低合金鋼鋼錠紅送裂紋的分析

低合金鋼鋼錠紅送裂紋的分析

在冷卻至紅色熱狀態(tài)后，鋼棒在紅色熱狀態(tài)下進(jìn)行拔模，并采用紅色交換法將其發(fā)送給壓力廠的安裝爐，以便重新加熱和改性。這可以顯著節(jié)省成本，簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程，降低生產(chǎn)成本。因此，金祠廠被廣泛使用。但大量生產(chǎn)實(shí)踐表明,在低碳及低合金鋼紅送鋼錠軋坯上時(shí)常出現(xiàn)細(xì)小、成群分布的裂紋(稱為紅送裂紋)。這種裂紋難以磨削消除,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致鋼錠報(bào)廢,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,阻礙了紅送工藝的推廣。國(guó)內(nèi)外雖對(duì)這類裂紋有所報(bào)道,但大多數(shù)資料都是根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際現(xiàn)象進(jìn)行分析和推測(cè),缺乏系統(tǒng)的研究和深入的理論探討。為此本文作者針對(duì)撫順特殊鋼有限責(zé)任公司生產(chǎn)的DIN20MnCr5、DIN16MnCr5(德國(guó)鋼號(hào))3t低合金鋼矩形鋼錠紅送裂紋的形成機(jī)理進(jìn)行了研究。1熱爐加熱時(shí)間在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn):鋼錠澆注后,約經(jīng)1.5h脫模,鋼錠表面溫度超過1100℃,紅送至軋鋼廠,并保證在鋼錠表面溫度超過800℃裝爐加熱,一般不會(huì)產(chǎn)生紅送裂紋;經(jīng)6.5h脫模(此時(shí)鋼錠表面溫度低于650℃),溫送至軋鋼廠,若在低于450℃入爐按冷錠加熱工藝加熱,鋼錠雖然常出現(xiàn)縱裂紋,但一般不會(huì)出現(xiàn)紅送裂紋;經(jīng)2.5～3.5h脫模紅送至軋鋼廠,在650～800℃區(qū)間入爐加熱,軋坯產(chǎn)生紅送裂紋的傾向較大(現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)表明,有20%～30%的鋼錠產(chǎn)生紅送裂紋),因此,650～800℃是產(chǎn)生紅送裂紋的敏感溫度區(qū)間。從以上調(diào)查可以看出,紅送裂紋的產(chǎn)生與紅送工藝及再加熱工藝密切相關(guān)。本文作者從研究鋼錠紅送過程及再加熱過程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律入手,結(jié)合鋼錠高溫組織和性能的分析,探討了鋼錠紅送裂紋的形成機(jī)理。2鋼錠表層應(yīng)力分析在考察生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)紅送設(shè)備及工藝的基礎(chǔ)上,利用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算了DIN20MnCr5鋼3t矩形鋼錠表層和心部的溫度場(chǎng),結(jié)果如圖1所示。模擬計(jì)算從脫模開始(此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫表明鋼錠表層溫度約1100℃,心部溫度比表面溫度約高100℃),經(jīng)270min后,將鋼錠放入均熱爐中加熱。從圖1中可見,冷卻100min后,在700～800℃之間,冷卻曲線出現(xiàn)變緩的趨勢(shì),表明在Ar3～Ar1溫度范圍內(nèi)發(fā)生了(A→F先+P)相變,并釋放出相變潛熱;反之加熱升溫時(shí),在Ac1～Ac3之間(F先+P→A)相變時(shí)伴隨有潛熱的吸收,使鋼錠升溫速度減緩。鋼錠在冷卻和加熱時(shí),由于表層和心部溫度變化的不同步性以及相變的不同步性,鋼錠表層會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力σH和組織應(yīng)力σm,其大小可用下列公式估算:σH=α?E?