電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼內(nèi)部質(zhì)量研究

馮 浩，李花兵，姜周華，董艷伍，陳 瑞，宋照偉，劉福斌，耿 鑫

(1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110004;2.沈陽鑄造研究所，沈陽 110021)

電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼內(nèi)部質(zhì)量研究

馮 浩1，李花兵1，姜周華1，董艷伍1，陳 瑞2，宋照偉2，劉福斌1，耿 鑫1

(1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110004;2.沈陽鑄造研究所，沈陽 110021)

研究了電渣熔鑄ZG06Cr13Ni4Mo后的凝固組織及不同位置的二次枝晶間距，以及電渣熔鑄前后不同位置夾雜物的數(shù)量、尺寸、形貌、成分的變化規(guī)律.研究結(jié)果表明:電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼的組織致密均勻，無疏松、氣孔等低倍缺陷.電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼的二次枝晶間距最大值為44.98 μm，最小值為31.13 μm，明顯小于電極中的二次枝晶間距.電渣熔鑄過程有利于減小二次枝晶間距，提高組織致密性與均勻性.電渣熔鑄錠中夾雜物在面積百分比、最大當(dāng)量直徑和平均直徑上均明顯小于電極中的夾雜物，電渣熔鑄去除夾雜物的效果明顯.

電渣熔鑄;低碳馬氏體不銹鋼;凝固組織;夾雜物

ZG06Cr13Ni4Mo低碳馬氏體不銹鋼，具有優(yōu)異的強(qiáng)度、韌性、可焊接性、耐磨性和鑄造性，廣泛應(yīng)用于大型水力發(fā)電設(shè)備上.低碳馬氏體不銹鋼的產(chǎn)品質(zhì)量對于水力發(fā)電事業(yè)至關(guān)重要［1］.電渣熔鑄具有提高金屬純凈度、控制凝固組織以及提高成型性三重功能，因此美國材料咨詢局將電渣熔鑄稱為“跨世紀(jì)的技術(shù)”［2］.電渣熔鑄是去除鋼中非金屬夾雜物的有效工藝之一［3］.電渣熔鑄提純凈化的本質(zhì)主要是渣洗作用［4］，包括渣對鋼中夾雜物的吸附和溶解.大部分原始夾雜物在電極熔化末端熔滴形成階段已被去除，一部分殘留夾雜物會隨鋼液進(jìn)入渣池，其次還有一部分不穩(wěn)定氧化物在高溫下分解成合金元素和氧溶于鋼中.在金屬熔池中，隨著溫度下降，氧的溶解度下降，形成新生夾雜物［5，6］.本文研究了電渣熔鑄ZG06Cr13Ni4Mo鋼后的凝固組織和不同位置的二次枝晶間距，以及電渣熔鑄前后不同位置夾雜物的數(shù)量、尺寸、形貌、成分的變化規(guī)律.

1 實驗研究方案

實驗采用電渣熔鑄工藝制備低碳馬氏體不銹鋼ZG06Cr13Ni4Mo.電渣熔鑄錠和自耗電極的化學(xué)成分如表1所示.在距ZG06Cr13Ni4Mo電渣熔鑄錠底端120 mm和730 mm處分別取縱截面，如圖1所示.在距電渣熔鑄錠底端700 mm處取橫截面.各截面經(jīng)磨床處理后，用 FeCl3、HCl和C2H5OH的混合溶液腐蝕，顯示枝晶形貌.測量柱狀晶生長方向與軸向夾角，研究冷卻條件對柱狀晶生長方向的影響.

表1 電渣熔鑄錠與電極化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the electrode and the electroslag casting ingot(mass fraction) %

圖1 電渣錠縱截面示意圖Fig.1 The longitudinal section of the electroslag ingot

在距電渣熔鑄錠底端100 mm、700 mm和1 050 mm處的中心、沿徑(R為半徑)向R/4處、R/2處、3R/4處和邊緣處切取10 mm×10 mm× 5 mm的試樣，如圖2所示.在自耗電極的中心、1/2R和邊緣處切取10 mm×10 mm×5 mm的試樣.所有試樣經(jīng)120#、240#、400#、800#、1 200#、1 500#和2 000#砂紙濕磨后拋光，之后采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的草酸溶液進(jìn)行電解腐蝕.應(yīng)用金相顯微鏡(OM)結(jié)合Image－Pro Plus 6.0分析軟件測量每個試樣15個不同位置的二次枝晶間距，取平均值作為最終的二次枝晶間距.利用金相顯微鏡(OM)在電渣熔鑄錠和電極不同位置的試樣上對金相照片中的夾雜物進(jìn)行數(shù)量和尺寸的統(tǒng)計.利用掃描電鏡(SEM)觀察夾雜物形貌，結(jié)合能譜分析(EDS)確定夾雜物成分和元素分布.

