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        合金工具鋼S2鋼連鑄坯中心偏析的改善試驗

        2023-08-04 10:16:08張建斌屠興壙
        中國冶金文摘 2023年2期

        張建斌 屠興壙

        摘要:為降低合金工具鋼S2鋼連鑄坯中心碳偏析指數(shù),以改善采用“220 mm×260 mm連鑄坯-開坯160 mm×160 mm-軋制為Φ5.5 mm~Φ25 mm盤條”工藝生產(chǎn)熱軋盤條心部馬氏體團組織,通過對220 mm×260 mm合金工具鋼S2鋼末端電磁攪拌位置中心固相率進行模擬,并開展增加電磁攪拌參數(shù)和降低拉速試驗,對連鑄坯、熱軋坯和盤條偏析進行對比。試驗結(jié)果表明,在拉速0.85 m/min下,M-EMS和F-EMS電流由100 A增加到300 A,連鑄坯中心碳偏析指數(shù)由1.29降至1.16,熱軋坯中心碳偏析指數(shù)由1.16降至1.08,軋制為Φ8.0 mm盤條黑心變淺,馬氏體團改善明顯。

        關(guān)鍵詞:合金工具鋼;S2;中心碳偏析;電磁攪拌

        0 前言

        合金工具鋼S2鋼具有高的扭矩、硬度、耐磨性、沖擊韌性及服役疲勞性能,主要用于加工六角扳手和批頭。S2鋼成分中具備較高的C、Cr、Mo等元素,鋼水凝固過程中,鑄坯中心往往形成嚴重的中心偏析。由于鑄坯-軋材的組織和性能遺傳性,鋼材的很多質(zhì)量問題都源于鑄坯。鑄坯的缺陷(如偏析)一旦形成,則很難通過軋鋼、熱處理等后續(xù)加工進行彌補,會遺傳給軋材形成異常組織,甚至導致產(chǎn)品力學性能不合格、使用壽命低等質(zhì)量問題[1,2]。

        S2鋼盤條心部由于鑄坯中心偏析的遺傳,經(jīng)過加熱開坯再軋制為盤條后,心部較重的碳偏析成為中心馬氏體團形成的直接原因。馬氏體團不僅易造成盤條脆斷,同時影響用戶熱處理時間。為改善S2鋼盤條心部質(zhì)量,本文通過并開展增加電磁攪拌參數(shù)和降低拉速試驗,并得出合適的連鑄工藝參數(shù)。

        1 生產(chǎn)工藝和研究方法

        1.1 生產(chǎn)工藝

        合金工具鋼S2鋼盤條的生產(chǎn)流程為“220 mm× 260 mm連鑄坯-開坯160 mm×160 mm-軋制為Φ5.5 mm~Φ25 mm盤條”,其試驗鋼種的主要化學成分見表1。

        連鑄生產(chǎn)常規(guī)工藝(原工藝)為采用弱冷,M-EMS和F-EMS電流均為100 A,拉速0.85 m/min,針對末端電攪位置在拉速0.75 m/min和0.85 m/min下采用Factsage軟件進行中心固相率模擬,中心固相率分別為0.49和0.17,故采用兩種方案進行對比試驗,方案1:拉速為0.85 m/min,M-EMS和F-EMS電流均為300 A;方案2:拉速0.75 m/min,M-EMS和F-EMS電流均為300 A。

        1.2 研究方法

        在S2鋼生產(chǎn)一個澆次中的同一流分別采用原工藝、方案1、方案2的參數(shù)進行試驗,并各取一個長500 cm鑄坯樣,將取樣的該支鑄坯標識,開坯后分別再取1個長300 cm軋坯樣,并取該支軋坯軋制為Φ8.0 mm盤條,鑄坯樣、軋坯樣切割和碳偏析取點如圖1所示,其中軋坯樣不進行縱向低倍分析。評價碳偏析采用Φ5 mm的鉆頭取樣,針對橫截面碳偏析抽取1塊樣品沿中心向?qū)蔷€每隔6 mm連續(xù)取樣至邊緣,并將剩余橫向低倍樣采用5點法取樣,即中心點和1/2R位置。采用碳硫儀分析碳含量,偏析指數(shù)定義為C/C0,其中C為對角線連續(xù)取樣和橫向中心處碳質(zhì)量分數(shù),C0為1/2R位置碳質(zhì)量分數(shù)。Φ8.0 mm盤條拋光后采用4%的硝酸酒精腐蝕,在光學顯微鏡下觀察中心顯微組織。

        2 試驗結(jié)果與討論

        2.1 鑄坯低倍

        圖2和圖3為原工藝、方案1、方案2縱向低倍與橫向低倍照片,從圖2和圖3可以看出,原工藝和方案2連鑄坯中心存在明顯的V型偏析,原工藝中心伴隨明顯中心縮孔,縮孔最大級別達2.0級,方案2中心縮孔較原工藝有輕微改善,但中心疏松仍較明顯;方案1縱向低倍輕微輕微V型偏析,但心部致密,未發(fā)現(xiàn)中心縮孔缺陷。

