冷卻速率對(duì)40Cr鋼凝固組織及鉻元素偏析行為的影響

黃　勝，程常桂，朱家發(fā)，金　焱，梁澤偉，陳　贏

(武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081)

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冷卻速率對(duì)40Cr鋼凝固組織及鉻元素偏析行為的影響

黃勝，程常桂，朱家發(fā)，金焱，梁澤偉，陳贏

(武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081)

采用熱模擬試驗(yàn)的方法獲得不同冷卻速率下40Cr鋼凝固試樣，結(jié)合SEM、EDS、ICP-AES及低倍組織檢測(cè)等手段分析冷卻速率對(duì)40Cr鋼凝固組織及其鉻元素偏析行為的影響。結(jié)果表明，采用合適的冷卻速率，可以獲得40Cr鋼全等軸晶結(jié)構(gòu)的凝固組織，其鉻元素分布較均勻；隨著爐管內(nèi)冷卻速率的提高，試樣 1/2高度處Cr的平均含量有所降低，凝固試樣的晶粒尺寸逐漸減小、鉻元素顯微偏析現(xiàn)象得到有效改善；當(dāng)爐管內(nèi)冷卻速率由3.83 ℃/min提高到8.60 ℃/min時(shí)，鋼樣橫斷面上凝固組織的平均晶粒面積由8.76 mm2減小到2.01 mm2、鉻元素顯微偏析度的最大偏差由0.274降為0.181。

40Cr鋼；冷卻速率；凝固組織；鉻；偏析

由于40Cr鋼的導(dǎo)熱性較差，在連鑄過(guò)程中，鑄坯內(nèi)溫度梯度較大，導(dǎo)致該鋼種的熱裂紋敏感性高，為解決鑄坯裂紋問(wèn)題，實(shí)際生產(chǎn)中二次冷卻區(qū)常采用弱冷制度，但這種二冷冷卻制度又極易給40Cr鋼軋制圓棒帶來(lái)框形偏析缺陷等問(wèn)題，產(chǎn)生這一缺陷的原因就是二冷區(qū)鑄坯柱狀晶與等軸晶過(guò)渡區(qū)域的凝固進(jìn)程慢于中心等軸晶區(qū)的凝固進(jìn)程[1]。如何優(yōu)化連鑄二冷制度，就需要研究40Cr鋼不同凝固組織區(qū)域的凝固行為。文獻(xiàn)[2-3]研究了不同冷卻速率對(duì)合金中第二相的析出行為及晶粒尺寸的影響，發(fā)現(xiàn)隨冷卻速率提高，凝固組織的晶粒明顯細(xì)化，共晶相的形態(tài)更加細(xì)小，分布愈加彌散。研究者對(duì)含鉻鋼連鑄過(guò)程的凝固行為也進(jìn)行了相關(guān)研究，如40Cr鋼連鑄鋼水凝固與二冷配水優(yōu)化關(guān)系[4-5]、電磁攪拌下鉻鋼柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則[6]。這些研究工作主要是對(duì)不同凝固組織區(qū)域的凝固行為和元素偏析進(jìn)行了宏觀(guān)分析，而對(duì)于含鉻鋼而言，如何獲得晶粒尺寸細(xì)小的全等軸晶結(jié)構(gòu)凝固組織、晶內(nèi)晶界元素的分布及其與冷卻速率的關(guān)系研究較少。為此，本文采用熱模擬試驗(yàn)的方法獲得不同冷卻速率下40Cr鋼凝固試樣，結(jié)合掃描電鏡、能譜儀、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀及低倍組織檢測(cè)等手段分析冷卻速率對(duì)凝固組織及其Cr元素偏析行為的影響，以期為優(yōu)化含鉻鋼的連鑄工藝制度、控制含鉻鋼軋制棒材的框形偏析提供參考。

1　試驗(yàn)