圖2 電渣錠取樣示意圖Fig.2 The sampling plan of the electroslag ingot

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 凝固組織研究

電渣熔鑄錠經(jīng)縱向和橫向解剖、表面磨光、腐蝕后的低倍組織如圖3所示，經(jīng)低倍檢驗可以發(fā)現(xiàn)電渣熔鑄錠組織致密，無疏松、縮孔等低倍缺陷.在電渣熔鑄過程中，電極的熔化和熔融金屬的結(jié)晶是同時進(jìn)行的.金屬熔滴不斷地向結(jié)晶部分供給液態(tài)金屬以及結(jié)晶器中的金屬受到底部和側(cè)面的強(qiáng)烈冷卻，使電渣熔鑄錠的凝固只發(fā)生在很小的體積內(nèi).金屬的收縮可由金屬液面的降低得到補(bǔ)償，金屬液體中的氣體和夾雜物也易于上浮.另外，在水冷結(jié)晶器壁上形成的渣皮減小了徑向傳熱.這些條件都有利于電渣熔鑄錠獲得良好的凝固組織.由于夾雜物的減少和冷卻條件的改善，電渣熔鑄錠組織更加致密.電渣熔鑄過程中，底板的傳熱能力很強(qiáng)，造成接近軸向的熱流分配.通過渣池傳導(dǎo)和金屬熔滴過渡，使渣池向電渣熔鑄錠傳熱［3］.由于傳熱的方向性強(qiáng)和溫度梯度大，使電渣熔鑄錠中柱狀晶非常發(fā)達(dá)，約占65%.

圖3 電渣熔鑄錠低倍組織Fig.3 The macrostructure of the electroslag ingot

二次枝晶間距是決定電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼凝固質(zhì)量的重要參數(shù)，減小二次枝晶間距能有效地減輕樹枝晶間偏析和顯微縮孔，提高組織的致密性.表2和表3分別為電渣熔鑄錠和電極二次枝晶間距的測量結(jié)果.電渣熔鑄錠中二次枝晶間距最大值為44.98 μm，最小值為31.13 μm.電極中二次枝晶間距最大值為89.75 μm，最小值為64.09 μm.電渣熔鑄過程中金屬凝固自下而上，凝固引起的收縮可由液態(tài)金屬補(bǔ)充，減少疏松的產(chǎn)生，組織更加致密.樹枝晶的生成可歸結(jié)于凝固界面的溶質(zhì)偏析，電渣熔鑄過程中冷卻速度大，溶質(zhì)擴(kuò)散時間短，二次枝晶間距小［3］.通過二次枝晶間距的比較，可以明顯地體現(xiàn)出電渣熔鑄在提高組織致密性和成分均勻性的作用.

表2 電渣熔鑄錠二次枝晶間距Table 2 The secondary dendritic spacing of the electroslag ingot

表3 電極二次枝晶間距Table 3 The secondary dentritic spacing of the electrod

同時從電渣熔鑄錠二次枝晶間距在徑向的變化可以看出，電渣熔鑄錠表層冷卻強(qiáng)度大，局部凝固時間短，因而二次枝晶間距小.隨著距表層距離的增加，冷卻速度下降，局部凝固時間延長，二次枝晶間距增大.從邊緣到中心，二次枝晶間距逐漸增加.

2.2 夾雜物數(shù)量及尺寸

圖4為不同位置夾雜物尺寸分布圖.從圖中可以看出電渣熔鑄錠中夾雜物的尺寸范圍比較集中，大部分均小于4 μm，而電極中夾雜物尺寸范圍較大，大部分均小于18 μm.從電渣熔鑄錠的中心到邊緣，0～2 μm的夾雜物所占比例升高，2～4 μm的夾雜物所占比例下降.距結(jié)晶器邊緣越近，冷卻強(qiáng)度越大，夾雜物長大時受到的抑制作用更加明顯，導(dǎo)致夾雜物更加細(xì)小.

不同位置夾雜物所占面積百分比如圖5所示.電渣熔鑄錠夾雜物面積百分比的范圍為0.035%～0.126%，明顯小于電極中夾雜物所占面積百分比.電渣熔鑄過程中，熔融金屬與熔渣接觸面積大，反應(yīng)充分，電極中的夾雜物被大量去除.

