20CrMn鋼雙輥薄帶振動鑄軋第二相粒子析出行為研究

王海軍 孫明翰 朱志旺 杜鳳山 許志強

1.燕山大學機械工程學院，秦皇島，0660042.燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心，秦皇島，066004

0 引言

第二相強化利用彌散分布于合金基體組織中的第二相粒子有效阻礙位錯運動，是用于強化金屬材料的有效方法之一[9]。劉明陽等[10]對鋁合金電磁鑄軋板帶中的第二相粒子分布進行了研究，研究結果表明電磁場有利于改善鋁合金鑄軋板坯的宏觀偏析，使元素分布更為均勻，第二相粒子不是僅僅偏聚在晶界上，而是更加彌散地分布到基體內部，從而增強了板坯的力學性能。但電磁鑄軋脈沖頻率低，施加裝置復雜，應用范圍存在一定的局限性，對鑄軋板坯力學性能強化作用有限。李純遲等[11]在研究鋁合金鑄軋板坯均勻化工藝時提出，板坯中不均勻分布的細小第二相以及粗大金屬間化合物粒子是材料應力集中與裂紋萌生之處，對材料的斷裂韌性極為不利，因此可通過均勻化工藝控制板坯中第二相粒子的形狀及分布以達到彌散強化的效果。亓效剛等[12]在研究微合金鋼第二相粒子對焊接熱影響區奧氏體晶粒影響時指出，微合金鋼中大量存在的第二相粒子尺寸越細小，對奧氏體的釘扎力越大，細化晶粒的效果越明顯，當第二相粒子尺寸增大后，對奧氏體的釘扎效果大為減弱。

以上研究表明：合金內第二相粒子的尺寸、形狀、分布等特征對合金的顯微組織及力學性能均有顯著的影響，這為解決合金鋼鑄軋技術中板坯熱裂傾向高、斷裂韌性差、抗拉強度低等問題提供了解決思路，即可以通過改善合金鋼鑄軋板坯中第二相粒子的析出狀況來強化其力學性能。

田學鋒等[13]在研究機械振動對消失模鑄造鎂合金組織及力學性能的影響時發現，機械振動使合金中出現新的沉淀相Al13Mn12，新沉淀相出現的原因為激振力的存在使熔融合金中存在許多微小“空穴”，“空穴”復合產生的附加壓力使合金的液態自由能發生變化，激振力的存在改變了溶質的傳輸與分布也是新沉淀相出現的原因之一。張浩等[14]研究了機械振動對長周期結構增強Mg97Y2Cu1合金凝固組織和力學性能的影響，研究結果表明經機械振動處理后Mg97Y2Cu1合金中第二相的分布變得連續均勻，對提高合金的強度和塑形有積極作用。以上研究說明機械振動能改變合金凝固組織中第二相粒子的種類、分布等特征，從而達到改善合金力學性能的目的。基于此，為解決合金鋼鑄軋板坯力學性能低于預期的問題，雙輥薄帶振動鑄軋技術被提出，在傳統鑄軋過程中引入機械振動，通過改善鑄軋板坯中第二相粒子的分布、種類等特征達到強化鑄軋板坯力學性能的目的。

本文以自主設計研發的雙輥薄帶振動鑄軋機為實驗平臺，進行了一系列的振動與非振動鑄軋對比實驗，驗證了振動鑄軋對鑄軋板坯的力學性能的改善效果。并進一步對有無振動兩種條件下的第二相粒子析出過程進行了對比分析，旨在研究振動鑄軋中所施加的機械振動對鑄軋板坯中第二相粒子強化板坯力學性能的影響機理。

1 鑄軋實驗過程

本文利用自主設計研發的φ500 mm×350 mm中試級雙輥薄帶振動鑄軋機進行了一系列振動、非振動鑄軋對比實驗。該鑄軋機主要工作原理及實際設備現場如圖1所示。

(a)振動鑄軋原理

(b)振動鑄軋機設備現場圖1 雙輥薄帶振動鑄軋機工作原理及設備現場Fig.1 Principle and equipment site of twin-roller strip vibratory cast-rolling mill

