研究与开发含锰结构钢中带状组织及其对力学性能的影响张鹏远, 隋晓红, 苏洪英, 谢广群, 马慧霞(鞍钢股份有限公司技术中心, 辽宁鞍山114009摘要:对含锰结构钢中带状组织的形成演化规律及对冷轧板力学性能的影响进行了研究。
结果表明, 钢板中的带状组织是由连铸过程中元素的中心枝晶偏析所致。
带状组织的存在对冷轧板的强度无明显影响, 但使冷轧板的塑性显著降低, 从而影响产品的使用性能。
采取控制连铸时钢水的过热度、加大电磁搅拌等措施, 可减轻铸坯的中心偏析, 遏制带状组织的形成。
关键词:枝晶偏析; 带状组织; 变形; 强度; 塑性中图分类号:TG142 文献标识码:A 文章编号:1006-4613(2010 05-00-00Banded Structure in M n -bearing Structural Steel and ItsI nfluence onM echanical PropertiesZhang Pengyuan , SuiX i a ohong , Su H ongy ing , X i e Guangqun , M a H uix i a (TechnologyCenter of Angang S teel Co . , Ltd . , Anshan 114009, Liaoning , ChinaAbst ract :The evo l u tion la w for f o r m i n g the banded struct u re in M n-beari n g structural steel and the i n fl u ence of the str ucture on m echan ica l properties of a cold rolled steel sheet are st u died .The results sho w that the banded structure i n the stee l sheet is caused by central dendrite segregation of ele m en ts i n steel duri n g conti n uous casting process . The sa id structure has no obv ious effect on the strength of the co l d ro lled steel shee, t but t h ee l o ngation of the sheet is decreased so m uch that the serv ice perfor m ance of the co l d ro ll e d pr oduct is i m pacted . A fter taking such m easures as con tro lling thesuperheat deg ree ofm o lten steel and app l y i n g m uch m ore po w erfu l electric m agnetic stir ring during conti n uous casti n g , the centra l segregati o n in a conti n uous casti n g slab can be reduced and the fo r m ulation o f banded struct u re is contr o lled w ithin desirab le li m its .K ey w ords :dendrite seg regation ; banded struct u re ; for m ulation; streng th ; e l o gation 含锰结构钢通常具有较好的加工性能和使用性能, 广泛用于生产薄板、带钢等冷轧产品。
然而, 当钢中存在严重的带状组织时, 将会使材料显示出强烈的各向异性能, 造成深加工时的不均匀变形[1], 即沿板宽方向上纵向纤维延伸不一致,形成二次变形[2], 甚至在应力集中处萌生裂纹源[3], 影响最终产品的使用性能。
因此深入研究张鹏远, 高级工程师, 硕士, 1989年毕业于哈尔滨工业大学金属材料专业, 现任鞍钢股份有限公司技术中心理化检验所所长。
带状组织的本质及其对力学性能的影响具有普遍的理论意义和工程价值。
本文对含锰结构钢在冶炼、轧制成冷轧板过程中带状组织的形成、演变机理及对最终产品力学性能的影响进行了系统分析, 为消除带状组织, 改善冷轧钢板质量提供技术依据。
1 试验材料与研究方法1. 1 试验材料试验研究的材料为含锰的碳素结构钢, 化学成分列于表1。
表1 试验材料的化学成分(质量分数%C S i M n PSA ls0. 2~0. 30. 1~0. 21. 58~1. 820. 0140. 0090. 045其生产工艺为:铁水预处理转炉冶炼 LF (ANS炉外精炼弧形连铸机连铸。
连铸坯的浇铸温度为1530! , 铸后经1250! 加热, 按照常规的热轧工艺轧制成3mm 厚的热轧板, 再经四道次冷轧成0. 9mm 的冷轧钢带。
然后进行在线950! 加热、水冷热处理。
