冷芯复合钢锭组织及力学性能的实验研究

Vol.39No.32016年6月JournalofUniversityofScienceandTechnologyLiaoning

Jun.2016

冷芯复合钢锭组织及力学性能的实验研究

张雪健，许长军，李静，彭兴东，王志英，胡

林

（辽宁科技大学冶金工程技术中心，辽宁鞍山

114051）

摘要：冷芯铸造技术是一种以固-液复合方式生产钢锭的铸造技术。本研究采用热物态模拟法制备冷芯钢

锭，并利用光学显微镜、扫描电镜（SEM）等表征手段，分别观察了冷芯钢锭复合界面、芯材和外材的宏观及微观结构组织，并利用真空电火花仪、夏比冲击试验机和洛氏硬度仪检测了冷芯钢锭的碳元素含量分布及其力学性能。实验结果表明：冷芯钢锭结构自内而外分别为芯材组织层、扩散层、激冷凝固层、方向性生长层、正常凝固层及等轴细晶粒层；芯材与外材结合效果良好，结合界面平整、无孔洞或夹杂物等缺陷；冷芯钢锭各位置的冲击韧性大小关系为：芯材>结合处>外材；各位置碳含量分布与洛氏硬度值分布曲线相吻合。

关键词：冷芯铸造；结合界面；力学性能；冷芯锭

中图分类号：TG244.3文献标识码：A文章编号：1674-1048（2016）03-0161-06DOI：10.13988/j.ustl.2016.03.001

近年来，随着我国经济建设进程的快速推进，力学性能变化的原因。尽管固-液复合铸造技术已重大装备锻件和特殊钢用钢锭的质量得到了广泛发展得比较成熟，但大多应用于砂型铸造、离心铸关注，尤其是大型钢锭的生产能力及其质量［1-2］，无造或消失模铸造等领域［15-17］，很少有将液-固复合疑对冶金和铸造工作者提出了更加严峻的挑战。铸造技术应用于金属模钢锭制备的相关报道。

研究者们往往通过钢锭锭型设计、绝热板材质优本文基于液-固复合铸造技术改进的冷芯钢锭化和帽口电加热［3-5］等方法在不改变钢锭传统凝固制备技术，通过预置于金属铸型芯部的固态冷芯，顺序的基础上改善钢锭凝固缺陷。FCMELT-“替换”钢锭中易形成疏松、偏析、缩孔等缺陷的中INGS很早就已指出钢锭凝固过程中的传热特点心部位。在实验室铸造了冷芯复合钢锭试样，分是诱使其产生凝固缺陷的主要原因［6］。因此一些析了冷芯固-液复合铸造对钢锭各部分凝固组织、研究者们发明了液-固复合铸造技术，通过改变钢力学性能的影响。

锭传统凝固顺序来提高钢锭凝固质量［7］，同时固-液两相金属的结合效果成为衡量钢锭质量的重要1实验方法

指标［8-10］。1992年，日本的MHAHIMOTO等论述实验采用热物态模拟法，以低碳废钢、废弃锻了基于镶嵌法制备高性能复合轧辊的演变历史，造钢棒等为试验材料。试验前将废弃锻造钢棒证明了镶嵌法铸造轧辊的复合界面质量的可靠性

（中碳钢）制备成φ40mm圆棒，并将其表面去皮、［11］

。随后，JZXU［12］，VJAVAHERI［13］和刘耀辉［14］

打磨、防氧化处理和活化处理，最后预热至等采用固-液复合铸造法制备出双金属复合材料，200℃。为了最大程度近似模拟大型钢锭的传热并详细论述了两相结合界面处的组织演变规律及

过程，采用专门制造的镁砂铸型作为钢锭模。通

收稿日期：2016-04-24。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51474125、51504130)；鞍山市高端科技人才培养计划项目（201405）；辽宁科技大学优秀人才培

养项目（2014RC07）。

作者简介：张雪健（1991—），男，辽宁鞍山人。※※通讯作者：李静（1967—），女，辽宁鞍山人，教授。

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过中高频感应炉熔炼钢液，采用KA-100测温仪检固结构不同于传统钢锭。利用内置于铸型芯部的测钢液温度，以铝条终脱氧，待熔炼温度1560℃冷芯，可以“替换”传统钢锭中心的等轴粗大晶粒（高出液相线50℃）时，预先将预处理圆棒冷芯置区，使冷芯复合钢锭的宏观结构有别于传统钢入铸型中心，将熔炼钢液浇入铸型，最后添加覆盖锭。图2给出了冷芯复合钢锭的宏观组织及微观剂和保温剂，自然冷却，如图1所示。为了更好地形貌。