圖1b所示的振動鑄軋機主要由冶煉系統、主傳動系統、澆鑄系統、結晶輥輥系、液壓控制系統、振動平臺、電控操作臺以及冷卻水循環系統等幾部分組成。

詩的字里行間清晰地表明，鄉愁在詩人的不同人生階段是具有不同涵義的，分別體現在詩的4小節中：詩人對辛勞母親的綿綿牽掛（第1節）、詩人對新婚妻子的深深思念（第2節）、詩人對已逝母親的無限哀思（第3節）以及詩人對祖國統一的無比向往（第4節）。而這4層不同的涵義又是通過詩中所使用的郵票、船票、墳墓和海峽這4個不同的喻體來傳遞的，如圖1所示。

本次實驗選用材料為20CrMn低合金鋼，其化學成分見表1。鑄軋實驗工藝參數見表2。

表1 20CrMn的化學成分(質量分數)

表2 鑄軋實驗工藝參數

鑄軋實驗過程如下：①鋼材熔煉，將準備好的20CrMn低合金鋼放入中頻熔煉爐中進行熔煉；②中間包靜置，熔煉完成后利用中頻爐翻轉裝置將鋼液傾倒入預熱至指定溫度的中間包內靜置；③待中間包內鋼液降溫至預定溫度時，通過控制塞棒的開合程度控制鋼液的流速，鋼液流出中間包后依次流經上水口、下水口、布流器并最終流入雙輥之間的熔池；④在預設置好相關工藝參數的結晶輥輥系的冷卻及軋制作用下，鋼液形成鑄軋板坯，為保留板坯形成時的顯微組織特點，在板坯離開輥系后即對其進行水冷淬火。

分別在振動與非振動條件下進行上述鑄軋實驗得到相應板坯，并在板坯中部沿縱向各自取3組試件，以備后續測試使用。

2 測試過程及結果分析

2.1 拉伸試驗

利用線切割設備分別在振動、非振動鑄軋板坯上沿縱向截取3組拉伸試件，試件尺寸以GB6397—86為準。利用800號砂紙對拉伸試件進行打磨，消除試件表面的氧化皮以及側面的線切割痕跡，打磨完成后利用CSS-44100拉伸試驗機對試件進行拉伸試驗，試驗結果如表3所示。

表3 拉伸試驗結果

以上拉伸試驗結果表明，與非振動鑄軋板坯相比，振動鑄軋板坯的屈服強度由289 MPa提高到324 MPa，增幅為12.11%；抗拉強度由302 MPa提升至346 MPa，增幅為14.57%；伸長率由18%提升為25%，增幅為38.9%。以上變化表明鑄軋過程中機械振動的引入對鑄軋板坯的強度以及塑性都有明顯的提升效果。

2.2 斷口形貌觀察

利用ZeIS-Sigma 500掃描電鏡(SEM)對拉伸試驗中所得試件的斷口形貌進行了觀察與分析。觀察結果如圖2所示。

(a)振動

(b)非振動圖2 拉伸試件斷口形貌Fig.2 Fracture morphology of tensile specimens

觀察對比振動、非振動條件下所得試件的斷口形貌可以發現，振動試件韌窩小而深且均勻密集分布，說明裂紋擴展阻力大，材料強度與韌性較好。而非振動試件中韌窩存在明顯的分布不均現象，部分韌窩深度淺，該處金屬裂紋擴展能力較強，塑性較差；另有一部分韌窩小且密集分布，該部分金屬強度和塑性相對較好，這種不均勻狀態將導致非振動鑄軋板坯的強度與塑性均處于較低水平。觀察結果還顯示，在小而深的韌窩中一般都能發現第二相粒子的存在，而大而淺的韌窩中則沒有。這說明第二相粒子的存在增大了裂紋擴展的阻力，從而增強了材料的強度與韌性。與韌窩的分布規律一樣，與非振動鑄軋板坯相比，第二相粒子在振動鑄軋板坯中的分布更為均勻。可以推斷，振動能有效改善鑄軋板坯中第二相粒子的分布，使其在基體中呈現彌散分布的特征，從而同時改善板坯的強韌性與塑性。

2.3 X射線能譜檢測

為探究振動對鑄軋過程中第二相粒子析出行為的作用機理，利用X射線能譜儀(EDS)對斷口韌窩中發現的第二相粒子進行檢測，為保證檢測結果的全面性與準確性，對試件進行多點檢測，選取點包括同一大顆粒上的不同點、不同的小顆粒以及基體。振動試件與非振動試件的能譜檢測結果分別如圖3～圖6所示。

