中心偏析原因_危害_评定及预防_上_

《中心偏析原因_危害_评定及预防_上_》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中心偏析原因_危害_评定及预防_上_（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、中心偏析原因、 危害、 评定及预防(上) 陈训浩 ( 唐山钢铁公司 063016) 偏析是液态钢凝固时各部位发生凝固不同 时性和温度不均匀性而出现程度之差, 它是由 于物理作用引起的。连铸坯中心偏析是指位于 铸坯中心部位的碳、 磷、 硫、 锰等元素集聚变化 而使含其突然升高( 成分出格) 的偏析出象。它 基本上是一种宏观偏析或称半宏观偏析, 与钢 锭中存在的只由冶金上原因造成的中心偏析不 同, 连铸坯中心偏析在很大程度上是由连铸机 本身机械上的原因引起的。轻微的偏析是不可 避免的, 而随着中心偏析程度的加重, 对钢的生 产和性能产生越来越大的影响。 事实上, 连铸坯 的中心偏析比模铸坯更为严重

2、、 突出, 因此随着 连铸坯产量的日益增多, 控制其中心偏析的形 成, 科学地进行评定, 是提高钢质量的重要保 证。 1 中心偏析原因 1. 1 连铸坯自然凝固 1. 1. 1 选分结晶 钢液是由碳、 硅、 锰、 磷和硫等元素在铁中 溶解的熔体, 在结晶结束后得到的仍是化学成 分不很均匀的固相。 一般来说, 最初生成的树枝 晶化较纯, 熔点较高, 其中含碳和其他杂质要少 一些, 最后生成的晶体含碳和其他杂质较高, 熔 点也低些。 1. 1. 2 密度差异 在结晶过程中, 先凝固的由于是较纯的树 枝晶体密度较大而下沉, 后凝固的因含杂质较 多, 在未凝固母液中因密度较小而上浮。 选分结晶和密度差

3、异是造成钢坯化学成分 不均匀的重要原因之一。有人根据铸坯在凝固 过程中因树枝晶“ 搭桥” , 直接影响未凝固钢液 的继续结晶, 即“ 凝固桥” 阻止液态钢的补缩而 形成的成分不均匀和疏松以及中心缩孔的机 理, 提出了“ 凝固桥理论” , 解释了铸坯中心偏析 形成的一个原因。 1. 2 连铸坯机械变形 鼓肚常发生在板坯上, 板坯鼓肚程度是以 中央与边缘的厚度差别来衡量的。鼓肚是铸坯 出结晶器后得不到有效的支撑出现的一种机械 变形, 而在液态钢静压力作用下坯面形成的外 凸。 易产生鼓肚的环节是, 当结晶器倒锥度过小 或结晶器下口过分磨损, 使铸坯过早脱离结晶 器壁, 或因粉渣流动性太强, 使结晶器

4、壁与铸坯 间隙中渣层过厚, 冷却强度过低造成鼓肚; 二冷 夹辊( 特别是弧面夹辊) 间距过大或刚度不够, 或辊子定心调整不良, 铸坯产生鼓肚; 在工艺方 面拉速过快, 液态钢在结晶器内停留时间减少, 会导致转移液态钢过热量所需的时间增加, 有 利于轴向偏析, 同时拉速增加, 液相穴深度增 加, 更易形成凝固桥又会造成铸坯鼓肚; 二泠控 制温度不当等均会导致铸坯鼓肚。 因此, 在铸坯的凝固过程中, 凝固末期由于 铸坯收缩使凝固末端富集溶质液体流动, 或者 鼓肚造成树枝晶间富集溶质液体的流动导致中 心偏析。 1. 3 中心偏析形态 由于引起连铸坯中心偏析机械上的因素很 多, 加上原来的冶金因素,

5、使产生原因更为复 杂, 这样就形成了多种多样的形态。 1. 3. 1 铸坯横截面观察 中心出现点状、 线状或不规则暗斑或块状 偏析区。 暗斑有大有小, 块状有人称之为黑心或 白心( 还有小白块中有黑核) 。黑心一般为正偏 析, 白心一般为负偏析, 它们分别来源于铸坯的 头部和尾部。 不同浸蚀黑度也有因钢种不同( 主 要是含碳量的差别) 而造成的。 1. 3. 2 铸坯纵截面观察 12 冶金标准化与质量 4/ 1998 年 中心偏析在纵截面上表现得更为充分。不 同浇注条件, 偏析具有不同的特点: 1) 高温浇注 形成的线状或点状偏析; 2) 过热度较低形成的 局部伴有V 形的偏析; 3) 低温浇

