制備金相試樣腐蝕后,觀察液析碳化物情況見(jiàn)圖4。

    4 討 論

    4.1 鑄坯凝固分為三個(gè)階段

    (1)結(jié)晶器內(nèi)形成初生坯殼。通常厚度約是2~5 mm。(2)二冷區(qū)坯殼,樹(shù)枝晶平行于生長(zhǎng)面而形成柱狀晶。對(duì)于弧形連鑄,由于重力作用,晶體下沉,抑制了下弧側(cè)柱狀晶生長(zhǎng),故內(nèi)弧側(cè)柱狀晶比外弧長(zhǎng),通常鑄坯內(nèi)裂紋常常集中在內(nèi)弧側(cè)。(3)中心等軸晶區(qū)。樹(shù)枝晶較粗大且呈不規(guī)則排列,中心區(qū)常有可見(jiàn)的不致密的疏松和縮孔并伴有元素的偏析[1]。

    4.2 GCr15連鑄坯冷卻過(guò)程

    Gr15鋼連鑄坯的樹(shù)枝晶方向不一致,可導(dǎo)致嚴(yán)重的碳偏析,從而產(chǎn)生晶間裂紋,也叫作A型裂紋。晶間裂紋的產(chǎn)生是由于凝固過(guò)程中受到熱或者機(jī)械因素導(dǎo)致應(yīng)力過(guò)大。

    當(dāng)溫度低于650 ℃時(shí),經(jīng)過(guò)γ→α→γ相變?cè)俳Y(jié)晶過(guò)程,晶粒則會(huì)細(xì)化;當(dāng)溫度高于700 ℃時(shí),不發(fā)生相變,粗大的奧氏體晶粒得以保留?,F(xiàn)場(chǎng)GCr15軸承鋼連鑄坯的熱裝溫度應(yīng)控制在670 ℃以下[2]。

    圖4 液析碳化物情況

    鋼中碳含量越高,兩相區(qū)越寬,凝固時(shí)間越長(zhǎng),鑄坯中心形成V 形偏析越嚴(yán)重。連鑄坯的低倍組織,柱狀晶和等軸晶的相對(duì)大小對(duì)性能影響不一樣,因此采用金相測(cè)定其晶粒大小,是研究鑄坯質(zhì)量的一個(gè)重要任務(wù)。

    4.3 CCT曲線

    結(jié)合GCr15 TTT 曲線和CCT 曲線(圖5、圖6)可知,當(dāng)冷卻速度為5 ℃/s 時(shí),組織轉(zhuǎn)變開(kāi)始于644 ℃,結(jié)束于557 ℃。實(shí)際生產(chǎn)中,GCr15軸承鋼的熱裝溫度,應(yīng)根據(jù)連鑄坯相變前的平均冷卻速度,控制到相變溫度以下,這樣可保證組織晶粒達(dá)到冷裝加熱軋制的水平,在相變溫度或以上進(jìn)行熱裝,則易出現(xiàn)組織晶粒混晶或粗化。因此,現(xiàn)場(chǎng)GCr15軸承鋼連鑄坯的熱裝溫度應(yīng)控制在670 ℃以下。

    圖5 TTT曲線

    4.4 腐 蝕

    圖6 CCT曲線

    金相試樣的腐蝕本質(zhì)上就是試樣表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),電位低的相是陽(yáng)極,電位高的相是陰極,陽(yáng)極受到腐蝕,陰極受到保護(hù)。不同的電位差,形成不同的顯微組織,產(chǎn)生不同的襯度,依據(jù)不同的襯度來(lái)辨別不同的顯微組織。為了得到光滑的試樣表面,使用有機(jī)拋光劑,其化學(xué)吸附作用改變了電位差,改變了組織的襯度,影響了人們的辨別。OH-奪取電子的能力很弱,在堿性介質(zhì)中對(duì)鋼材組織幾乎沒(méi)有腐蝕,用10%NaOH 水溶液煮沸5 min處理拋光后的試樣,可完全破壞表面有機(jī)物質(zhì);然后采用侵蝕劑侵蝕,可得到非常清晰的顯微組織[3]。

    5 結(jié) 論

    5.1 軸承鋼連鑄坯的凝固組織可采用低倍與高倍觀察進(jìn)行分析。

    5.2 可采用低倍檢測(cè)連鑄坯的柱狀晶/等軸晶比例,可測(cè)定枝晶的一次晶、二次晶間距。

    5.3 測(cè)定的連鑄坯參數(shù)與連鑄工藝相關(guān)性密切,可作為優(yōu)化工藝的依據(jù)。

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