脹斷連桿用高碳微合金鋼連鑄大方坯的鑄態(tài)組織

夏 勇，李 亮，王 璞，鐵占鵬，蘭 鵬，唐海燕，張家泉

北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院，北京 100083

連桿是連接曲軸和活塞的重要傳動部件，對承載能力、安裝與工作精度均有較高的要求.脹斷連桿是當前汽車行業(yè)先進的基于脆性脹斷再連接、解決裝配失圓問題的高精度連桿結構.為了獲得嚴絲合縫的解理斷口、避免塑性變形導致的連桿大頭圓失真，對鋼材的組織與均勻性有十分苛刻的要求[1].其中，非調(diào)質易切削高強鋼C70S6為德系連桿用近共析微合金鋼，也是一種新型節(jié)能高效鋼，具有高碳、微合金、硫含量較高以及窄成分控制等要求，連鑄生產(chǎn)難度大.僅從成品的組織性能要求來看，一方面，高碳高硫鋼連鑄中心縮孔、縮裂傾向大、極易發(fā)生軋材探傷不合缺陷；另一方面，其成分偏析傾向大容易導致后續(xù)軋材組織與力學性能一致性差[2].可見，認識并深入研究其鑄態(tài)組織與常見缺陷特征對于發(fā)展這類高等級特殊鋼連鑄技術具有十分重要的意義，也是近年來基于冶煉源頭進一步提升優(yōu)特鋼加工與服役性能的熱點問題[3?4].

大方坯連鑄是當前特殊鋼棒材生產(chǎn)的主流基礎工序，其中涉及鋼液流動、傳熱凝固、溶質再分配和凝固組織演變等復雜的物理過程[5?6].連鑄電磁攪拌技術(EMS)對于控制連鑄坯凝固組織、改善夾雜物分布并促進成分均勻化具有重要作用[7]，已經(jīng)成為特殊鋼連鑄機的標配、得到廣泛應用.

國內(nèi)外冶金工作者就電磁攪拌對鑄坯質量的影響做過大量研究.目前，低頻率大電流結晶器電磁攪拌（M-EMS）已成為控制結晶器內(nèi)鋼水過熱波動、穩(wěn)定連澆坯等軸晶率，進而控制大方坯中心縮孔缺陷的重要措施[8?10].同時也發(fā)現(xiàn)，鋼水在電磁攪拌作用下的強制流動將不同程度地影響鑄坯凝固組織形貌，并可能對后續(xù)軋材帶來不利影響[11?12].比如，這種流動在半徑方向上的切向分量會將坯殼固/液界面上析出的溶質元素輸送到液相中心，影響鑄態(tài)組織生長形貌乃至斷面偏析分布形態(tài)；同時還可能使鑄坯皮下產(chǎn)生不同程度的負偏析帶 (白亮帶/White band)[13?15]，研究結果顯示結晶器電磁攪拌電流強度越大流速越大，負偏析帶程度越嚴重.也有研究發(fā)現(xiàn)，在凝固固液界面前存在液體流動的情況下，柱狀枝晶會發(fā)生偏離正常方向生長的現(xiàn)象[16?18].認為其偏轉角度是由于上游方向的溶質耗竭和下游柱狀晶體尖端因對流導致溶質濃度升高造成的[19?21].可見，揭示結晶器電磁攪拌作用下的柱狀晶偏轉角和白亮帶狀況可以間接反映攪拌強度的合理性，對于優(yōu)化連鑄工藝改善鑄態(tài)質量至關重要.

鑒于含硫易切削高碳非調(diào)質脹斷連桿用大方坯鑄態(tài)組織對后續(xù)棒材探傷合格率和脹斷裂解組織一致性的重要影響，本研究基于該鋼種連鑄工藝生產(chǎn)開發(fā)試驗結果，對當前澆鑄條件下其大方坯凝固組織和成分偏析特征進行了系統(tǒng)的表征研究.通過鑄態(tài)低倍形貌、成分分布與偏析特點研究，以及全斷面柱狀晶偏轉生長的定量分析，以期揭示可能影響該鋼種產(chǎn)品加工過程脹斷解理斷裂要求的鑄態(tài)遺傳缺陷，進而探討優(yōu)化連鑄工藝、綜合提升脹斷連桿用大方坯鑄態(tài)質量的工藝途徑.