“替换”钢锭易出现缺陷的中心部位，冷芯复合钢本研究通过热酸浸低倍实验，观察了冷芯复锭铸造过程设计液/固比为2.8左右。可以选择废合钢锭试样的宏观组织结构，如图2a所示。从图弃的轧材或锻材作为芯材原料，不仅可以做到废2a中可见，冷芯复合钢锭中轴线至边界的宏观组物利用，减少钢锭制备过程中的钢液浇注量，进一织结构主要由以下部分组成：①扩散层：位于芯材步降低生产成本，还可以大幅度提高钢锭中心部最外层，由冷芯外层熔化后与钢液重凝而成，过程位凝固质量。

熔炼钢液注入铸型中以后，冷芯外表层熔融中伴有合金元素扩散；②激冷凝固层：位于外材最至液-固糊状区，糊状区熔融钢液经对流传质、原子内层，由于冷芯的激冷作用，以芯材表面为基底快扩散方式与外部钢液混合（复合层），此时糊状区速凝固而形成一层等轴细晶粒区；③方向性生长钢液作为“粘结剂”，使剩余固态冷芯（芯材）与剩层：凝固组织在激冷凝固层以外形成了明显的方余钢液（外材）结合为一体。冷芯复合钢锭芯材与向性生长；④正常凝固层：在方向性生长层以外，外材的成分见表1。

由于该区域内的温度梯度较小，外层材料的凝固组织已没有明显的方向性，故而形成了多数由粗大晶粒组成的正常凝固层；⑤等轴细晶粒层：当将钢液浇铸入铸型时，由于在高温钢液与室温铸型接触区域内存在较大温度梯度，并存在铸型的“基底”，使得冷芯钢锭靠近铸型位置的钢液瞬间冷却形成等轴细晶粒层，在其后的凝固过程中，该等轴细晶粒区作为冷芯复合钢锭外层保留下来。

为确定冷芯铸锭微观组织的特征，本研究通过金相显微镜观察了冷芯铸锭结合处范围内组织的演变。图2b~图2d是冷芯铸锭从外材到芯材的

图1冷芯钢锭铸造示意图

Fig.1Diagramofcoldcoreingotcasting组织演变。

表1冷芯钢锭外/芯材的化学成分

图2b为冷芯铸锭外材处的微观组织，图中呈Tab.1Chemicalcompositionsofcoldcoreingot

白色片条状的是铁素体，而珠光体呈黑色块状

w(B)/%

CMnSiPS体。由于冷芯铸锭外材为亚共析钢，且由于外材外材0.14~0.200.30~0.650.12~0.30

≤0.045≤0.045缓慢冷却凝固，故此组织为大量的先共析铁素体芯材0.45~0.491.10~1.400.15~0.350.015~0.030.005~0.014

和少量珠光体。

2实验结果与分析

在冷芯铸锭的结合处，由于芯材表层被外来钢液熔化，两种不同成分的钢液混合经凝固结合2.1

冷芯复合钢锭的宏观组织及微观形貌为一体，该处钢液在凝固时先析出一部分过饱和采用冷芯复合铸锭方法制备出的钢锭，其凝

铁素体，剩余部分形成珠光体，两种组织共存至室

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张雪健，等：冷芯复合钢锭组织及力学性能的实验研究

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图2

冷芯钢锭复合界面的宏观形貌与微观组织

Fig.2

Macromorphologyandmicrostructureofcoldcoresteelingot

温。由图2c可见，铁素体（白色）在珠光体基底上（黑色）呈一定方向性析出，两种组织交互生长。

根据奥氏体连续转变曲线可知，冷芯铸锭芯材可被外部的高温钢液加热至Ac1温度以上，此时复合钢锭的芯材外部可被奥氏体化，含碳量在0.45%~0.49%的芯材在经过缓慢冷却时先共析出少量铁素体，剩余的过冷奥氏体全部相变为珠光体，室温得到的组织是以少量铁素体与大量珠光图3

冲击试样取样位置示意图

体组成，同时由于冷芯锭外材冷却缓慢，所得珠光Fig.3

Geometryandnotchorientationofcharpyimpactspecimenofcoldcoreingot

体组织较为粗大（见图2d）。2.2

冷芯复合钢锭的力学性能

取样后，对试样进行室温（20℃）条件下的夏利用电火花线切割机分别在冷芯钢锭的芯比V型缺口冲击试验，冷芯钢锭芯材、外材和结合材、外材及结合处取样，各位置分别取三个试样，处的冲击韧性平均值分别为11.3，3.0，5.9J。由此取样位置示意图如图3所示（本图仅标示出在冷芯可见，冷芯钢锭不同位置的冲击韧性不同。芯材钢锭剖面上取样位置，并不表示取样数量）。

