薄板坯连铸连轧65Mn 钢的热轧组织与力学性能

黄 刚  焦国华  温德智  周春泉  陈建新  周明伟  吴开明

摘要: 利用光学显微镜, 扫描电子显微镜(SEM) , 透射电子显微镜( T EM) 和拉伸试验机, 硬度仪分析薄板坯连铸连轧工艺CSP 生产的高碳高强度钢65Mn 的热轧板微观组织与力学性能。该钢主要由珠光体和少量多边形铁素体组成, 珠光体片层间距在0. 2~ 0. 5Lm 之间。该钢的平均屈服强度为489MPa, 硬度为HRC22. 3, 伸长率达到18%; 没有明显的C和Mn 元素偏析, 力学性能分布均匀。通过与传统连铸工艺生产的65Mn 钢热轧组织与力学性能对比, CSP 工艺生产的65Mn 钢的组织更加细小, 性能更加优良和均匀。

关键词: CSP; 珠光体; 铁素体; 高强度钢

薄板坯连铸连轧CSP 是当今世界钢铁工业将科学、技术和工程集于一体的先进生产工艺, 将热轧板卷的生产在一条短流程生产线上完成, 显著缩短生产周期, 节约能源, 提高钢材收得率和生产率, 受到冶金界的普遍青睐, 近年在我国也得到迅猛的发展[ 1] 。我国现有薄板坯连铸连轧生产线13 条, 已经在薄板坯连铸连轧生产线上成功开发了碳素钢、低合金高强度钢( 包括管线钢、汽车大梁钢、等) 、无取向硅钢、低碳冷轧坯料等许多优质产品, 年产达到3000 多万吨, 已经成为薄板坯连铸连轧技术应用的第一大国[ 2] 。

高碳钢65Mn 碳含量高, 具有淬透性好, 脱碳倾向少, 价格低廉, 切削性好等优点, 用途广泛。可用于制造圆锯片, 生产成钢丝、钢带, 制造各种截面较小的扁、圆弹簧, 板簧和弹簧片; 在汽车业, 电子业, 火车等交通运输工具业用量也很大。目前, 我国高碳高强度钢的生产几乎全部采用传统的模铸或者连铸工艺生产, 碳的偏析控制问题是一个难点。涟钢利用薄板坯连铸连轧工艺冷却速率快, 铸坯等轴晶多, 凝固组织和析出物细小, 成分偏析小的优势, 成功生产了高碳高强度钢65Mn, 降低了生产成本, 提高了产品性能。本工作对其热轧态的微观组织与力学性能进行研究, 为利用CSP 工艺生产高碳高强度钢提供技术参考与支持。

1 实验材料和方法

1. 1 实验材料

涟钢薄板坯连铸连轧生产线采用第2 代CSP 工艺技术, 工艺流程示意图如图1 所示。65Mn 钢生产流程为: 转炉钢水) LF 精炼) 薄板坯连铸) 辊底式加热炉) 七机架精轧) 层流冷却) 地下卷取机) 检验入库。连铸过程中使用了电磁搅拌和液芯轻压下技术,铸坯厚度为70mm。开轧温度、终轧温度、卷取温度分别为1100~ 1150 e , 800~ 920 e , 600~ 720 e 。热轧钢板厚度为4mm。65Mn 钢的化学成分如表1 所示。

1. 2 实验方法

金相试样直接在热轧钢板纵截面上取得, 经镶样、磨平、抛光, 用4% ( 体积分数) 的硝酸酒精浸蚀观察面, 在BM51 光学显微镜和FEI Sirion 200 扫描电镜下进行微观组织观察; 采用双喷减薄制备T EM 样品,在FEI 生产的Tecnai G2 型透射电镜( TEM) 下进行微观组织分析。

热轧钢板根据5 金属拉伸试验试样国家标准GB6397 ) 866沿轧向加工成拉伸试样, 按照GB228 )2002 进行拉伸试验; 使用H R2150A 型洛氏硬度计测量硬度。

2 实验结果

2. 1 65Mn 钢的微观组织

图2( a) 为CSP 生产的65Mn 钢的光学显微组织。由图2 可知, 65Mn 钢的热轧组织均匀细小, 主要为珠光体和少量的先共析铁素体。珠光体团比较细小, 在光学显微镜下很难观察到珠光体的片层结构。晶界上分布着铁素体, 其厚度在1~ 2Lm 之间。沿着钢板宽度方向在不同部位取样进行观察, 发现热轧板边部和心部组织差别较小, 横向组织十分均匀。传统工艺生产的65Mn 钢( 见图2( b) ) 室温组织也为珠光体和少量铁素体, 但珠光体团尺寸较大, 片层结构在显微镜下清晰可见; 铁素体主要分布在原奥氏体晶界, 宽度多在2~ 5Lm之间。