圖3 能譜檢測點分布(振動鑄軋)Fig.3 Energy spectrum detection point distribution (vibratory cast-rolling)

(a)第1點

(c)第3點

(e)第5點

(b)第2點

(d)第4點

(f)第6點

圖4 振動鑄軋拉伸試件斷口第二相粒子能譜檢測結果

Fig.4 Energy spectrum detection results of the second phase particles in the fracture ofthe vibratory cast-rolling tensile specimens

在圖3、圖5的能譜圖基礎上，排除干擾峰，確定振動、非振動鑄軋拉伸試件斷口中第二相粒子的成分組成，結果如表4所示。

圖5 能譜檢測點分布(非振動鑄軋)Fig.5 Energy spectrum detection point distribution (vibrationless cast-rolling)

鑄軋板坯中第二相粒子按尺寸可分為大尺寸顆粒與小尺寸顆粒，其中大尺寸顆粒直徑約30 μm，小尺寸顆粒直徑約5 μm。其中，振動鑄軋與傳統鑄軋板坯中的小尺寸第二相粒子化學組成基本一樣，可分為兩類，分別為各種合金元素與Fe的金屬間化合物以及各種元素的氧化物。振動鑄軋與非振動鑄軋在大尺寸第二相粒子的化學組成上有所區別，振動鑄軋板坯中的大顆粒均為Fe的碳化物和氧化物，并無合金元素的存在，而非振動鑄軋板坯中大顆粒內則存在合金元素Mn。

在沉淀過程中，第二相粒子在長大的同時會發生由與基體的共格向非共格的過渡。與基體共格的小顆粒會在基體中引起點陣錯配，由此產生的彈性應力場與位錯周圍的彈性應力場相互作用，起到阻礙位錯運動，提高合金強度的作用。而已經完成了向非共格過渡的大尺寸第二相粒子周圍的共格應變場遭到破壞，粒子對合金的強化效果相應減弱，甚至由于大顆粒與基體的接觸區域具有較高的裂紋敏感性，大尺寸第二相粒子對基體的力學性能可能起到負面的綜合效果。

對鑄軋板坯中第二相粒子組成元素的分析結果表明，相比于非振動鑄軋板坯中合金元素廣泛分布于各種尺寸的第二相粒子中，振動鑄軋板坯中合金元素集中于對合金力學性能有明顯強化作用的小尺寸第二相粒子中，這種差異說明鑄軋過程中振動的引入能優化合金元素在第二相粒子中的分布，提高合金元素的使用效率，從而達到最大程度強化金屬的目的，這與表3中振動、非振動鑄軋板坯拉伸試驗的對比結果符合。

(a)第1點

(c)第3點

(e)第5點

(b)第2點

(d)第4點

(f)第6點

圖6 非振動鑄軋拉伸試件斷口第二相粒子能譜檢測結果

Fig.6 Energy spectrum detection results of the second phase particles in the fracture ofthe vibrationless cast-rolling tensile specimens

表4 第二相粒子的組成元素

3 第二相粒子動力學分析

X射線能譜檢測結果表明，振動鑄軋中引入的機械振動能優化合金元素在第二相粒子中的分布，使其集中分布于對基體有明顯強化作用的小尺寸第二相粒子中，而對基體綜合力學性能有負面效應的大尺寸粒子中則不存在。為進一步探究這種合金元素選擇性分布的形成機理，本文對第二相粒子進行了初步的動力學分析。

由于第二相粒子從基體析出后會使系統具有很高的總界面能，此時系統是不穩定的。為減小總界面能，顆粒將以大顆粒長大，小顆粒溶解的方式粗化，這種基體中第二相粒子的競爭性長大的現象被稱作Oswald熟化。一般情況下顆粒粗化可以表達為

(1)

(2)