1 試驗條件與方法

試驗基于 250 mm×280 mm 大方坯弧形連鑄機，生產(chǎn)工藝流程為：110 t電弧爐→鋼包精煉(LF)→真空脫氣（VD）→3流弧形大方坯連鑄機.依據(jù)標準要求，試驗爐次鋼水主要成分（質量分數(shù)，%）為：C 0.70，Mn 0.57，Si 0.18，P 0.017，S 0.065，Cr 0.12，V 0.04，Mo 0.01 等；可見，滿足其非調(diào)質處理的強化機制主要是固溶強化和微合金沉淀強化.此外，成分中保有的較高硫含量可以改善產(chǎn)品的加工性能，熱鍛成形過程也具有促進先共析鐵素體形核細化共析組織的作用.為了保證后續(xù)產(chǎn)品裂解加工解理斷裂、嚴格控制斷口塑性變形，該鋼種要求窄成分控制、并從澆鑄源頭控制鋼坯中合金元素成分偏析和鑄態(tài)組織致密性.

生產(chǎn)試驗鑄機參數(shù)與主要連鑄工藝如表1所示.其中，基于結晶器攪拌和二冷弱冷工藝，獲得的連鑄坯中心縮孔1.0級、氣體質量分數(shù)小于2×10?6，均滿足標準及后續(xù)熱軋棒材探傷要求.

表1 大方坯連鑄機及生產(chǎn)工藝基本參數(shù)Table 1 Bloom continuous casting machine and its basic production parameters

為了揭示大方坯鑄態(tài)組織特征和成分偏析狀況，鋸切厚度30 mm的鑄坯橫斷面試樣.低倍試樣觀察面經(jīng)銑床加工至表面粗糙度不大于1.6 μm后用酒精清洗吹干，然后依據(jù)GB/T226低倍缺陷酸蝕方法的熱酸法，將試樣加工面浸入用水浴加熱至 60～80 ℃ 的酸蝕液中.浸蝕約 15 min 后取出試樣用清水沖洗吹干拍攝.關于鑄坯碳、硫等元素偏析信息，如圖1所示，沿用該低倍切片試樣，用直徑5 mm合金鋼鉆頭在鑄坯橫截面厚度方向取鉆屑樣，利用碳硫分析儀測定.此外，在試樣自表至中心的激冷層、柱狀晶區(qū)、中心疏松區(qū)切取10 mm×10 mm×7 mm的金相試樣進行鑄態(tài)枝晶形貌觀察.金相樣經(jīng)過粗磨、細磨、拋光后，進行枝晶浸蝕，其中腐蝕試劑選用苦味酸6 g+洗滌劑4 mL+H2O 500 mL 的 75 ℃ 恒溫溶液.采用電子顯微鏡進行顯微組織觀察，用圖像分析處理軟件ImageJ測量枝晶偏轉角度，并通過EDS對不同晶區(qū)試樣進行Mn、Mo、Si等其他合金元素的線掃描分析.

圖1 鑄坯橫截面晶區(qū)特征及鉆屑與金相試樣切取示意圖Fig.1 Schematic of the as-cast bloom structure and sampling for chemistry and metallographic analysis

2 實驗結果分析討論

2.1 鑄坯低倍形貌

鑄坯橫截面酸浸后低倍形貌如圖2所示.可見，當前連鑄工藝條件下，大方坯中心縮孔級別不超過1.0級，能得到較好的控制并滿足后續(xù)軋制要求.然而，在距離鑄坯四面表皮下15～20 mm處發(fā)現(xiàn)有明顯的皮下白亮帶組織，如圖2（c）所示.這種白亮帶一般與結晶器攪拌強度過大有關，為偏離共析點的溶質貧乏負偏析組織、也將成為后續(xù)軋材當?shù)罔F素體比例超標的主要原因.在負偏析帶與中心疏松區(qū)之間為粗大的柱狀晶區(qū)，如圖2（b）所示.不難發(fā)現(xiàn)，包括鑄坯角部區(qū)域，鑄態(tài)組織中柱狀晶均發(fā)生了不同程度的一次枝晶偏轉現(xiàn)象.