Δθ1?μ(1)σm=E?Δε1?μ(2)σΗ=α?E?Δθ1-μ(1)σm=E?Δε1-μ(2)式中α——膨脹系數(shù);E——彈性模量;Δθ——鋼錠表層溫度差;μ——泊松比;Δε——相變引起的應(yīng)變差。計(jì)算時(shí)鋼錠表層厚度取40mm,計(jì)算結(jié)果見圖2。從圖2(a)可見,鋼錠脫模后在空氣中急冷時(shí),由于表層溫差增大,熱應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生一拉應(yīng)力峰(其值為50～60MPa)。隨后用保溫車紅送時(shí),鋼錠表層溫差變小,使熱應(yīng)力也逐漸減小,當(dāng)其進(jìn)入均熱爐中加熱時(shí),鋼錠表層溫差再度增大,出現(xiàn)另一個(gè)應(yīng)力峰,但由于此時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力是壓應(yīng)力不會(huì)引起鋼錠開裂。從圖2(b)可見,鋼錠表層的組織應(yīng)力有兩個(gè)拉應(yīng)力峰。將上述熱應(yīng)力和組織應(yīng)力疊加可得到鋼錠表層的綜合內(nèi)應(yīng)力變化曲線(如圖3所示)。從圖3可見,鋼錠在紅送和再加熱過程中存在3個(gè)拉應(yīng)力峰:脫?？绽鋾r(shí)出現(xiàn)第一個(gè)峰,此峰值以熱應(yīng)力為主;在130～180min之間,鋼錠溫度處于Ar3～Ar1范圍時(shí)出現(xiàn)第二個(gè)峰,峰值大小可達(dá)100MPa,以組織應(yīng)力為主;再加熱時(shí),在Ac1～Ac3范圍內(nèi)出現(xiàn)第三個(gè)拉應(yīng)力峰,其最大峰值也可達(dá)到100MPa。在上述3個(gè)應(yīng)力峰中,后兩個(gè)峰對(duì)鋼錠表層產(chǎn)生紅送裂紋的威脅最大,但最終能否形成裂紋,還取決于鋼錠表層的組織狀態(tài)及高溫強(qiáng)度和塑性。3試驗(yàn)結(jié)果分析取撫順特殊鋼有限責(zé)任公司生產(chǎn)的DIN16MnCr5和20CrMnTi低合金鋼錠試樣,按GB/T4338-1995標(biāo)準(zhǔn)加工成高溫拉伸試樣。試樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示,高溫拉伸試驗(yàn)條件見圖4和表2,測(cè)試結(jié)果見表3。從試驗(yàn)結(jié)果可知:在840℃奧氏體化狀態(tài)下,DIN16MnCr5鋼和20CrMnTi鋼的抗拉強(qiáng)度都較低,且塑性也不高,如DIN16MnCr5鋼的σb只有89.0MPa;隨著溫度降低,進(jìn)入A+F先兩相區(qū)時(shí),兩種鋼的抗拉強(qiáng)度都升高,同時(shí)塑性也提高;當(dāng)溫度達(dá)到680℃時(shí),即顯微組織中的A全部轉(zhuǎn)變?yōu)镕先+P時(shí),試樣的抗拉強(qiáng)度最高,并且塑性最好,如DIN16MnCr5鋼的σb=154MPa,Ψ=81%。從試驗(yàn)結(jié)果還可以看到,鋼中加入微量鈦后,強(qiáng)度和塑性都有所提高,尤其是塑性提高更為顯著,如20CrMnTi鋼680℃時(shí)的Ψ可達(dá)91.5%,這可有效防止產(chǎn)生紅送裂紋,這一結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況也是吻合的。4鋼錠表層組織的變化紅送裂紋在鋼錠軋制前就存在,但一般軋制后更加明顯,表現(xiàn)為鋼坯表面沿軋向密集成群分布著許多細(xì)小的裂紋(約數(shù)十微米)。嚴(yán)重時(shí)紅送鋼錠從加熱爐中取出鍛軋時(shí),一經(jīng)壓延就碎裂,根本無法繼續(xù)鍛軋,這表明鋼錠表面產(chǎn)生的細(xì)小裂紋在加熱時(shí)已被氧化。