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1、连铸坯缺陷,李卫平 2013.7.12,2013-7-12,1,目录,第一部分 裂纹缺陷 第一章综述 1.1 裂纹分类方法 1.2 各种裂纹的形成机理及其特征 1.3 铸坯裂纹类型与形成位置的关系 1.4 连铸坯形成裂纹的必要条件 1.5 裂纹类型与微观结构和脆性温度区间的关系 1.6 钢的裂纹敏感性评价 1.7 钢中残余有害元素对性能影响 第二章 表面裂纹 2.1 网状裂纹 2.2 星形裂纹 2.3 纵裂纹 2.4 横裂纹,2019/11/12,2,第三章 内部裂纹 1 近表裂纹 2 中间裂纹 3 中心裂纹 4 控制措施 第四章 切割裂纹,目录,2013-7-12,3,第二部分 连铸坯其它缺
2、陷 第一章 其它外表缺陷 渣沟 渣坑 粘渣 卷渣 气孔 划痕 压痕 夹痕 第二章 其它内部缺陷 气孔 缩孔,目录,2013-7-12,4,中心疏松 中心偏析 第三章 夹杂缺陷 第四章 形状缺陷 1 .椭圆 2. 弯曲 3 .鼓肚 后附： 断口分析 1. 断口分析常用定义 2. T23钢高温拉伸断口扫描电镜形貌比较 3. 连铸坯表面纵裂断口分析方法应用 4. 铸坯纵裂断口案例,目录,2019/11/12,Author,5,1.1 裂纹分类方法 1.2 各种裂纹的形成机理及其特征 1.3 铸坯裂纹类型与形成位置的关系 1.4 连铸坯形成裂纹的必要条件 1.5 裂纹类型与微观结构和脆性温度区间的关系
3、 1.6 钢的裂纹敏感性评价 1.7 钢中残余有害元素对性能影响,第一章 综述,2019/11/12,6,1.1 裂纹分类方法综述,裂纹的种类 出现的位置 表面裂纹和内部裂纹 按裂纹的走向 横向裂纹和纵向裂纹 按尺寸大小 宏观裂纹和微观裂纹 按出现的温度范围 热裂纹和冷裂纹 按形成机理 热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹,2019/11/12,7,1.2 各种裂纹的形成机理及其特征,热裂纹 在高温阶段发生的开裂现象。是指在钢的凝固过程中，在300以上高温下产生的裂纹为热裂纹。 热裂纹一般有在稍低于凝固温度下产生的凝固裂纹，也有少数是在凝固温度区发生的裂纹。 它的特征是沿原奥氏体晶
4、界开裂。 特征 表面呈氧化色、外形曲折而不规则、沿晶断裂特征。 种类 凝固裂纹 液化裂纹 高温失延裂纹,2019/11/12,8,结晶裂纹：金属凝固结晶末期，在固相线附近发生的晶间开裂现象，称为凝固裂纹或结晶裂纹。其形成与凝固末期晶间存在的液膜有关，断口具有沿晶间液膜分离的特征。裂纹无金属光泽，有明显的氧化色彩。,1.2 各种裂纹的形成机理及其特征,液化裂纹：是一种沿奥氏体晶界开裂的微裂纹，一般认为是由于热影响区金属奥氏体晶界上的低熔点共晶，在热源（火焰切割）高温作用下发生重新熔化，使金属的塑性和强度急剧下降，在拉伸应力作用下沿奥氏体晶界开裂而形成的。,2019/11/12,9,高温失延裂纹
5、在固相线以下的高温阶段，金属处于不断增长的固相收缩应力作用之下，变形方式主要是依靠位错或空位沿着晶界的扩散、移动进行。当沿晶界的扩散变形遇到障碍时（如三晶粒相交的顶点），就会因应变集中导致裂纹。 空穴开裂理论认为晶界滑动和晶界迁移同时发生，两者共同作用可形成晶界台阶，进而形成空穴并发展成微裂纹。,1.2 各种裂纹的形成机理及其特征,2019/11/12,10,冷裂纹 铸坯在室温附近出现的裂纹。 特征 穿晶断裂或晶间断裂、具有金属光泽或轻微氧化色、外形规则，常呈光滑曲线或直线状。 种类 氢致裂纹 淬火裂纹 低塑性脆化裂纹,1.2 各种裂纹的形成机理及其特征,2019/11/12,11,氢致裂纹（