圖2 大方坯低倍試樣.（a）全斷面低倍形貌；（b）柱狀晶偏轉；（c）皮下白亮帶Fig.2 Low-magnification specimens of blooms: (a) full-section morphology; (b) columnar crystal deflection; (c) subsurface white bright band

鑄坯斷面不同晶區(qū)枝晶浸蝕結果如圖3所示，其中1#樣為激冷層、3#樣為皮下白亮帶所在晶區(qū)、6#樣為柱狀?等軸晶轉變（CET）混晶區(qū)、12#樣為中心等軸晶區(qū).關于這些典型晶區(qū)的形成機理已很清楚，主要與過冷度和凝固前沿成分過冷有關，在此不再贅述.但需要指出的是，晶區(qū)過渡區(qū)域以及中心斑點狀疏松區(qū)往往是成分偏析波動較大的區(qū)域，影響鋼材熱處理性能的碳極差超標往往與此有關[22].從3#樣枝晶形貌可見，在M-EMS作用下，此區(qū)域柱狀晶已經(jīng)明顯地偏離了垂直表面的最大溫度梯度方向，偏轉方向基本一致、偏轉角大約在 20°～28°之間.

圖3 鑄坯斷面自表及里不同晶區(qū)鑄態(tài)枝晶形貌（1#, 3#, 6#, 12#）Fig.3 Morphology of as-cast dendrites in different crystal regions from surface inward (1#, 3#, 6#, 12#)

2.2 柱狀枝晶偏轉及其特征

如圖2（b）所示，大方坯柱狀晶發(fā)生有明顯的偏轉生長現(xiàn)象.說明在當前較強的結晶器電磁攪拌作用下（500 A、3 Hz）坯殼凝固前沿發(fā)生切向流動，且水口出流鋼水電磁旋流在軸線方向上的有效作用距離較長.采用相場法，以Fe?0.6%C二元合金為例模擬獲得這種橫向流動對柱狀枝晶生長及溶質分布的影響，如圖4所示（其中V表示流速；C表示碳質量分數(shù)）.可見，在所設計的較小流速下（如鑄坯角部區(qū)域），凝固柱狀晶均表現(xiàn)出向旋流方向逆向傾斜生長的特性，且偏轉角度隨流速而增加.這種現(xiàn)象與前人關于柱狀晶上游（根部）溶質因切向流動而耗竭、導致柱狀晶體尖端溶質濃度升高而造成的枝晶偏轉特征是一致的[23].其中，Wang等[17]及Takahashi等[19]研究報道，隨著流速從 0.1 m·s?1增加到 0.4 m·s?1，偏轉角從 0°增加到 30°.Esaka 等[24]研究了碳含量的影響，發(fā)現(xiàn)碳質量分數(shù)從0.01%增加到0.1%，偏轉角從15°增加到20°，在此濃度以上保持22°左右不再變化.Wang等[17]報道了高碳鋼小方坯連鑄在 450 A、2.5 Hz結晶器電磁攪拌下，其柱狀晶偏轉角達18°到23°.

圖4 相場模擬橫向流動下的枝晶逆流偏轉及其溶質分布特征.（a）0 m·s?1；（b）0.04 m·s?1；（c）0.06 m·s?1Fig.4 Phase-field simulation of dendrite countercurrent deflection and its solute distribution characteristics: (a) the velocity is 0 m·s?1; (b) the velocity is 0.04 m·s?1; (c) the velocity is 0.06 m·s?1

如圖5所示，對于這種含硫高碳非調(diào)質脹斷連桿用鋼，測量其大方坯橫截面上距離鑄坯四周邊緣處相同距離的柱狀晶區(qū)枝晶偏轉角，結果如圖6所示.圖中表明，其柱狀晶偏斜角度在鑄坯寬、窄面中部最大，約在23°～26°之間；鑄坯角部柱狀晶偏轉角最小，且在寬窄面過渡區(qū)域發(fā)生反向偏轉，這顯然與角部二維傳熱且傳熱方向正交有關.受鋼液電磁旋流強度黏滯性衰減影響，鑄坯窄面左側和外弧面柱狀晶偏轉角度均略大于其相對面上柱狀晶的偏轉量.其中，基于數(shù)據(jù)擬合可獲得窄面?zhèn)戎鶢罹D角的如下回歸式.

圖5 鑄坯橫斷面中柱狀晶偏轉生長形貌Fig.5 Morphology of the columnar crystal deflective growth in bloom casting

圖6 鑄坯寬窄面柱狀晶偏轉角曲線.（a）窄面柱狀晶偏轉角分布；（b）寬面柱狀晶偏轉角分布Fig.6 Deflection angle curve of the wide and narrow side columnar crystals: (a) narrow side of the bloom casting; (b) wide side of the bloom casting

其中：θ為柱狀晶體偏轉角，（°）；d為離窄面左側邊緣距離，mm；該結果與文獻[17]中報道高碳鋼小方坯相近.寬面?zhèn)戎鶢罹D角分布規(guī)律與大小基本類似.