6、注形成的V 形 偏析或倒 V 形偏析; 4) 过热度高, 但对中好形 成的不连续中心偏析; 5) 过热度低对中又不好, 有鼓肚造成的断续偏析线兼有 V 形偏析区; 6) 过热度高, 液芯矫直或鼓肚形成的中心裂纹+ 中心偏析; 7) 与浇注温度无关的粗带状中心偏 析, 或者伴有明显负偏析的中心偏析; 8) 在高碳 钢铸坯凝固末期, 由于中心区液体凝固潜热的 突然释放, 使中心区液体温降速率大于周围液 体, 导致中心糊状区枝晶之间形成拉应力引起 裂纹, 而周围的偏析液体渗入其中形成了 V 形 偏析; 9) 点线状成串排列, 严重时有连续的偏析 条带, 从微观上观察, 出现较多的硫化物; 10) 铸

7、 坯中心部分出现黑线( 正偏析) 或白线( 负偏 析) , 有时在同一铸坯中会同时出现黑线和白 线, 从金相观察, 是一种锰偏析的带状组织。 2 中心偏析危害 2. 1 中心偏析对钢成材的影响 2. 1. 1 造成分层、 断口不合格使钢报废 对含硫偏高的钢, 中心偏析带内往往有大 量硫化物聚集, 高熔点非金属夹杂物的变形程 度与基体大不样, 在轧制过程中造成钢的内部 裂纹, 大量的非金属夹杂物带使钢形成严重分 层。对含锰偏高的结构钢, 容易呈现锰偏析, 在 铸态时出现树枝间锰的富集, 在轧态时出现富 锰的带状组织, 它经常使断口检查不合格。 铸态 中存在锰偏析较磷偏析更不易消除, 即使热轧 后

8、高温正火也不能消除锰偏析形成的带状组 织, 只能让钢报废。 2. 1. 2 增加裂纹和疏松的敏感性 连铸坯中心偏析, 如铸坯中心碳为原始含 其 2. 2 倍, 硫、 磷大约为其 5 倍, 造成碳硫磷严 重偏析。 合金元素在中心偏析带内浓化, 当铸坯 轧后冷却时改变了组织形态, 出现马氏体或贝 氏体组织, 产生对氢脆裂纹的敏感性, 通常使钢 中的氢向中心偏析带附近的中心疏松聚积。而 中心偏析区粗大的沉锭物, 如 MnS、 Nb( CN)3 也加速了中心裂纹的扩展。 对大方坯来说, 在轧 制以前进行加热时, 疏松部位会氧化, 不管以后 多大的压下量都不能使它轧合, 而只能使它轧 裂。 中心偏析造成

9、中心裂纹扩展直接与钢截面 连通, 也会与钢表面连通。 裂纹总是沿树枝状晶 主轴扩展, 纵裂纹开口处部位总是沿偏析的厚 度和长度方向扩展, 造成钢材的报废。 2. 2 中心偏析对钢性能的影响 2. 2. 1 降低钢材综合性能 如果优质钢具有明显的中心偏析, 即使钢 奥氏体化了也仍然残留下来, 引起淬火回火后 的硬度和其他力学性能的局部差异。这部分有 缺陷的钢材在加工过程中是不能除去的, 从而 降低钢制品( 零部件) 的综合性能。 一般来说, 中心偏析当应力大时在板坯中 会生成中心线裂纹, 而在方坯中会生成中心星 状裂纹。 在不受应力状态, 明显中心偏析也会使 偏析区碳浓度突然增加。在热轧或其他加

10、工条 件下, 该处产生马氏体相变, 或由于相变温度的 偏差和淬透性的不同, 该处成为淬火开裂、 软点 和异常变形的根源, 且在偏析带中硫、 磷等杂质 或非金属夹杂物也多, 也可能成为其他缺陷的 发源地。因此, 钢材的使用寿命将会大大缩短。 若用有明显中心偏析的钢材做成钻头, 还 会形成对钻头极为不利的粗柱晶结构。在使用 中裂纹沿晶界发展, 该结构导致崩牙。 有资料说 明, 使用寿命可能缩短到正常的 1/ 20 至 1/ 7。 2. 2. 2 使钢材出现各向异性 中心偏析在板坯的纵向和宽度方向上的分 布有很大变化, 中心偏析在宽度方向的分布与 冷状态下板厚有关, 这使钢中的化学成分出现 很不均匀

11、状态, 导致力学性能各向异性, 特别是 由于 MnS 在中心偏析带内聚集, 使成品钢板沿 厚度方向的力学性能变坏。但是对于低硫钢来 说, 这种影响就不大了。 2. 2. 3 降低钢材韧性 作为冷拔材的硬线钢来说, 中心偏析使它 拉丝极限和延展性降低, 尤其会明显降低其韧 13 中心偏析原因、 危害、 评定及预防( 上) 性, 影响拉拔性能, 大大减少冷拔量, 断口呈蘑 菇头状。 有时冷较直去除氧化铁皮时就已脆断, 断口平齐。脆断原因是由中心偏析引起局部淬 火组织。 2. 2. 4 引起钢材氢脆, 降低耐腐蚀性能 中心偏析和中心疏松明显的铸坯, 氢气可 被偏析和疏松捕集, 从而产生非扩散型氢偏析