6、延迟裂纹）： 这类裂纹是在氢、钢材淬硬组织和拘束应力的共同作用下产生的，形成温度一般在 Ms 以下 200 至室温范围，由于氢的作用而具有明显的延迟特征，故又称为氢致裂纹。 裂纹的产生存在着潜伏期（几小时、几天甚至更长）、缓慢扩展期和突然开裂三个连续过程。由于能量的释放，常可听到较清晰的开裂声音（可用声发射仪来监测），常发生在刚性较大的低碳钢、低合金钢的焊接结构中。,1.2 各种裂纹的形成机理及其特征,2019/11/12,12,氢致裂纹的机理(应力诱导扩散理论),缺陷,提供裂纹源,应力集中的应力区,氢向高应力区扩散并聚集,促使位错移动或增值,尖端微区的塑性应变量增加,氢浓度达到临界值,局部开
7、裂,裂纹向前扩展,1.2 各种裂纹的形成机理及其特征,2019/11/12,13,淬硬脆化裂纹： 某些淬硬倾向大的钢种，热加工后冷却到Ms 至室温时，因发生马氏体相变而脆化，在拘束应力作用下即可产生开裂。这种裂纹又称为淬火裂纹，其产生与氢的关系不大，基本无延迟现象，成形加工后常立即出现。 这类裂纹常出现在具有强烈淬硬倾向的高（中）碳钢、高强度合金钢、工具钢的焊件中。,1.2 各种裂纹的形成机理及其特征,2019/11/12,14,低塑性脆化裂纹： 它是某些低塑性材料冷却到较低温度时，由于体积收缩所引起的应变超过了材料本身所具有的塑性储备量时所产生的裂纹。 这种裂纹通常也无延迟现象，常发生在铸铁
8、或硬质合金构件的成形加工中。如灰口铸铁在400以下基本无塑性，焊接裂纹倾向很大。,1.2 各种裂纹的形成机理及其特征,2019/11/12,15,再加热裂纹： 钢坯在一定温度范围内再次加热（消除应力热处理或其它加热过程）而产生的裂纹为再热裂纹。 在消除应力热处理过程中产生的再热裂纹又称消除应力处理裂纹，也叫SR裂纹。 再热裂纹的产生原因： 一是与钢中所含碳化物形成元素（Cr、Mo、V、Ti及B等）有关。如珠光体耐热钢中的V元素，会使SR裂纹敏感性显著增加； 二是与加热速度和加热时间有关，不同的钢种存在不同的易产生再热裂纹的敏感温度范围。因此，在制定加热工艺时，应尽量减少坯料在敏感温度范围内的停
9、留时间。前者是内在因素，后者是外在因素。,1.2 各种裂纹的形成机理及其特征,2019/11/12,16,1.3 铸坯裂纹类型与形成位置的关系,4,期 裂纹的深度,1.3 铸坯裂纹类型与形成位置的关系,2013-7-12,2019/11/12,18,1.3 铸坯裂纹类型与形成位置的关系,裂纹的断口,2019/11/12,19,1.3 铸坯裂纹类型与形成位置的关系,裂纹的脱碳,2019/11/12,20,1.4 连铸坯形成裂纹的必要条件,连铸坯形成裂纹的必要条件:,外因,内因，钢的裂纹敏感性,2019/11/12,21,1.5 裂纹类型与微观结构和脆性温度区间的关系,2019/11/12,22,
10、（）表示在凹陷底部，由于回热或重熔引起的裂纹,1.5 裂纹类型与微观结构和脆性温度区间的关系,1,(1)、在区，柱状晶间裂纹因偏析导致在晶间形成富积S、P、有时也有B的液膜而加剧。 (2)、在区，晶粒间界产生的裂纹，是由于细小的硫化物和硫氧化物的沉淀析出、以及铁皮下富积的Cu、Sn、Sb等元素造成的。 (3)、在区，晶粒间界裂纹是由于在以低的变形速度变形的过程中氮化物和氮碳化物的动态析出而产生的，有时沿奥氏体晶粒间界有先共析铁素体而加剧裂纹。 晶粒间界裂纹(星状裂纹、横裂纹)与析出物的富积有关，为此，初生奥氏体晶粒粗化是一个重要的先决条件，在呈现全部是铁素体凝固并自然转变为奥氏体时是最明显。,