2.3 皮下負偏析白亮帶

連鑄坯低倍中出現(xiàn)的白亮帶現(xiàn)象屬于負偏析區(qū)鐵素體比例高耐酸蝕較強的表現(xiàn).圖2（a）可見，鑄坯橫斷面上白亮帶具有側面較重、而角部不明顯的特點，可能與當?shù)啬糖把氐牧鲃有圆町愑嘘P.由凝固前沿溶質沖刷機理[15]，可知白亮帶一般均與凝固前沿鋼水流動對枝晶間偏析溶質的沖刷有關，白亮帶位置與攪拌器安裝位置或當?shù)氐哪膛鳉ず穸扔嘘P；負偏析帶寬度則與拉速、攪拌器有效長度等有關.在本實驗工況 500 A、3 Hz 的結晶器電磁攪拌作用下，較強的電磁力旋流對初凝坯殼的沖刷應該是這種皮下白亮帶的主要成因[25].表2所示鉆屑樣碳、硫元素分析結果也表明其為負偏析帶.如圖7所示，結晶器區(qū)域的電磁攪拌，不僅造成凝固前沿的負偏析帶，枝晶間濃化鋼水向內(nèi)部遷移也推高了柱狀晶區(qū)域成分，鑄坯中間（Mid-way）呈現(xiàn)出C元素正偏析區(qū).鑒于宏觀偏析在后續(xù)熱加工中難以去除、在軋材和產(chǎn)品中具有遺傳效應，為了保證組織的一致性，一般希望鑄坯斷面碳、硫極差越小越好.也就是說鑄坯皮下白亮帶或其程度與存在范圍應該加以控制.

圖7 鑄坯縱剖低倍及其不同區(qū)域碳偏析特征Fig.7 As-cast macrostructure at the longitudinal section of the bloom casting and its cross-sectional carbon segregation

表2 鑄坯斷面鉆屑點碳硫成分（質量分數(shù)）Table 2 Carbon and sulfur concentration in the cross section of the bloom casting %

應該提出的是，在同樣澆鑄工況生產(chǎn)試驗中，發(fā)現(xiàn)鑄坯試樣中心也有負偏析的結果，以及內(nèi)外弧鑄態(tài)結構或成分偏析不對稱現(xiàn)象，這很可能與低過熱澆鑄或結晶器強電磁攪拌條件下的高碳鋼發(fā)達枝晶的游離沉降有關.

2.4 鑄態(tài)不同晶區(qū)合金元素 EDS 分析

選取不同鑄態(tài)晶區(qū)位置金相試樣（1#、3#、12#），在試樣中間部位進行合金元素Mn、Mo、Si線掃描EDS分析，結果如圖8所示.可見，以上三種元素在鑄坯不同位置分布特征基本相同.激冷層1#樣溶質元素含量適中、中心等軸晶區(qū)12#樣中溶質元素相對富集，而白亮帶所在晶區(qū)的3#樣溶質元素含量均明顯比較貧乏.也就是說，合金元素的分布與前述碳、硫分布特征是一致的.但同時可見，白亮帶區(qū)域合金元素Mn、Mo貧乏更為突出，其在不同位置分布不均勻程度明顯大于Si元素，如表3所示.無論是C、S，還是其它合金元素，其宏觀偏析程度越大，后續(xù)熱加工產(chǎn)品組織與性能的差異性也將越大.

表3 鑄坯不同位置合金元素含量差異度比值Table 3 Distribution ratio of the solute elements in different crystal regions

圖8 不同晶區(qū)合金元素 EDS 分析值（1#激冷層、3#白亮帶區(qū)域、12#等軸晶區(qū)）Fig.8 EDS values of the solute elements in different crystal regions (1# quench layer, 3# white bright band area, 12# equiaxed crystal region)

3 分析討論

用戶調(diào)研表明，對于大方坯連鑄含硫高碳非調(diào)質脹斷連桿鋼，其后一般要求以熱軋棒材的形式供貨，終端用戶再通過熱模鍛控制成形、控制組織.若要保證零件裂解加工過程塑性變形小、發(fā)生理想解理斷裂（斷口平整，無凸起和掉渣等），一般要求產(chǎn)品要有90%以上的珠光體、不連續(xù)分布小于10%甚至5%的鐵素體組織，且無異常組織[1, 26].