1. 2 研究方法为了全面研究带状组织的形成及其演变过程, 首先从常规浇铸后的含锰碳素钢连铸坯上截取横向试样进行凝固的枝晶组织、低倍缺陷检验, 选取有中心偏析的区域截取20mm ∀20mm 试样, 做电子探针面分析, 研究成分偏析趋势, 从宏观到微观全方位分析M n 、S i 、P 、S 等元素在铸坯枝晶间偏聚规律。
另取带有严重带状组织的冷轧板原料(即3mm 厚热轧板, 冷轧成0. 9mm 厚钢带, 在板宽1/4位置上, 沿纵向平行截取宽50mm 、长1000mm 的钢带试样两条, 编号为1#、2#。
对其中的1#样进行在线950! 加热后水冷热处理, 2#样保持原始冷轧态作对比分析。
将两组试样每间隔100m 取样进行显微组织观察、力学性能测定, 分析带状组织对最终产品力学性能的影响。
2 试验结果分析2. 1 连铸坯的枝晶偏析分析采用冷热酸蚀的方法对试验钢连铸坯横截面试样进行低倍枝晶检验, 结果铸坯中心部位存在中心疏松1. 0级, 中心偏析1. 5级, 偏析呈断续分布; 连铸坯低倍凝固组织是:表面为细等轴晶, 近表面为细长枝晶, 接着为近似平行排列的柱状晶, 中心为粗等轴晶。
铸坯的枝晶间距由外表向中心逐渐增加, 见图1。
在包括中心偏析部位在内的粗大柱状晶到中心等轴晶区域内取样, 利用EP MA -1610电子探针进行成分的面分析, 结果显示:在凝固的枝晶间区域位置主要偏析元素是M n 、S i 元素, 偏析比例SR [4]分别为3. 13、2. 71。
枝晶间距越宽, 偏析越明显。
典型电子探针成分面分析结果见图2。
252. 2 金相组织、力学性能检验对3mm 厚热轧板沿纵向取批量试样进行显微观察, 结果为钢板中的夹杂含量极低, 硫化物A0. 5级, 氧化物B0. 5级。
金相组织为铁素体+珠光体, 近中心的局部区域存在有明显的带状组织。
分析结果表明, 连铸坯经较大的轧制压下后, 中心疏松完全得以焊合, 金相组织的致密度大大增加[5]; 但中心偏析随轧制压缩比的增加在长度方向上被拉长。
热轧板经四道次冷轧成0. 9mm 厚钢带。
试验从1#、2#号冷轧钢带上沿千米长度每间隔100m 取样观察金相组织, 结果为两条钢带组织中都断续分布着严重程度不等的带状组织。
2#样的金相组织仍为铁素体+珠光体, 珠光体形成的纤维条带更加分明, 在钢带试样上500m 处最严重, 带状组织达4级; 1#样经过高温加热、水冷后, 其组织转变成索氏体+铁素体。
观察还发现, 受到遗传因素影响, 在原始带状组织严重位置, 其转变产物仍呈带状分布, 只是随纤维条带的消失有所减轻。
典型的500m 处钢带热处理前后带状组织形态见图3。
(a 原始冷轧钢带中的带状组织; (b 热处理后钢带中的带状组织图3 钢带热处理前后带状组织形态从1#、2#试样金相组织对应位置截取试样进行力学性能测定, 结果表明, 在1000m 长度上, 原始冷轧态的2#钢带抗拉强度R m 曲线变化较平稳, 见图4(a; 延伸率A 30波动较大, 在存在带状组织为3~4级的500~600m 、900m 处, A 30曲线出现明显降低态势, 其中500m 处最为严重。
带状组织程度与延伸率变化对应状况见表2。
经过加热、水冷的1#钢带, 其金相组织转变成索氏体+铁素体, 纤维特征消失, 带状形态明显减轻, 强、塑性曲线总体趋于平稳, 在抗拉强度R m 下降的情况下, 延伸率A 30大大提高。
但在500m 处, A 30仍然出现低值, 见图4(b。
(a 原始冷轧钢带的力学性能变化曲线; (b 热处理后钢带的力学性能变化曲线图4 原始冷轧钢带和热处理后钢带力学性能变化曲线张鹏远等:含锰结构钢中带状组织及其对力学性能的影响#鞍钢技术∃2010年第5期总第365期表2 冷轧钢板带状组织与延伸率对应关系试样位置/m 冷轧状态带状组织/级A 30/%热处理状态带状组织/级A 30/%1003. 03. 81. 516. 52002. 04. 30. 516. 53001. 57. 0016. 04001. 55. 215. 05004. 03. 13. 012. 56004. 03. 72. 016. 07003. 05. 21. 515. 58003. 06. 21. 517. 59003. 55. 01. 516. 03 结果分析讨论低碳锰钢连铸坯中心偏析的程度是影响冷、热轧钢板组织均匀性的重要因素之一[6]。
在连铸坯凝固过程中, 由于钢中各种元素及其化合物的熔点和比重不同, 容易引起成分的微观偏析。
如果钢水浇注的过热度高, 固液两相区的温差变大, 凝固末期将会延长, 这时以锰为主的合金元素就会在粗大枝晶间形成强烈的偏聚, 从而使连铸坯形成严重的中心偏析。
电子探针面分析结果表明, 实验钢铸坯中心偏析的元素主要是Mn 。
另一方面, 热轧钢板金相组织观察结果显示, 钢中的夹杂物很少, 钢质较纯, 所形成的带状组织条带中未发现有较大条、链状夹杂物。
全部是由粗大的珠光体条带形成的成分偏析带。
由此分析认为, 中心带有严重锰硅枝晶偏聚的连铸坯在热轧成钢板过程中, 在三维方向上产生明显不同的塑性变形, 枝状晶被拉长和展宽, 硅锰元素在枝干和枝间沿着轧制方向呈带状分布[7], 在达到相变温度时, 贫锰的带层先析出铁素体, 而富锰的带层中的奥氏体则具有最大的稳定性(锰降低Ar 3点, 增加奥氏体相的稳定性, 最后在这些富锰带层中形成珠光体条[8], 最严重处带状组织达4级。