40Cr鋼鑄坯碳元素偏析控制措施及原因淺析

黃 雁，趙文淵，楊仁強(qiáng)，楊偉勇，唐以寧

(蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241002)

40Cr是一種低淬透性調(diào)質(zhì)合金鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合力學(xué)性能，是使用最為廣泛的合金調(diào)質(zhì)鋼鋼種之一。主要用于制造中速、中載的零件，如機(jī)床齒輪、軸、蝸桿、花鍵軸等機(jī)器零部件。國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的40Cr鋼主要用于加工成汽車轉(zhuǎn)向節(jié)，但其下游客戶在使用過(guò)程中常存在轉(zhuǎn)向節(jié)淬火開(kāi)裂的問(wèn)題，對(duì)原材料檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)存在較為嚴(yán)重的碳偏析，碳偏析極差達(dá)0.09%-0.12%。一般來(lái)說(shuō)鑄坯的偏析規(guī)律與鋼液的結(jié)晶器過(guò)程中電磁攪拌和強(qiáng)度密度有關(guān)。因此本文主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工藝實(shí)驗(yàn)摸索出最佳的連鑄工藝參數(shù)，使40Cr鋼鑄坯碳偏析極差控制在0.05%以內(nèi)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與分析方法

1.1 成分要求

本課題研究的40Cr鋼成分如表1所示。

表1 40Cr鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Tab.1 Chemical composition of 40Cr steel

1.2 生產(chǎn)工藝

40Cr鋼生產(chǎn)工藝：120T轉(zhuǎn)爐→120T精煉爐→Φ300連鑄機(jī)→成品，其中大圓坯連鑄機(jī)的主要裝備及技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 連鑄主要裝備及技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main equipment and technical parameters of continuous casting

1.3 碳硫分析方法

采用Φ5 mm鉆頭在鑄坯橫截面上鉆取鋼屑，鉆取深度為5 mm，稱取0.3 g鋼屑用碳硫分析儀進(jìn)行檢驗(yàn)。碳偏析極差計(jì)算方式為：

極差=取樣點(diǎn)碳含量最大值-取樣點(diǎn)碳含量最小值

2 鑄坯錠型偏析形貌及現(xiàn)狀

2.1 鑄坯錠型偏析形貌

選取20 mm長(zhǎng)40Cr鋼鑄坯橫截面進(jìn)行低倍酸浸，將其放置70 ℃酸洗池內(nèi)浸泡1小時(shí)，然后用5%濃度NaHCO3溶液進(jìn)行沖洗，低倍酸浸照片如圖1所示。

圖1 40Cr低倍酸浸形貌

從圖1可以看出，鑄坯低倍酸浸出現(xiàn)圓形錠型偏析，尤其是等軸晶與柱狀晶交界處，是凝固過(guò)程中鋼液流動(dòng)傳熱和溶質(zhì)再分配的結(jié)果。據(jù)文獻(xiàn)[1]研究，鑄坯橫截面上顏色較深區(qū)域?yàn)樘己枯^高點(diǎn)，經(jīng)測(cè)量此區(qū)域位置為皮下60 mm——即鑄坯的等軸晶與柱狀晶交界處。

2.2 工藝優(yōu)化前偏析極差

Φ300試樣酸浸后，沿著試樣內(nèi)外弧及左右弧2條垂直直徑方向按照等分方式每隔30 mm鉆屑取樣，每條直徑方向鉆取11點(diǎn)，共鉆取22點(diǎn)，碳硫分析檢驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 工藝優(yōu)化前偏析情況Tab.3 Optimization segregation of process

由表3得出碳偏析極差為0.12%，且均在皮下60 mm處存在碳含量較高點(diǎn)。為驗(yàn)證結(jié)論的準(zhǔn)確性，隨后對(duì)工藝優(yōu)化前的50爐試樣按照邊緣-皮下30 mm-皮下60 mm-皮下90 mm-皮下120 mm-中心進(jìn)行鉆點(diǎn)分析，其碳含量變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 40Cr鋼鑄坯橫截面碳偏析趨勢(shì)

從圖2可以看出，40Cr鋼鑄坯的偏析形式為典型的錠型偏析，且等軸晶與柱狀晶交界處——即皮下60 mm處碳含量較高，且通過(guò)大量數(shù)據(jù)分析再次驗(yàn)證了鑄坯橫截面碳偏析極差均在0.08%-0.12%之間。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及原因分析

本文結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)從連鑄的過(guò)熱度、拉速、結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)、末端電磁攪拌參數(shù)等方面進(jìn)行優(yōu)化，采用單因素的方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。

3.1 過(guò)熱度對(duì)碳偏析的影響

過(guò)熱度對(duì)鑄坯的凝固組織起著至關(guān)重要的作用，在相同的拉速下采用低的過(guò)熱度澆注能夠降低凝固前沿的溫度梯度，從而降低柱狀晶的發(fā)達(dá)程度，減輕鑄坯的中心偏析。隨著過(guò)熱度的增大，碳偏析極差有增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谳^高的過(guò)熱度下，柱狀晶發(fā)達(dá)，選分結(jié)晶持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，C元素富集嚴(yán)重造成的。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)條件，通過(guò)研究過(guò)熱度控制在15-25 ℃范圍內(nèi)，碳偏析極差改善較大，如圖3所示。