11、1.5 裂纹类型与微观结构和脆性温度区间的关系,2013-7-12,2019/11/12,24,对晶粒间界裂纹来说，加Ti对减少星状裂纹、横裂纹有作用的，除了减少自由氮之外，加Ti还有细化晶粒的效果：细化奥氏体晶粒尺寸，也可以减轻非氧化性元素(Cu、Sn、Sb)在铁皮下富积的影响。 由于钢中的硫会在晶界偏聚降低晶界强度，且凝固过程中在晶界形成熔点较低的( Mn 、Fe )S ， 易造成晶界开裂。Mintz 提供了MnS 临界值实验公式， MnS = 1.345XS-0.739 。 钢中A1、N含量增加， 连铸坯的第低塑性区将变宽， 这主要是由于钢中细小的A1N 沿晶界析出， 降低了奥氏体晶界强
12、度,易在应力作用下沿晶界开裂。,1.5 裂纹类型与微观结构和脆性温度区间的关系,2019/11/12,25,产生内裂纹的判据 内裂纹的产生主要决定于凝固面前沿所能承受的应力应变。当凝固前沿承受的应变超过临界应变临值，则产生裂纹。不同作者实际测定临值如下： C， （应变） 0.15 0.20.5 0.170.28 3.23.6 0.160.23 0.51.0 0.130.15 3.23.3 0.13 0.450.56 0.180.24 0.320.62 0.42 1.01.5 设计板坯、大方坯时，推荐值: SMSDemag： 临=0.1% Danieli: 临0.16%,1.5 裂纹类型与微观结
13、构和脆性温度区间的关系,2019/11/12,26,临值主要决定于钢的成分。钢中碳当量CP、Mn/S比和临关系如下图。 CP值计算式如下： CPC0.02Mn+0.04Ni-0.1Si-0.04Cr-0.1Mo 知道钢成分与Mn/S，计算出CP值，由图可查出临值。,1.5 裂纹类型与微观结构和脆性温度区间的关系,2019/11/12,27,1.6 钢的裂纹敏感性评价,内裂率（a）、表面裂纹率（b）、奥氏体晶粒尺寸（c）与碳C含量的关系,2019/11/12,Author,28,1.6 钢的裂纹敏感性评价,2019/11/12,29,铁-碳相图（a）、凝固时铁素体/奥氏体比例（b）和凝固范围（c
14、）,1.6 钢的裂纹敏感性评价,2019/11/12,30,用铁素体量 FP（ferrite Potential）来评价钢的裂纹敏感性: 碳钢 FP 2.5(0.5-(%C) 低合金钢 FP 2.5(0.5-(%Cp) 其中碳当量 Cp(%C)+0.02(%Mn)+0.04(%Ni)-0.1(%Si) -0.04(%Cr)-0.1(%Mo)-0.1(%S) 我司是根据钢液凝固成坯壳的铁素体比例来选用结晶器保护渣的： 铁素体比0.85，铁素体比高，铸坯收缩大，防铸坯凹陷，用包晶钢渣。 铁素体比 0.80.5，用锰钢渣。 铁素体比 0.5，用45钢渣。,1.6 钢的裂纹敏感性评价,2019/11/
15、12,31,Cp=0.08-0.16% FP0.85-1.05,表面纵裂 凹陷敏感性,内裂 /粘结,相对裂纹敏感性RCS与铁素体FP的关系,二冷设 计依据,保护渣、一 冷设计依据,表裂 /凹陷,1.6 钢的裂纹敏感性评价,2019/11/12,32,包晶钢与非包晶钢 在结晶器内坯壳形成示意图,(a) 低碳钢 w(C)0.09% (b) 亚包晶钢 0.09%w(C)0.17% (c) 过包晶钢 0.17%w(C)0.53%,1.6 钢的裂纹敏感性评价,定向凝固组织示意图,2019/11/12,33,Emi等指出，当初始凝固阶段冷却速率较大时，包晶反应后的凝固组织 会出现不均匀的情况。 共焦激光扫描显微镜下观察到的包晶反应凝固过程的变化情况见下图。 这样凝固后的基体组织受到应力后更容易出现裂纹。,1.6 钢的裂纹敏感性评价,2019/11/12,34,凝固组织 影响连铸坯凝固组织的因素 1、浇铸条件的影响 拉速、浇铸温度、二冷强度 2、钢中含量碳量影响 含碳量0.180.45%(0.20.5%)的钢等轴晶比率最大 中高碳钢较低碳钢柱状晶发达(TcTs)宽 含量碳0.6%柱状晶最发达，0.1%时等轴晶最多。 （0.6%无相变气隙小，传热快，柱状晶发达） 3连铸机机型的影响 弧形
