雙輥鑄軋不銹鋼薄帶開(kāi)裂機(jī)制分析

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1、雙輥鑄軋不銹鋼薄帶開(kāi)裂機(jī)制分析關(guān)小霞，王賢杰，胡宏彥，劉佳，楊慶祥*燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北秦皇島066004摘要：本文采用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)雙輥鑄軋304不銹鋼薄帶裂紋及組織特征進(jìn)行了觀察，并結(jié)合能譜儀(EDS)對(duì)微區(qū)成分和夾雜物進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，鑄軋薄帶上的裂紋在薄帶表面凹痕處產(chǎn)生，并沿柱狀晶晶界向內(nèi)部擴(kuò)展，終止于柱狀晶與心部等軸晶交界處；在柱狀晶區(qū)內(nèi)存大量縮孔和夾雜，在鑄軋機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的共同作用下，破壞了材料的連續(xù)性；鑄軋裂紋斷面存在氧化現(xiàn)象，說(shuō)明鑄軋裂紋在鑄軋凝固的高溫

2、階段生成。關(guān)鍵字：304不銹鋼；雙輥鑄軋；開(kāi)裂0引言雙輥鑄軋不銹鋼薄帶技術(shù)是目前冶金及材料領(lǐng)域的前沿技術(shù)之一[1]，是直接用鋼水制成2-5mm厚薄帶的工藝過(guò)程。該技術(shù)可以大大簡(jiǎn)化薄帶鋼的生產(chǎn)流程，降低生產(chǎn)成本，并形成低偏析、超細(xì)化的凝固組織，從而使帶材具有良好的性能，被公認(rèn)為鋼鐵工業(yè)的革命性技術(shù)[2]。但是，不銹鋼經(jīng)鑄軋后，薄帶表面會(huì)形成宏觀的裂紋，從而降低不銹鋼薄帶的力學(xué)性能，影響其質(zhì)量[3]。對(duì)于雙輥鑄軋不銹鋼開(kāi)裂的原因主要有兩種，一是熔池的液面波動(dòng)、冷鋼和鑄輥的表面缺陷等因素導(dǎo)致的鑄帶表面凝固速度不一致而產(chǎn)

3、生橫向裂紋[4]；二是與傳統(tǒng)連鑄相比，雙輥鑄軋不銹鋼薄帶中非金屬夾雜物的數(shù)量明顯增多[5、6]，大的溫度梯度導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)力集中是雙輥鑄軋不銹鋼開(kāi)裂的根本原因，在軋制力的作用下,高溫夾雜物破碎形成空隙并擴(kuò)展形成裂紋[3]。本文對(duì)鑄軋開(kāi)裂方式和夾雜物的類(lèi)型進(jìn)行了研究，闡明其裂紋生成機(jī)理，為提高雙輥鑄軋不銹鋼薄帶抗開(kāi)裂性能奠定基礎(chǔ)。1試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法1.1試驗(yàn)材料實(shí)驗(yàn)用材料為AISI304奧氏體不銹鋼，其化學(xué)成分如表1所示。1.2試驗(yàn)方法1.2.1304不銹鋼薄帶的鑄軋及實(shí)驗(yàn)取樣雙輥鑄軋?jiān)囼?yàn)工藝流程：電弧爐熔煉鋼

4、水→鋼包座架→中間包→布流器→結(jié)晶輥熔池→弧形出帶裝置→帶鋼檢測(cè)系統(tǒng)→活套→夾送輥→(熱軋機(jī))→控冷系統(tǒng)→飛剪→卷曲機(jī)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)晶輥為銅輥，從結(jié)晶輥鑄軋出的薄帶鋼厚度為2.0mm，未經(jīng)軋制變形，經(jīng)層流冷卻后進(jìn)入卷曲機(jī)。對(duì)存在裂紋的薄帶，利用電火花切割在裂紋處進(jìn)行取樣，以進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn)分析和裂紋形貌觀察。表1304不銹鋼的化學(xué)成分Table1Chemicalcompositionsof304stainlesssteel元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(%)CSiMnPSCrNiMo0.060.71.20.030.0141880.18

5、1.2.2金相顯微組織及裂紋形貌分析304不銹鋼試樣經(jīng)磨削、拋光好之后，用王水腐蝕約2min，用清水沖洗，再用酒精清洗并吹干，最后在帶有CCD圖像采集系統(tǒng)的XJG-05金相顯微鏡上進(jìn)行圖像采集。對(duì)薄帶中存在裂紋部位進(jìn)行取樣，分別對(duì)上表面、側(cè)面和內(nèi)部等部位的裂紋形貌以及裂紋附近組織進(jìn)行觀察，同時(shí)對(duì)薄帶從表面到心部不同部位進(jìn)行組織觀察，以確定其凝固過(guò)程。利用KYKY-2800掃描電子顯微鏡對(duì)斷口及裂紋部位進(jìn)行形貌觀察，對(duì)夾雜物進(jìn)行能譜分析和形貌觀察，以確定夾雜物類(lèi)型。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析2.1薄帶裂紋形貌的金相觀察75μm

6、(b)(a)150μm(c)30μm圖1薄帶表面裂紋形貌Fig.1surfacecrackofcastingstrip(a)表面裂紋全貌(b)多條平行裂紋(c)裂紋尖端鈍化經(jīng)宏觀觀察，本次鑄軋實(shí)驗(yàn)得到的薄帶表面出現(xiàn)了明顯的裂紋，在1200mm板寬范圍內(nèi)，橫向裂紋長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)140mm，而且裂紋往往是在薄帶表面的凹痕處產(chǎn)生的。上表面裂紋微觀形貌如圖1所示，從圖中可以看出，薄帶表面存在著尺寸較大的裂紋，裂紋的寬度可接近于100μm(如圖1(a)所示)；對(duì)裂紋形貌進(jìn)一步放大，見(jiàn)圖1(b)，可以看到三條裂紋，其擴(kuò)展過(guò)程都不

7、是按直線前進(jìn)，而是沿曲線擴(kuò)展的；再進(jìn)一步放大觀察，如圖1(c)所示，鑄軋過(guò)程中裂紋擴(kuò)展為沿晶開(kāi)裂擴(kuò)展，即裂紋沿著樹(shù)枝晶晶間擴(kuò)展。側(cè)表面裂紋微觀形貌如圖2所示，可以看出304不銹鋼經(jīng)鑄軋后，薄帶沿厚度方向依次為表面細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)，裂紋是在表面形成后，向內(nèi)部擴(kuò)展，裂紋終止于柱狀晶和等軸晶的交界處。柱狀晶區(qū)中心等軸晶區(qū)表面細(xì)晶區(qū)150μm圖2薄帶側(cè)面裂紋形貌及組織Fig.4Lateralfacecrackandmicrostructureofcastingstrip(a)30μm(b)30μm圖3薄帶內(nèi)

8、部裂紋形貌Fig.3Interiorcrackofcastingstrip(a)近表面裂紋(b)近心部裂紋將薄帶切開(kāi)后，內(nèi)部裂紋形貌如圖3所示。從圖中可以看出，近表面處存在著粗大的裂紋，而且裂紋沿著柱狀晶晶界向內(nèi)部擴(kuò)展，如圖3(a)所示。同時(shí)在柱狀晶晶間，近心部位置存在著大量的縮孔及微裂紋，見(jiàn)圖3(b)。在柱狀晶垂直于表面向心部長(zhǎng)大的過(guò)程中，由于凝固速度較快，液態(tài)金屬流動(dòng)