12、, 即使缓冷也不能减轻缺陷。 在钢材中, 氢偏析会 引起裂纹, 即生成“ 中心偏析型” 超声波缺陷, 使 其产生氢脆。同时, 由于成分不均匀性, 使耐腐 蚀性能下降, 将会明显降低石油管线用钢的使 用性能。 2. 2. 5 降低钢材疲劳性能 中心偏析降低钢的中心致密度, 该处成为 疲劳裂纹的根源。中心偏析一般与中心疏松的 加剧和非金属夹杂物不均匀分布同时存在, 这 将大大降低钢材的疲劳性能。 有人作了计算, 结 论为疲劳性能的明显下降不是由于偏析、 疏松 和夹杂物等 3 项级别平均值的恶化, 而是由于 其离散带( 不均匀性) 比正常值扩大了 6 倍。 2. 2. 6 恶化钢材穿孔性能 若把含有

13、明显中心偏析的钢坯制成无缝钢 管, 由于心部带状组织发生马氏体相变, 局部硬 度很高加重了穿孔的难度, 特别由于硬度不均 和内部裂纹的存在, 在穿孔过程中也不能保证 正常的加工精度, 得不到合格的产品。 2. 2. 7 容易引起焊裂, 影响焊接性能 由于锰碳偏析形成高碳淬硬组织( 马氏体 及残余奥氏体) , 这些脆硬组织可能引起焊裂。 3 中心偏析评定 3. 1 中心偏析显示方法 首先从连铸坯或轧成的钢材的横截面或纵 截面上( 或其他截面) 制取试片, 进行磨抛, 然后 用硫印( GB423684) 或酸浸( GB22691) 方 法来显示中心偏析的形态和程度。如果制成一 组或两组不同截面的试

14、片, 那么就能全面反映 中心偏析在钢中的分布和变化趋势。使用的腐 蚀剂随钢种和试验目的而定, 必要时配合显微 分析( 硫印只是一种定性试验) 取样分析成分, 便能把中心偏析的研究引进更高层次, 达到预 想的结果。 3. 2 中心偏析定性评定 连铸坯的中心偏析还缺乏一个系统的评定 方法, 目前暂采用冶金行业两个标准来对其评 定。一个是 YB400291 连铸坯方坯低倍组织 缺陷评级图, 另一是 YB400391 连铸坯板缺 陷硫印评级图。 对前一个标准, 描述中心偏析的形貌特征 为: 在酸蚀试片的中心部位呈现腐蚀较深的暗 斑。原则依照该标准附录 A 提供的第二评级 图, 根据中心部位组织腐蚀较深

15、的暗斑大小评 定。图片共分 5 级, 缺陷以肉眼可见为限, 根据 其程度对照评级图进行比较分别评级, 程度介 于相邻两级之间时可评半级。 对后一个标准, 描述中心偏析的形貌特征 为: 铸坯硫印图的中心区域内有颜色深浅不一 的褐斑或集中的褐带, 褐带呈连续和不连续两 种。原则依照该标准附录 A 提供的第一评级 图, 以偏析类型、 偏析带厚度或偏析斑点大小评 定。评级图, 是 A、 B、 C3类组成, A 类评级见表 1, B 类评级见表 2, C 类评级见表 3。再在相应 产品标准的技术条件( 不少标准笼统称为偏析, 希望修订时给予明确, 以适应连铸坯的需要) 中, 查出规定的合格级别来判定产品

16、是否合格。 表1 A类中心偏析评级 级别 评 定 原 则 硫偏析带厚度,mm形貌特征及测定方法 0. 5 0. 5 1. 00. 51.5 1. 5 1. 52. 5 2. 0 2. 53. 0 2. 5 3. 03. 5 3. 0 3. 54. 0 在铸坯宽度方向上, 硫 偏析带呈连续状分布。 厚度 测定应选定在硫印图上偏 析带最严重位置, 其长度不 小于中心偏析全长的 1/ 4, 测 5 点取平均值 14 冶金标准化与质量 4/ 1998 年 表 2 B类中心偏析评级 级别 评 定 原 则 硫偏析带厚度,mm形貌特征及测定方法 0. 5 1. 0 1. 01. 02. 0 1. 5 2. 03. 0 2. 0 3. 03. 5 2. 5 3. 54. 0 3. 0 4. 54. 5 在铸坯宽度方向上, 硫偏析呈断续状 分布。 硫偏析带厚度测定方法同表1 表 3 C类中心偏析评级 级别 评 定 原 则 硫偏析斑点大小及分布情况形貌特征及测定方法 0. 5硫斑厚0. 5mm, 板坯中心有隐约可见硫偏析带 1. 0硫斑厚1m