不同位置單位面積夾雜物數(shù)量如圖6所示，從圖中可以看出電渣熔鑄錠中單位面積上的夾雜物數(shù)量明顯大于電極中單位面積上的夾雜物數(shù)量.電渣熔鑄過程中，來自電極中大尺寸的夾雜物被熔渣吸收去除;凝固過程中，部分尺寸較大的新生夾雜物通過上浮去除，而尺寸較小的夾雜物則留在鋼中.電渣熔鑄過程中冷卻強(qiáng)度大，細(xì)小的夾雜物無法聚合長大.所以電渣熔鑄錠中的夾雜物尺寸小，但數(shù)量多.

距電渣熔鑄錠底端100 mm處的單位面積夾雜物數(shù)量明顯大于其他高度的單位面積夾雜物數(shù)量.距底端100 mm處化渣期剛結(jié)束，渣流動性較差，與熔融金屬的反應(yīng)不充分，去除夾雜物的能力較差.而且這個位置的冷卻強(qiáng)度很大，金屬液體中的夾雜物不易上浮，大量夾雜物留在鋼中.在電渣熔鑄錠中，從中心到邊緣單位面積夾雜物數(shù)量呈現(xiàn)先減少后增多的趨勢.隨著冷卻強(qiáng)度的增加，金屬熔池和固液兩相區(qū)厚度減小，夾雜物上浮所需要的時間縮短，夾雜物數(shù)量減少.但邊緣冷卻作用強(qiáng)，夾雜物的尺寸小數(shù)量多，能夠上浮去除的大尺寸夾雜物比例減少，大量細(xì)小的夾雜物保留在鋼中.因此單位面積夾雜物數(shù)量在徑向上呈現(xiàn)先減少后增多的趨勢.

圖4 不同位置夾雜物尺寸分布Fig.4 The distribution of inclusion size in different positions

圖5 不同位置夾雜物面積百分比Fig.5 The area fraction of inclusion in different positions

不同位置夾雜物最大當(dāng)量直徑如圖7所示.電渣熔鑄錠中夾雜物最大當(dāng)量直徑為11.40 μm，明顯小于電極中夾雜物的最大當(dāng)量直徑.電極中原始的夾雜物尺寸較大，在電極熔化末端熔滴形成過程中，夾雜物與熔渣充分接觸，被熔渣吸收去除.在強(qiáng)烈的冷卻作用下，電渣熔鑄錠中新生成的夾雜物尺寸較小.

圖6 不同位置單位面積夾雜物數(shù)量Fig.6 The amount of inclusion on the unit area in different positions

不同位置夾雜物的平均直徑如圖8所示，電渣熔鑄錠夾雜物平均直徑范圍為 1.87～2.78 μm，明顯小于電極中夾雜物的平均直徑.電極中原始夾雜物尺寸較大，在電極熔化末端熔滴形成的過程中，夾雜物與熔渣充分接觸，被吸收去除.電渣熔鑄過程中冷卻強(qiáng)度大，新生成的夾雜物尺寸較小.電渣熔鑄過程中，從中心到邊緣冷卻強(qiáng)度逐漸增加，夾雜物平均直徑減小.這主要是因為距結(jié)晶器邊緣越近，冷卻強(qiáng)度越大，夾雜物長大時受到的抑制作用越明顯，導(dǎo)致夾雜物越細(xì)小.

圖7 不同位置夾雜物最大當(dāng)量直徑Fig.7 The maximum equivalent diameter of inclusion in different positions

圖8 不同位置夾雜物平均直徑Fig.8 The average diameter of inclusion in different positions

2.3 夾雜物形貌及成分研究

電渣熔鑄錠中夾雜物主要為球形或近似球形的硅酸鹽，其主要成分為Cr2O3－MnO－Al2O3－SiO2(如圖9(1)所示)或MnO－Al2O3－SiO2(如圖9(2)所示)，部分硅酸鹽外層還被少量MnS包裹(如圖9(3)所示).但在距電極底端100 mm處有少量近似球形的Al2O3夾雜物(如圖9(4)所示)和棒狀鋁酸鹽，其成分為Cr2O3－MnO－Al2O3(如圖9(5)所示).