根据SEM 分析, CSP 工艺生产的65Mn钢的珠光体片层较细小; 大部分片层间距( 表观片层间距, 下同)在0. 2~ 0. 5Lm之间, 并且片条比较短小, 珠光体团也较小, 其直径多数小于10Lm, 如图3( a) 所示。相比之下, 传统工艺生产的65Mn 钢的珠光体片层排列整齐,间距较宽, 多在1. 0~ 1. 5Lm 之间; 多数片条比较大,也就是珠光体团较大, 其直径多数大于10Lm, 如图3( b) 所示。

2. 2 65Mn 钢的TEM 分析

图4 为两种不同工艺生产的65Mn 钢珠光体TEM 图像。CSP 工艺生产的65Mn 珠光体团较小,其直径小于10Lm, 片层间距约为0. 2Lm, 另外, 还有细小的碳化物粒子分布在铁素体基体上, 如图4( a) 所示。传统工艺生产的珠光体团较大, 直径达几十微米, 片层间距约为1. 5Lm, 如图4( b) 所示。

2. 3 CSP 生产65Mn 钢C 和Mn 元素的偏析

图5 为薄板坯横断面及元素分析取点位置的示意图, 按照图5 中所示位置取样, 分析65Mn 钢中C 和Mn 元素的含量。沿着板坯的厚度方向从上往下等间距取5 行测量点, 沿着板坯的横向从左往右每行等间距取9 个测量点。

2. 3. 1 C 元素偏析分析

C 元素偏析的分析结果如表2 所示, 数据之间的差别较小。每行代表同一个厚度区域, 不同厚度区域C 含量( 质量分数/%) 的平均值分别为01 635, 01 639,01 619, 01 634 和01 640, 总平均值为0. 633, 样本的标准偏差仅为01 021。图6 为各点C 含量以及每行C 含量平均值的分布示意图, 可知C 偏析较小, 中心部位C含量略微偏低。其偏析指数( 最大C 含量- 平均C 含量) / 平均C 含量) 为0. 046, 说明样品的C 偏析轻微。

2. 3. 2 Mn 元素偏析分析

Mn 元素的偏析分析结果如表3 所示, 数据之间的差别同样比较小。不同厚度区域Mn 含量( 质量分数/%) 的平均值分别为01 924, 01 923, 01912, 01 916 和01926, 总平均值为01 920, 样本的标准偏差仅为01 019。

图7 为各点Mn 含量以及每行Mn 含量平均值的分布示意图, 可知Mn 偏析较小, 中心部位Mn 含量略微偏低。偏析指数为0. 043, 说明样品的Mn 偏析较轻。

2. 4 力学性能

组织微观分析表明, CSP 生产的65Mn 和传统工艺生产的65Mn 组织差别较大, 其力学性能也存在一定差别。

2. 4. 1 65Mn 钢的强度和塑性分析

在CSP 工艺热轧板的横向上, 沿着轧向分别从边缘到中心不同部位取样进行拉伸试验, 结果如表4所示。由表4 可知, CSP 工艺生产的65Mn 热轧板横向分布的力学性能良好, 比较均匀, 屈服强度和抗拉强度平均值分别达到了489MPa 和873MPa, 屈强比0. 56,强度最大相差不超过20MPa, 延伸率达到18%, 断面收缩率为37%, 塑性良好, 沿横向分布的塑性相差不大。图8 清楚地表明CSP 工艺生产的65Mn 钢在横向上强度和塑性比较均匀。

表4 显示, 传统工艺生产的65Mn 的抗拉强度比CSP 工艺生产的65Mn 钢低25%, 延伸率和收缩率均仅为CSP 工艺生产的65Mn 钢的一半左右。

2. 4. 2 65Mn 钢的热轧硬度

65Mn 钢的热轧硬度测量结果如表5 所示, CSP工艺生产的65Mn 钢的硬度为HRC20. 5~ 22. 5, 传统工艺生产的65Mn 钢的硬度仅为HRB93. 5~ 94。由此可见, CSP 工艺生产的65Mn 钢的热轧态组织比传统工艺生产钢的组织更细小, 硬度更高。