1.1原料及試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用40Cr鋼的化學(xué)成分如表1所示，其液相線(xiàn)溫度為1490 ℃。鋼液的凝固試驗(yàn)在可控溫的NWTDG-16B管式爐中進(jìn)行，鋼液凝固試驗(yàn)裝置如圖1所示，圖1中T1為加熱區(qū)爐管外的溫度，T2為加熱區(qū)爐管內(nèi)的溫度；剛玉坩堝內(nèi)的內(nèi)腔斷面尺寸為35 mm×35 mm，高40 mm。

表1　40Cr鋼的化學(xué)成分(wB%)

1—?jiǎng)傆褊釄澹?—鋼液；3—管式電爐

1.2試驗(yàn)方法

將通過(guò)熱鍛方法獲得的橫斷面尺寸為32 mm×32 mm、高45 mm 的40Cr鋼樣放入管式爐中剛玉坩堝內(nèi)，通電升溫至爐管外的溫度T1為1580 ℃后保溫1 h，確保鋼樣完全熔化后冷卻至1550 ℃，再保溫1 h，此時(shí)所對(duì)應(yīng)爐管內(nèi)的溫度T2約為1495 ℃，然后進(jìn)行控溫凝固試驗(yàn)。采取管外溫降速率分別為4、5、7 ℃/min和爐管自然冷卻方式，將鋼液冷卻至1100 ℃，然后在爐管內(nèi)氬氣氣氛下，自然冷卻至850 ℃后取出，空冷至室溫，再將凝固試樣從坩堝中脫出。利用線(xiàn)切割的方法，將試樣從1/2高度處切割開(kāi)，對(duì)下半部分試樣的線(xiàn)切割面進(jìn)行研磨、拋光等處理后，對(duì)不同冷卻條件下試樣1/2高度處橫斷面的組織形貌及晶粒尺寸進(jìn)行低倍組織檢測(cè)分析；利用NOVA400 Nano場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀(guān)察微觀(guān)組織；利用能譜儀對(duì)不同冷卻速率下鋼樣中的Cr成分進(jìn)行分析；利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀分析試樣表面到中心部位鉻元素的宏觀(guān)分布。計(jì)算鋼樣中不同位置鉻元素的顯微偏析度γCr：

γCr=晶界Cr元素含量/晶內(nèi)Cr元素含量

(1)

則鋼樣橫斷面上鉻元素顯微偏析度的最大偏差ΔγCr為：

(2)

式中：γmax、γmin分別為鋼樣橫斷面上鉻元素顯微偏析度的最大值與最小值。

不同冷卻條件下?tīng)t管內(nèi)溫度T2變化曲線(xiàn)如圖2所示。由圖2可知，鋼樣在4種不同冷卻條件下的溫度梯度差近似等分分布。通過(guò)計(jì)算得到，鋼液從1495 ℃冷卻至1100 ℃的過(guò)程中，與管外溫降速率分別為4、5、7 ℃/min和爐管自然冷卻時(shí)所對(duì)應(yīng)的管內(nèi)平均冷卻速率分別為3.83、4.68、6.27、8.60 ℃/min。

圖2　不同冷卻條件下?tīng)t管內(nèi)的溫降曲線(xiàn)

2　結(jié)果及分析

2.1冷卻速率對(duì)40Cr鋼凝固組織的影響

爐管內(nèi)不同冷卻速率下鋼樣橫斷面凝固組織形貌如圖3所示。從圖3中可看出，試樣的凝固組織均為全等軸晶結(jié)構(gòu)，沒(méi)有柱狀晶。這是因?yàn)?，受爐內(nèi)氣氛的影響，剛玉坩堝內(nèi)壁溫度降低速率緩慢，當(dāng)坩堝內(nèi)壁溫度降至40Cr鋼液相線(xiàn)溫度(1490 ℃)時(shí)，在坩堝內(nèi)壁上開(kāi)始形成晶核，但由于此時(shí)爐內(nèi)冷卻強(qiáng)度還不太高，這些晶核還不能緊密連接形成初始凝固坯殼，而是游離分散在坩堝內(nèi)的鋼液中，因此在坩堝鋼液內(nèi)存在一定的游離態(tài)晶核；隨著爐內(nèi)溫度進(jìn)一步降低，鋼液中的晶核以先前析出的游離態(tài)晶核為核心迅速長(zhǎng)大，從而促進(jìn)鋼液內(nèi)全等軸晶結(jié)構(gòu)的形成。從圖3(a)和圖3(d)中還可看出，鋼樣中存在縮孔現(xiàn)象，這是因?yàn)樵谀踢^(guò)程中鋼液補(bǔ)縮不足造成的。