從鋼錠表層內(nèi)應(yīng)力變化曲線(如圖4)可見,鋼錠表層在紅送及再加熱過程中經(jīng)歷了3個(gè)拉應(yīng)力峰;第一個(gè)拉應(yīng)力峰出現(xiàn)在鋼錠脫模初期的空冷階段,其值為50～60MPa,應(yīng)力值相對(duì)較小,而且此時(shí)鋼錠處于1000℃以上的奧氏體狀態(tài),塑性很好,應(yīng)力很容易通過變形而松弛,不至于引起鋼錠表層的開裂;第二個(gè)拉應(yīng)力峰出現(xiàn)在Ar1附近,峰值約為100MPa,此時(shí)鋼錠表層組織已轉(zhuǎn)變?yōu)镕先+P。根據(jù)高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果(見表3),此時(shí)鋼錠的高溫強(qiáng)度大于150MPa,塑性也非常好,因此產(chǎn)生紅送裂紋的可能性不大,現(xiàn)場(chǎng)觀察也未發(fā)現(xiàn)鋼錠表面出現(xiàn)裂紋;當(dāng)鋼錠被裝入加熱爐后,鋼錠表層迅速升溫,出現(xiàn)第三個(gè)拉應(yīng)力峰(峰值約為100MPa),但此時(shí)鋼錠表層溫度已超過Ac1,組織中發(fā)生(F先+P)向A的相變,并產(chǎn)生體積收縮,引起較大的組織應(yīng)力。表3試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果也證明此時(shí)奧氏體的強(qiáng)度較低,塑性也相對(duì)較差,因此容易產(chǎn)生紅送裂紋。對(duì)鋼錠表層組織轉(zhuǎn)變規(guī)律的研究結(jié)果表明:鋼的組織形態(tài)也具有產(chǎn)生細(xì)小網(wǎng)狀裂紋的條件。圖5是DIN16MnCr5鋼拉伸試樣在表3第4組工藝條件下水淬得到的室溫顯微組織照片。圖中粗大的黑色網(wǎng)狀區(qū)是珠光體組織,珠光體中有少量的鐵素體沿晶界分布,珠光體網(wǎng)包圍的區(qū)域由許多細(xì)小的鐵素體等軸晶粒組成,這種組織形態(tài)是該鋼高溫時(shí)包晶轉(zhuǎn)變不完全造成的。由于鋼錠表層冷卻速度快,高溫包晶轉(zhuǎn)變進(jìn)行得不完全,形成了中心粗大的δ鐵素體,其碳含量較低,而包圍它的是碳含量較高的奧氏體。在隨后的冷卻過程中,中心粗大的δ鐵素體經(jīng)過δ→A,A→F兩次相變?cè)俳Y(jié)晶,轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的鐵素體等軸晶粒,而周圍的奧氏體分解為呈網(wǎng)狀分布的珠光體和少量鐵素體。在鋼錠再加熱過程中,當(dāng)溫度超過Ac1后,表層的珠光體網(wǎng)首先轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體網(wǎng),而奧氏體的強(qiáng)度低、塑性也較差,此時(shí)相當(dāng)于產(chǎn)生了“沿晶”弱化,所以在鋼錠表層拉應(yīng)力的作用下容易沿奧氏體網(wǎng)形成細(xì)小的網(wǎng)狀裂紋,該網(wǎng)狀裂紋在加熱爐高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱時(shí)被氧化。由于裂紋的深淺與內(nèi)應(yīng)力的大小有關(guān),這樣鋼錠在軋制時(shí)就會(huì)形成沿軋向分布的網(wǎng)狀裂紋,嚴(yán)重時(shí)鋼錠一經(jīng)軋制即碎裂,類似“過燒”一樣。根據(jù)鋼錠紅送裂紋的形成機(jī)制確認(rèn):改進(jìn)再加熱工藝可防止產(chǎn)生紅送裂紋。如減緩均熱爐中鋼錠的再加熱速度,可明顯降低紅送裂紋的產(chǎn)生幾率。5高溫拉伸試驗(yàn)(1)利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)計(jì)算了在紅送及再加熱過程中,低合金鋼鋼錠表層溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)在鋼錠冷卻至Ar1或再加熱至Ac1附近溫度時(shí)出現(xiàn)拉應(yīng)力峰