圖3 鋼水過(guò)熱度對(duì)碳偏析的影響

3.2 末端電磁攪拌對(duì)碳偏析的影響

凝固末端電磁攪拌發(fā)生在凝固末端的糊狀區(qū)，具體位置的選擇十分關(guān)鍵[2]，通過(guò)攪拌促進(jìn)高濃度鋼液對(duì)流，消除晶間的搭橋，從而減輕鑄坯偏析[3]。在凝固前沿由于有凝固潛熱釋放，因此存在較大過(guò)熱度，采用末端電磁攪拌可以通過(guò)增強(qiáng)凝固前沿鋼液流動(dòng)消除由于凝固潛熱釋放引起的過(guò)熱度增加。同時(shí)攪拌引起的運(yùn)動(dòng)鋼流將柱狀晶樹枝打斷，減弱了柱狀晶的生長(zhǎng)，從而促進(jìn)了等軸晶的生長(zhǎng)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，末端電磁攪拌參數(shù)控制在400 A、8 Hz，碳偏析極差改善較大，如圖4(a)、(b)所示。

3.3 末端電磁攪拌旋轉(zhuǎn)模式對(duì)碳偏析的影響

有關(guān)末端電磁攪拌的旋轉(zhuǎn)模式對(duì)碳偏析影響的研究較少，結(jié)合通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，末端電磁攪拌采用單方向旋轉(zhuǎn)不僅容易出現(xiàn)白亮帶而且對(duì)控制偏析影響不大，而采用正反交替旋轉(zhuǎn)模式的周期對(duì)偏析的影響較大，周期過(guò)長(zhǎng)會(huì)影響單位長(zhǎng)度鑄坯的攪拌次數(shù)，周期過(guò)短會(huì)影響末端電磁攪拌的攪拌效果。本研究發(fā)現(xiàn)該廠末端電磁攪拌最佳的旋轉(zhuǎn)模式和周期為正反轉(zhuǎn)交替模式，交替周期為8s-3s-8s，如圖5所示。

(a)末端電攪電流對(duì)碳偏析的影響

(b)末端電攪頻率對(duì)碳偏析的影響圖4 末端電磁攪拌參數(shù)對(duì)碳偏析的影響

圖5 末端電磁攪拌旋轉(zhuǎn)模式對(duì)碳偏析的影響

3.4 結(jié)晶器電磁攪拌對(duì)碳偏析的影響

鋼液中元素的偏析是隨著凝固前沿的推移而逐漸產(chǎn)生的，影響偏析大小的主要因素是電磁攪拌參數(shù)。通常來(lái)說(shuō)Φ300 mm圓坯中心與電磁攪拌線圈中心線有一定距離的偏差——即偏攪集中在線圈外弧的半圓區(qū)，選擇較高電流強(qiáng)度的攪拌力很容易攪拌過(guò)強(qiáng)形成負(fù)偏析。本研究的最佳結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)為180 A、3 Hz時(shí)，碳偏析極差最小，如圖6(a)、(b)所示。

(a)結(jié)晶器電攪電流對(duì)碳偏析的影響

(b)結(jié)晶器電攪頻率對(duì)碳偏析的影響圖6 結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)對(duì)碳偏析的影響

3.5 二冷比水量對(duì)碳偏析的影響

Φ300 mm鑄坯一般都采用弱冷方式，二冷強(qiáng)度過(guò)大，會(huì)造成鑄坯凝固末端的溫度梯度也過(guò)大，促進(jìn)柱狀晶體的生長(zhǎng)，減少了等軸晶的比例，加快鑄坯中心樹枝晶搭橋的現(xiàn)象，使中心偏析和疏松嚴(yán)重[4]。二冷強(qiáng)度過(guò)弱，會(huì)造成凝固坯殼太薄，鑄坯表面溫度過(guò)高，鑄坯在高溫度下強(qiáng)度低，在鋼液靜壓力作用下，坯殼不均勻生長(zhǎng)造成橢圓度超標(biāo)。本研究證明該連鑄機(jī)二冷比水量為0.25 L/kg條件下，碳偏析極差最小，如圖7所示。

3.6 拉速對(duì)碳偏析的影響

由于末端電磁攪拌的位置已經(jīng)固定(弧長(zhǎng)10.04 m處)，故通過(guò)拉速來(lái)調(diào)整鋼液到末端電磁攪拌的固相率，本研究證明拉速控制在0.7-0.75 m/min條件下，碳偏析極差最小，如圖8所示。

圖7 二冷比水量對(duì)碳偏析的影響

圖8 拉速對(duì)碳偏析的影響

3.7 工藝優(yōu)化后40Cr鋼偏析情況

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)最終確定了在連鑄工藝參數(shù)為連鑄拉速控制在0.7-0.75 m/min、過(guò)熱度控制在15-25 ℃、比水量控制在0.25 L/kg、結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)控制在180 A、3 Hz(單向旋轉(zhuǎn))、末端電磁攪拌參數(shù)控制在400 A、8 Hz、正反交替旋轉(zhuǎn)且旋轉(zhuǎn)周期為8s-3s-8s條件下40Cr鋼碳偏析極差最小。在此工藝參數(shù)下生產(chǎn)了50爐40Cr鋼，對(duì)其鑄坯鉆屑分析碳偏析極差，結(jié)果如圖9所示。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)40Cr鋼鑄坯的低倍及鑄坯橫截面鉆樣分析，找出了鑄坯錠型偏析產(chǎn)生的原因并提出了相應(yīng)改進(jìn)措施。研究結(jié)果表明，通過(guò)合理的控制連鑄拉速、過(guò)熱度、首、末端電磁攪拌參數(shù)、比水量可以改善鑄坯錠型偏析，使40Cr鋼圓形鑄坯的碳偏析極差控制在0.05%以內(nèi)。

圖9 工藝優(yōu)化后40Cr鋼碳偏析極差