(a)3.83 ℃/min

(b)4.68 ℃/min

(c)6.27 ℃/min

(d)8.60 ℃/min

爐管內(nèi)不同冷卻速率下鋼樣橫斷面凝固組織的晶粒平均尺寸如圖4所示。從圖4中可看出，鋼樣的平均晶粒尺寸隨爐管內(nèi)冷卻速率的提高而逐漸減小,當(dāng)爐管內(nèi)冷卻速率分別為3.83、4.68、6.27、8.60 ℃/min時(shí)，鋼樣晶粒的平均面積分別為8.76、4.01、2.39、2.01 mm2，表明晶粒發(fā)生了明顯細(xì)化，這是因?yàn)椋S爐管內(nèi)冷卻速率的提高，鋼液所受到的冷卻強(qiáng)度增大，會(huì)在坩堝內(nèi)壁形成較多的細(xì)小晶核，但在本試驗(yàn)條件下，鋼液所受到的冷卻強(qiáng)度還不足夠大，使得其在坩堝內(nèi)壁形成的大量晶核還不能連成一片，不能構(gòu)成傳統(tǒng)鋼錠表層凝固組織的等軸晶，而是脫離坩堝內(nèi)壁游離到鋼液中，冷卻速率越大，游離到鋼液內(nèi)部的細(xì)小晶核越多，從而使得40Cr鋼樣的晶粒尺寸逐漸減小。

圖4　不同冷卻速率下鋼樣晶粒平均尺寸

2.2冷卻速率對(duì)40Cr鋼中Cr元素宏觀(guān)偏析的影響

冷卻速率對(duì)鋼樣中Cr元素分布的影響如圖5所示，對(duì)鋼樣中Cr元素平均含量的影響如圖6所示。從圖5中可以看出，在同一冷卻速率下，鋼樣中Cr元素分布比較均勻，沒(méi)有出現(xiàn)鋼樣表層的鉻元素含量低而中心部位高的現(xiàn)象，這是因?yàn)?，在本試?yàn)條件下得到的試樣橫斷面組織是全等軸晶凝固結(jié)構(gòu)，從試樣表層到中心部位，鋼液的凝固時(shí)間進(jìn)程差異不大，因此，其Cr元素的分布相差不明顯。從圖6中可以看出，隨爐管內(nèi)冷卻強(qiáng)度的增大，凝固鋼樣1/2高度處Cr的平均含量有所降低，但其值均大于0.84%，這是因?yàn)?，在本試?yàn)條件下，鋼樣整個(gè)外表面所受到的冷卻強(qiáng)度近似相等，最后凝固區(qū)域位于試樣1/2高度處，隨冷卻強(qiáng)度的增大，在坩堝內(nèi)壁有更多的游離晶核形成，在重力和鋼液因密度差形成的自然對(duì)流作用下，試樣中心部位的凝固進(jìn)程延后程度略有減輕，因此，其Cr的平均含量隨冷卻強(qiáng)度增大而有所降低，但比實(shí)驗(yàn)前化學(xué)檢測(cè)的平均值略高。