为优质钢材质，在扫描电镜下可见（见图4）：芯材

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断口上分布有扇形解理花纹，为典型穿晶脆性断冷芯吸收足够热量后，结合处钢液的凝固速度变裂形貌，但较外材的断口形貌更显致密，晶粒更为慢，形成铸态组织，在扫描电镜（SEM）下可观察细小，由实验测得芯材冲击韧性较高，达到11.3到，结合处的断口整体上呈典型穿晶脆性断口形J。空冷条件下凝固的外材为典型铸态组织，图5貌；此外，由于低温冷芯的激冷作用，抑制了结合为扫描电镜下的外材断口微观形貌，外材断口上处原始奥氏体晶粒的长大，在电镜下可观察到结分布有河流花样状裂纹，同样该处断裂形式为解合处断口形貌上出现了少量韧窝（见图6），提高了理断裂，且由于断裂沿着相互平行的平面不连续材料的冲击韧性，结合处的冲击韧性高于外材；但断开，形成了不同高度的台阶，由断口微观形貌可在结合处的断口上发现少量韧窝，伴随有少量氧见，断口形貌较疏松，故此外材几乎没有韧性，冲化物夹杂的出现，在上述两种原因的共同作用下，击韧性仅为3.0J。结合处的冲击韧性为5.9J，当

结合处冲击韧性介于芯材与外材之间［18］。

图4芯材处断口微观形貌（SEM）

Fig.4

SEMfracturemorphologyofcorematerial

图5外材处断口微观形貌（SEM）

Fig.5SEMfracturemorphologyofoutsidematerial

图6

结合处断口微观形貌（SEM）

Fig.6

SEMfracturemorphologyofmaterialatITZ

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2.3冷芯复合钢锭的碳含量及洛氏硬度分布3结论

图7和图8分别给出了距冷芯复合钢锭中轴

线不同距离的位置，碳含量平均值及洛氏硬度平（1）通过液-固复合铸造的冷芯钢锭，复合界均值的分布曲线。如图7所示，冷芯复合钢锭的碳面结合效果较好，结合处宏观形貌平直清晰、无气含量从中轴线至边界呈阶梯式下降，同时在结合孔或夹杂存在。采用冷芯复合铸造方法不仅能够处过渡至外材区域碳含量由0.397%突降至解决钢锭中心易出现中心偏析、中心疏松等问题，0.100%。图8可见，冷芯复合钢锭的硬度值从中轴还能够降低钢锭制备成本，改变传统钢锭凝固组线至边界处同样呈阶梯式下降：芯材处的硬度较织结构，提高钢锭综合冶金性能。

高，可达56.2HRA；而在结合界面处的硬度值下降（2）冷芯复合钢锭的宏观组织结构不同于传至51.8HRA；同时在冷芯复合钢锭结合处过渡至统钢锭，由芯材、结合处（扩散层、激冷凝固层）和外材的区域，其硬度值也存在一个突降现象（由外材（方向性生长层、正常凝固层及等轴细晶粒51.8HRA降至31.7HRA）。在结合处，铁素体在层）组成；冷芯复合钢锭结合处及附近的微观组织珠光体基底上生长，相比大部分组织为珠光体的主要由铁素体和珠光体组成，不同位置含有两种芯材，其硬度略有下降；而外材组织是由大量铁素组织的量不同。

体和少量珠光体组成，故该处硬度最低。对比冷（3）冷芯钢锭芯材处的冲击韧性最高，平均值芯复合钢锭的碳含量与硬度值的分布曲线可发达到11.3J，外材冲击韧性最差，平均值仅为3.0J，现，随着碳含量的变化，其硬度亦随之改变。

而结合处的冲击韧性介于两者之间。冷芯复合钢锭不同位置的碳含量分布与其硬度分布相对应，碳含量越高，其硬度值越高。参考文献：

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ZHANGXuejian，XUChangjun，LIJing，PENXingdong，WANGZhiying，HULin

（MetallurgicalEngineeringTechnologyCenterofLiaoningUniversityofScienceandTechnologlyAnshan，AnShan114051）

Abstract：Tosolvethedefectsthatoccurinthecenteroflargesteelingotwithmetalmold，coldcorecastingprocessisrasiedbasedontheliquid-solidcompositecastingtechnology.Inthispaper，thecoldcoreingotisfabricatedinthelaboratory.Thesurfaceappearance，fracturemorphology，impacttoughnessandthehardnessofthecoldcoreingotarecharacterizedbyopticalmicroscopy，SEM，charpyimpacttestmachineandrock-wellhardnesstester，respectively.Theresultsshowthatcoldcoreingotwascompositewithcoremateriallay-er，diffusionlayer，chillinglayer，directionalsolidificationlayer，normalsolidificationlayerandequiaxedfinegrainlayerfromthecentrallinetotheedgeofcoldcoreingot;Moreover，asounddiffusionbondwasachievedbyatomtransferacrosstheinterfacebetweentheconstituentsteels.Theimpacttoughnessofcorema-terial（CM）ishighestbutoutermaterial（OM）islowest，andtheimpacttoughnessofinterfacematerialonlyacontinuumbetweenCMandOM.Anditcanbeobservedthattheresultsofhardnessiswellmatchedwiththeresultsofcarboncontent.

Keywords：coldcorecasting；interface；mechanicalproperties；coldcoreingot

（ReceivedApril24，2016）