可見，為了以鑄代鍛，在開發(fā)脹斷連桿鋼大方坯連鑄生產(chǎn)工藝時采用結晶器強電磁攪拌確實可以增加中間等軸晶區(qū)、控制中心縮孔缺陷，然而攪拌工藝不當也會導致鑄坯斷面宏觀偏析差異程度較大的問題.其中不僅包括皮下白亮帶、中心線偏析，還包括粗大等軸晶區(qū)的斑點狀半宏觀偏析.眾所周知，如上所述的這種宏觀尺度成分不均勻性，在后續(xù)熱加工環(huán)節(jié)是難以消除的，很容易發(fā)生產(chǎn)品異常組織，進而導致裂解斷口不合.有研究表明[27?28]，C與Mn等合金元素宏觀偏析程度大，連桿鍛造空冷后可能出現(xiàn)貝氏體與馬氏體組織，不僅造成材料硬度波動大，也會惡化切削加工性能；而碳負偏析白亮帶，則會產(chǎn)生較多的鐵素體組織，會降低材料拉伸強度、導致局部韌窩型凸起，從而不利于裂解加工解理斷口的保障.此外，含硫鋼目的是改善可加工性，但S偏析程度大，容易引發(fā)后續(xù)產(chǎn)品模鍛加工熱脆.

綜上可見，含硫高碳非調(diào)質脹斷連桿鋼連鑄工藝的開發(fā)中，窄成分控制的關鍵是連鑄宏觀偏析的控制.當前工藝條件下常見的皮下白亮帶、鑄坯中心線偏析或粗大等軸晶區(qū)的點狀半宏觀偏析將會對軋材組織有遺傳性影響，應該從連鑄源頭加以控制.依據(jù)所揭示的柱狀晶偏轉角反映的電磁攪拌強度，進而通過弱化結晶器攪拌、恒溫恒拉速穩(wěn)定凝固終點，再實施凝固末端輕壓下等措施，可望綜合提升其鑄態(tài)質量、保障后續(xù)連桿鍛材裂解性能.

4 結論

基于典型大方坯連鑄生產(chǎn)工藝及其鑄態(tài)組織、成分均勻性分析，研究了連鑄工藝開發(fā)脹斷連桿用鋼后續(xù)加工過程常見斷口形貌不合的鋼坯遺傳性因素.通過對德系 C70S6 鋼 250 mm×280 mm斷面大方坯鑄態(tài)低倍結構、枝晶形貌與成分偏析特征的實驗研究，結論如下：

（1）大方坯連鑄在常用結晶器電磁攪拌工藝條件下可以獲得內(nèi)部較為致密、無明顯中心縮孔缺陷、可保障后續(xù)棒材探傷合格的高碳含硫鋼連桿用鋼坯；但攪拌強度過大會改變鑄坯斷面宏觀偏析形態(tài)，并在鑄坯面部產(chǎn)生明顯的皮下負偏析白亮帶組織.

（2）當前連鑄工況條件下，凝固柱狀晶生長具有明顯的偏轉角.柱狀晶偏轉角由寬窄面角部向中心逐漸增大，數(shù)值在?7°～27°之間.其中鑄坯面部柱狀晶偏轉角較大，且寬窄面偏轉角具有一定的不對稱性.柱狀晶偏轉生長及其方向與凝固前沿鋼水的橫向流動有關，其偏轉程度也間接反映了結晶器攪拌強度及其合理性.

（3）伴隨碳、硫偏析，該鋼種鑄坯中合金元素Mn、Mo等在不同晶區(qū)偏析程度差異大.這種鑄態(tài)組織中合金元素的宏觀偏析在后續(xù)熱加工環(huán)節(jié)具有遺傳性，也將對后續(xù)脹斷連桿產(chǎn)品的裂解加工性能產(chǎn)生一定的影響.

綜合認為，含硫高碳非調(diào)質脹斷連桿鋼連鑄工藝的開發(fā)，窄成分控制的關鍵是連鑄宏觀偏析及其程度的控制，基于鑄態(tài)組織特征從連鑄源頭優(yōu)化工藝、調(diào)控組織具有重要意義.