3 讨论

3. 1 热轧态65Mn 钢的组织细化

相对于传统工艺, CSP 工艺薄板坯在结晶器内的冷却强度远远大于传统工艺的厚板坯, 冷速接近传统板坯的10 倍^{[ 3]} ; 在铸坯凝固过程和凝固后的Dy C 相变过程中存在非常高的形核率, 铸态奥氏体晶粒比传统板坯更细、更均匀。CSP 工艺的铸坯加热前没有经历Cy (A+ P) 相变和再加热时的逆向过程, 轧制之前奥氏体晶粒相对粗大^{[ 4, 5]} 。研究表明^{[ 6]} , 在CSP 工艺生产热轧低碳钢薄板过程中前几个道次的变形发生在奥氏体的动态再结晶和静态再结晶区; 通过大变形量,增加再结晶形核速率, 使晶粒细化。赵征志^{[ 7]} 在研究CSP 流程生产汽车板时, 采用超过50% 的第一道次压下率, 动态再结晶后奥氏体晶粒从600Lm 细化到了48Lm。其研究表明, 第一道次变形后奥氏体晶粒接近了传统冷装工艺精轧前的奥氏体晶粒尺寸( < 50Lm) 。这种单道次大压下的连轧工艺通过变形2再结晶反复交替进行使奥氏体很快细化, 使得CSP 工艺生产的65Mn 钢的最终奥氏体晶粒小于传统工艺生产的产品。

在随后的层流冷却过程中, 铁素体首先在奥氏体晶界上形核。奥氏体晶粒越细小, 转变得到的铁素体晶粒越细小。同时, 由于C y A是扩散型相变, 随冷速的提高过冷度增大, 使得Ar3 相变温度变低, 不但促进了新A晶粒的进一步形核, 并且延迟了A晶粒向未相变C基体中的生长, 最终使组织中A铁素体的晶粒尺寸减小^{[ 8]} 。霍向东^{[ 9]} 研究CSP 工艺生产低碳锰钢4mm 和2mm 带钢的铁素体平均晶粒直径分别达到5. 0Lm 和4. 5Lm。

珠光体首先从晶界向晶内生长, 奥氏体晶粒细小使得珠光体形核位置大量增加, 有利于珠光体的形成,有利于提高奥氏体的分解温度。传统工艺生产65Mn钢的Ac1转变温度是714 e , Ac3转变温度是743 e ^{[ 11]} ,测量CSP 生产65Mn 钢的CCT 曲线, 得到Ac1 转变温度为719 e , Ac3转变温度为747 e , 分别较传统工艺高5 e 和4 e 。同时细小的奥氏体晶粒, 意味着奥氏体的表观距离缩短, 使得已经形核正在生长的珠光体相遇的机会增加, 得到的珠光体团明显小于传统连铸工艺得到的珠光体团^{[ 7]} 。另外, 片状珠光体的片层间距与形成温度和过冷度有关系。形成温度降低, 碳原子扩散速度减慢, 碳原子难以作大距离的迁移, 形成的珠光体的片层间距较小; 过冷度越大, 奥氏体和珠光体的自由能差别越大, 能够提供的能量越多, 能够增加的界面面积也越大, 片层间距就越小。CSP 工艺中强力层流冷却, 以及较高的Ac1 温度和Ac3 温度, 增加了珠光体转变的过冷度, 使得珠光体片层间距减小。王晓丽等人^{[ 10]} 在研究重轨钢时发现, 轧制变形量越大, 珠光体组织的片层间距值越小, 性能越好。CSP 工艺中精轧阶段的单道次压下量大于传统生产工艺, 有利于珠光体片层的减小。

本研究中CSP 工艺生产的65Mn 热轧态组织、细小, 珠光体团明显比传统工艺产品尺寸小, 珠光体片层间距较小, 使得其力学性能优于传统工艺生产的65Mn。

3. 2 热轧态65Mn 钢的性能均匀性

相对传统厚板坯连铸工艺, CSP 工艺薄板坯在一冷、二冷阶段冷速高得多, 加上电磁搅拌和液心轻压下技术的使用, 铸坯的晶粒均匀细小, 等轴晶粒多, 其元素偏析现象也得到了较好的控制。本研究分析结果表明, CSP 流程铸坯中C, Mn 元素均没有明显的偏析现象, 有利于其产品力学性能的均匀分布。

4 结论

( 1)CSP 工艺生产的65Mn 组织主要为珠光体和铁素体。珠光体片层间距多在0. 5Lm 以内, 还有碳化物粒子分布在铁素体基体上。珠光体和铁素体均比传统工艺生产的65Mn 钢的相应组织细小。

( 2)CSP 工艺生产的65Mn 热轧板的屈服强度为489MPa, 抗拉强度为873MPa, 伸长率达到18%。传统工艺生产的产品没有明显屈服现象, 抗拉强度为654MPa, 伸长率仅为9%。同时, CSP 工艺生产的65Mn 热轧卷的硬度高于传统工艺产品的硬度。

( 3)CSP 工艺生产的65Mn 热轧板中C 和Mn 元素没有明显偏析现象, 横向力学性能分布均匀, 最大强度差仅为20MPa。

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