電極中存在大量球形或近似球形的復(fù)合夾雜物，主要分為兩類:一類復(fù)合夾雜物的中心為SiO2，外層為硅酸鹽，其主要成分為Cr2O3－MnO－Al2O3－SiO2，夾雜物的外層還被MnS包裹;另一類復(fù)合夾雜物的中心為SiO2，外層為硅酸鹽，其主要成分為MnO－SiO2，并且還有部分被MnS包裹.

w(CaF2)=70%，w(Al2O3)=30%渣黏度小，與氧化物潤濕性好，溶解能力強(qiáng).除在距電渣熔鑄錠底端100 mm處有少量Al2O3夾雜物外，電渣熔鑄錠中無氧化物.電極中以SiO2為核心的復(fù)合夾雜物去除效果明顯.但由于電渣熔鑄采用w(CaF2)=70%，w(Al2O3)=30%渣，電渣熔鑄錠中含鋁硅酸鹽夾雜物增多，在電渣熔鑄錠底部附近存在Al2O3夾雜物，對電渣熔鑄錠的韌性、塑性有一定影響［7］.

圖9 電渣熔鑄錠中夾雜物形貌及成分Fig.9 The morphology and composition of inclusion in electroslag ingot

3 結(jié)論

(1)電渣熔鑄具有順序結(jié)晶和定向凝固的特點(diǎn)，使電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼的組織致密均勻，無疏松、氣孔等低倍缺陷.電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼的二次枝晶間距最大值為44.98 μm，最小值為31.13 μm，明顯小于電極中的二次枝晶間距.

(2)電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼中大部分夾雜物尺寸均小于4 μm，面積百分比的范圍為0.035% ～0.126%，平均直徑范圍為 1.87～2.78 μm，最大當(dāng)量直徑為11.40 μm，明顯小于電極中的夾雜物尺寸，但數(shù)量較多.從中心到邊緣，由于冷卻強(qiáng)度的增加，金屬熔池和固液兩相區(qū)厚度減小，較大尺寸夾雜物上浮所需時間減少，小尺寸夾雜物所占的比例升高，面積百分比、平均直徑以及數(shù)量均減少.但在邊緣冷卻強(qiáng)度大，夾雜物尺寸小且數(shù)量多，能夠上浮去除的大尺寸夾雜物所占的比例減少，大量細(xì)小的夾雜物保留在電渣熔鑄錠中，夾雜物數(shù)量增多.

(3)電渣熔鑄低碳馬氏體不銹鋼中夾雜物主要為球形或近似球形的硅酸鹽，部分硅酸鹽外層還有少量MnS包裹.由于電渣熔鑄采用w(CaF2) =70%，w(Al2O3)=30%渣，電渣熔鑄錠中含鋁硅酸鹽夾雜物增多.與電極相比，電渣熔鑄錠中以SiO2為核心的復(fù)合夾雜物去除效果明顯.電渣熔鑄采用的w(CaF2)=70%，w(Al2O3)=30%渣黏度小，與氧化物潤濕性好，溶解能力強(qiáng)，去除氧化物效果明顯.

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Research on the internal quality of low carbon martensitic stainless steel manufactured by electroslag casting process

Feng Hao1，Li Huabing1，Jiang Zhouhua1，Dong Yanwu1，Chen Rui2，Song Zhaowei2，Liu Fubin1，Geng Xin1

(1.College of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004，China; 2.Shenyang Casting Institute，Shengyang 110021，China)

The solidification structure and the secondary dendrite arm spacing in differentposition of ZG06Cr13Ni4Mo after the electroslag casting process were investigated.The amount，size，morphology and the composition of the inclusions after and before the electroslag casting process were also performed.The results indicated that the lissue of the low－carbon martensitic stainless steel was dense and uniform.There were no looseness and porosity found after the electroslag casting process.The maximum secondary dendrite arm spacing of the electroslag casting ingot was 44.98 μm，and the minimum one was 31.13 μm，which was obviously smaller than that of the electrode.It is believed that electroslag casting process is beneficial to reduce the secondary dendrite arm spacing，to improve the compactness and uniformity of the ingot.The area percentage of the inclusion，the maximum equivalent diameter and the average diameter of the electroslag casting ingot were significantly smaller than that of the electrode.The electroslag casting process can greatly remove the inclusions.

electroslag casting process;low carbon martensitic stainless steel;solidification structure;inclusions

TF 03.1

A

1671-6620(2013)01-0039-06

2012-10-24.

國家重大科技專項“電渣熔鑄大型鑄鍛件工藝技術(shù)研究”(2010ZX040616－014).

馮浩 (1992—)，男，東北大學(xué)碩士研究生，E－mail:zqzk159@163.com;姜周華 (1963—)，男，東北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.