        2.2 偏析指數(shù)

        圖4~圖7為原工藝、方案1、方案2連鑄坯、軋坯橫向低倍對角線碳偏析指數(shù)和中心碳偏析指數(shù),從圖4~圖7可以看出,原工藝中心碳偏析指數(shù)明顯較方案1和方案2高,原工藝、方案1、方案2中心碳偏析指數(shù)平均值分別為1.22、1.12、1.18;軋坯中心碳偏析指數(shù)與連鑄坯具有明對應關(guān)系,即原工藝較方案1和方案2高,且原工藝沿對角線取點分析碳偏析時,發(fā)現(xiàn)碳偏析指數(shù)最高點偏離中心位置。原工藝、方案1、方案2中心碳偏析指數(shù)平均值分別為1.16、1.08、1.11。

        2.3 金相組織

        將原工藝、方案1及方案2軋坯軋制為

        Φ8 mm盤條后制成的金相樣品,在100倍下的顯微組織照片,如圖8所示,原工藝盤條中心存在明顯的馬氏體團組織,而方案2心部馬氏體團組織面積相對較小,方案1中馬氏體團組織面積面積明顯最小。

        2.4 分析與討論

        對于鑄坯凝固過程中出現(xiàn)的中心偏析問題,根據(jù)溶質(zhì)元素析出與富集理論,鑄坯從表層到中心結(jié)晶過程中,由于鋼水中的一些溶質(zhì)元素,如碳 、磷、硫等,在固液邊界上溶解并平衡移動,從柱狀晶析出的溶質(zhì)元素排到尚未凝固的中心部位,從而形成連鑄坯中心偏析[3,4]。而通過電磁攪拌的外力作用使鑄坯內(nèi)部鋼水產(chǎn)生強制流動,折斷柱狀晶晶梢、抑制柱狀晶繼續(xù)生長,折斷的晶梢在液芯溶解而降低鋼液的過熱度,促使液芯溫度均勻,部分晶梢還可成為生長等軸晶區(qū),從而減輕中心偏析程度[5,6]。合理的末端電磁攪拌的位置,目前應用比較多的鑄坯中心固相率fs為0.1~0.2[7]。

        在原工藝參數(shù)下,電磁攪拌電流較小,電磁力不足以破壞凝固過程過程中柱狀晶的增長,從而導致中心位置出現(xiàn)搭橋,中心形成明顯中心縮孔;方案2增大電磁攪拌電流,但末端電攪位置鑄坯中心固相率達到0.49,電攪攪拌不能發(fā)揮到作用。而方案1中末端電攪位置中心固相率0.17,同時增大電磁攪拌電流,很好的發(fā)揮電磁攪拌的作用,從而減輕鑄坯中心偏析,軋制后盤條心部馬氏體組織明顯減少。

        3 結(jié)論

        在S2鋼連鑄工藝參數(shù)為拉速0.85 m/min,M-EMS和F-EMS電流由100A增加到300A,連鑄坯中心碳偏析指數(shù)由1.29降至1.16,熱軋坯中心碳偏析指數(shù)由1.16降至1.08,軋制為Φ8.0 mm盤條心部馬氏體團改善明顯。

        參考文獻

        [1] 黃貞益,陳光,牛亞然,等.連鑄坯凝固偏析和高強熱軋盤條的組織遺傳性[J].鋼鐵研究學,2007,19(1):44-47.

        [2] 楊武,陶紅標,趙沛,等.彈簧鋼軋制過程方坯凝固組織及偏析的遺傳性研究[J].鋼鐵,2010,45(9):32-35.

        [3] 張家雯,李正邦,薛正良.高碳鋼連鑄方坯中心偏析[J].煉鋼, 2000 , 16(1):56-60.

        [4] 錢剛,阮小江,蔡燮鰲.連鑄軸承鋼大方坯中心偏析的成因及對策[J].鋼鐵, 2002 , 37(5):16-20.

        [5] J.F.Longen recker,T.W.Lewis et al.Electromagnetic Stirring on Lukens Slab Caster.Proceeding of the 2nd Process Technology Conference,ISS of AIME,Chicago,1981,308-316.

        [6] 吉井賢太,高木彌等.通過電磁攪拌提高連鑄材品質(zhì).R&D神戶制鋼持報.1981,34(4):14-19.

        [7] H.Sun,L.Li,X.Cheng,et al.Reduction in macrosegregation on 380mm×490mm bloom caster equipped conbination M+F-EMS by optimizing casting speed[J].Ironmaking Steelmaking,2015,42(6):439-443.

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