圖5　冷卻速率對(duì)鋼樣中Cr元素分布的影響

圖6　冷卻速率對(duì)鋼樣中Cr平均含量的影響

2.3冷卻速率對(duì)40Cr鋼中Cr元素顯微偏析的影響

冷卻速率對(duì)鋼樣不同位置處Cr元素顯微偏析的影響如圖7所示。從圖7中可以看出，當(dāng)爐管內(nèi)冷卻速率由3.83℃/min分別提高到4.68、6.27、8.60 ℃/min時(shí)，對(duì)應(yīng)的試樣橫斷面上Cr元素的顯微偏析度最大偏差ΔγCr由0.274分別降至0.250、0.216、0.181，由此表明，隨爐管內(nèi)冷卻速率的提高，鋼樣橫斷面上Cr元素分布更加均勻。這是因?yàn)?，爐管內(nèi)冷卻速率越高，鋼液內(nèi)游離晶核則越多且分布比較均勻，試樣表層、中間層、中心區(qū)域的鋼液凝固時(shí)間進(jìn)程相近，不同區(qū)域的Cr元素在晶內(nèi)、晶界的分布差異性降低。由此可見(jiàn)，在40Cr鋼全等軸晶凝固組織結(jié)構(gòu)條件下，提高冷卻速率可使鋼樣橫斷面上Cr元素的分布更加均勻、Cr元素的顯微偏析現(xiàn)象得到有效改善。

圖7　冷卻速率對(duì)鋼樣中Cr元素顯微偏析的影響

3　結(jié)論

(1)采用合適的冷卻速率，可以獲得40Cr鋼全等軸晶結(jié)構(gòu)的凝固組織，其Cr元素分布較均勻。

(2)隨著爐管內(nèi)冷卻速率的提高，凝固鋼樣1/2高度處Cr的平均含量有所降低，但其值均大于0.84%。

(3)隨著爐管內(nèi)冷卻速率的提高，凝固試樣的

晶粒明顯細(xì)化、鉻元素的顯微偏析現(xiàn)象得到有效改善。

(4)當(dāng)爐管內(nèi)冷卻速率由3.83 ℃/min提高到8.60 ℃/min時(shí)，鋼樣橫斷面上凝固組織的平均晶粒面積由8.76 mm2減小到2.01 mm2、Cr元素顯微偏析度最大偏差由0.274降至0.181。

[1]Cheng C G, Wan W C, Liu Z T, et al. Causes and countermeasures of cracking in cogging process of 40Cr bloom [J]. Advanced Materials Research, 2012, 402: 111-115.

[2]楊偉，陳壽輝，張守銀，等. 冷卻速率對(duì) AZ91D 鎂合金非平衡凝固組織的影響[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2014，24(3)：593-599.

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[4]程常桂，齊士兵，陳雄，等. 40Cr大方坯凝固傳熱行為的研究[J]. 武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013, 36(4): 241-245.

[5]韓志偉，馮科，毛敬華. 合金鋼方坯連鑄機(jī)二次冷卻制度的研究[J]. 鑄造技術(shù)，2009，30(3)：388-391.

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[責(zé)任編輯張惠芳]

Effect of cooling rate on the solidification microstructure and Cr segregation behavior of 40Cr steel

HuangSheng,ChengChanggui,ZhuJiafa,JinYan,LiangZewei，ChenYing

(Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

Solidification samples of 40Cr steel at different cooling rates were prepared by thermal simulation experiments. By means of SEM, EDS, ICP-AES and macrostructure detection， the effects of cooling rates on the solidification microstructure and Cr segregation behavior of 40Cr steel were investigated. The results show that at proper cooling rate, the full equiaxed grain can be obtained and its chromium distribution is relatively uniform. With the increase of the cooling rate in furnace, the average content of chromium at half height of samples decreases,the grain size of solidification samples gradually decreases and the microscopic segregation of chromium is effectively improved. When the cooling rate in furnace increases from 3.83 ℃/min to 8.60 ℃/min, the average grain size of solidification microstructure at the cross-section of steel sample decreases from 8.76 mm2to 2.01 mm2, the maximum deviation of microscopic segregation ratio of chromium drops from 0.274 to 0.181.

40Cr steel; cooling rate; solidification microstructure; chromium； segregation

2016-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474163)；湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013CFB329).

黃勝(1987-)，男，武漢科技大學(xué)碩士生.E-mail：512114933@qq.com

程常桂(1970-)，男，武漢科技大學(xué)教授，博士.E-mail: ccghlx@wust.edu.cn

TF777.2

A

1674-3644(2016)04-0265-04