由式(2)可知，第二相粒子平均顆粒半徑的三次方的變化量與粗化速度成正比例關系。掃描電鏡觀察結果顯示，鑄軋板坯中大尺寸第二相粒子顆粒半徑約為30 μm，而小尺寸第二相粒子顆粒半徑約為5 μm，若兩種粒子形成方式均為脫溶，則大顆粒粗化速度應為小顆粒粗化速度的200多倍。考慮到大小顆粒成分并沒有很大差別，可以確定兩種尺寸的顆粒分別在鑄軋過程中的兩個階段形成，即：大尺寸第二相粒子形成于鑄軋過程凝固階段，而小尺寸第二相粒子形成于鑄軋過程軋制及后續冷卻階段。凝固階段溫度高，原子在液相中的擴散速度遠高于較低溫度下在固相基體中的擴散速度，因此在凝固階段形成的第二相粒子的生長速度將遠高于固相基體中脫溶析出的第二相粒子的生長速度。

結合X射線能譜檢測的結果，以上分析說明，與傳統非振動鑄軋相比，振動鑄軋過程中合金元素在凝固階段的析出被抑制，而在軋制及后續冷卻過程中以彌散分布的小尺寸第二相粒子的形式大量析出，對基體起到明顯的第二相強化作用，這種變化由振動引起。振動鑄軋過程中振動側結晶輥的往復振動對熔池內的熔融金屬起到擾動效果，增大了熔池內流體的紊亂程度，使各種合金元素較為均勻地分布于熔池內，避免合金元素由于在局部區域富集而提前結晶析出，而促使其固溶于基體中直至軋制階段在較低溫度下以脫溶的方式彌散析出，從而造成合金元素在各種第二相粒子中的分布差異。

增大振幅、振動頻率均能使熔池受擾動程度增大，并進一步促進溶質的均勻分布[15]。前文分析表明溶質分布越均勻，合金元素越傾向于在軋制階段而非凝固階段析出，從而形成細小彌散的第二相粒子。因此，可以通過適當地增大振幅、振動頻率的取值而獲得尺寸更小、分布更均勻的第二相粒子。并且由于振幅對熔池流場的影響更大[15]，在實際選取振動參數時可優先調整振幅的取值。

在凝固階段，以結晶形式析出的大尺寸顆粒相對基體無強化作用，反而具有較高的裂紋敏感性，對金屬的斷裂韌性、抗疲勞強度等綜合力學性能起負面作用。傳統無振動鑄軋技術中大尺寸顆粒中存在合金元素，實質上弱化了合金鋼中添加合金元素的意義，既達不到產品預期要求，又嚴重浪費生產資源。振動鑄軋中機械振動促進合金元素選擇性分布的獨特作用避免了合金鋼中的合金元素的有害消耗，使合金元素的使用效率最大化，對合金鋼鑄軋技術的進一步發展極其工業化的實現有重大意義。

4 結論

(1)拉伸試驗結果顯示振動鑄軋板坯較傳統鑄軋板坯屈服強度、抗拉強度和伸長率分別提高了12.11%、14.57%和38.9%，說明機械振動對鑄軋板坯的強韌性與塑形都有較為明顯的改善效果。

(2)細小第二相粒子的存在能增大裂紋擴展的阻力從而提高金屬的強度與韌性，拉伸試件斷口形貌觀察的結果表明振動能促進板坯中細小第二相粒子的彌散分布，從而提高板坯的綜合力學性能。

(3)鑄軋板坯中第二相粒子從尺寸上可以分為兩類，即直徑約30 μm的大尺寸第二相粒子以及直徑約5 μm的小尺寸第二相粒子。動力學分析結果表明，大尺寸粒子是凝固階段形成的結晶相，而小尺寸粒子則為軋制階段以后形成的沉淀相。能譜檢測結果表明傳統非振動鑄軋板坯中大尺寸顆粒中存在合金元素，而振動鑄軋板坯中則無此現象。

(4)振動鑄軋過程中機械振動的引入對熔池內熔融金屬起擾動效果，使合金元素均勻分布于熔池之中，難以在鋼液凝固階段以大顆粒結晶相的形式析出，而在軋制階段以小尺寸第二相顆粒的形式脫溶析出。合金元素集中分布于對基體有明顯強化效果的小尺寸第二相粒子中，實現了合金元素使用效率的最大化，從而最大程度地強化了鑄軋板坯的綜合力學性能。

(5)適當增大振幅、振動頻率能有效促進熔池內溶質元素的均勻分布，從而獲得尺寸更小、分布更為均勻的第二相粒子。與改變振頻相比，改變振幅對鑄軋板坯內第二相粒子的析出影響更大。