高錳鋼連鑄坯縱向開裂原因分析

莊 偉

(寶武特冶有限公司，上海 200940)

高碳高錳奧氏體耐磨鋼具有良好的強度和韌性，且能在使用中加工硬化，耐沖擊耐磨損，被廣泛用于冶金、礦山、建材、煤炭、電力、化工、農機和軍事等領域[1-2]。在高壓力或強烈沖擊力的作用下Mn13高錳鋼表面會發生加工硬化，而心部仍保持原有的硬度和良好的韌性。

以往，Mn13鋼大多采用模鑄方法生產，極少有連鑄生產的報道。目前，通常采用連鑄工藝生產Mn13鋼，但產品常出現縱向裂紋等缺陷。本文通過金相檢驗、高溫拉伸試驗分析了Mn13鋼連鑄坯縱向開裂的原因。

1 試驗材料與方法

有縱向裂紋的Mn13鋼連鑄坯的生產流程為EBT/EAF→LF→CC。從鑄坯縱向裂紋部位取樣、制樣，采用光學顯微鏡和掃描電鏡觀察分析缺陷的形貌。

高溫拉伸試驗在Gleeble-3800熱/力試驗機上進行，試樣尺寸為φ10 mm×120 mm，試驗溫度設定為650～1 200 ℃(間隔為50 ℃)，應變速率為1×10-3s-1。

采用高溫共聚焦激光顯微鏡研究了Mn13鋼的凝固過程。試樣尺寸為φ5 mm×3 mm。首先將試樣以5 ℃/s的速率加熱至1 450 ℃，使其完全熔化，適當保溫后再以1 ℃/s冷卻至室溫，觀察試樣的凝固過程。

2 結果與討論

2.1 裂紋形貌

Mn13鋼連鑄坯縱向裂紋的宏觀形貌如圖1所示。裂紋通常較深，且有凹陷，多位于鑄坯寬度的中心附近，可達數米長，甚至貫穿整個板坯。有的裂紋周邊有漏鋼痕跡，這是由于Mn13鋼流動性好，會沿裂紋溢出。采用掃描電鏡檢驗了裂紋是否有保護渣卷入。

圖1 Mn13鋼連鑄坯縱向裂紋

縱向裂紋主要產生于連鑄坯凹陷等缺陷的底部。對鑄坯橫截面裂紋處進行拋光，發現縱向裂紋最深達40 mm，如圖2(a)所示。圖2(b)為鑄坯橫截面的金相照片，發現主裂紋附近還有次裂紋。采用電子探針能譜分析發現，裂紋內部含有Fe、Mn元素的氧化物，還有少量Ca和Si，未發現夾渣成分，如圖3所示。

圖3 裂紋的電子探針分析結果

圖2 縱向裂紋形貌

2.2 高溫拉伸試驗

圖4是縱向開裂的Mn13鋼鑄坯的抗拉強度和斷面收縮率隨拉伸試驗溫度的變化。由圖4可知，抗拉強度隨試驗溫度的降低而升高，在1 200 ℃拉伸時斷面收縮率低于20%，表明Mn13鋼在凝固初期的塑性很差。隨著試驗溫度降低至1 050～1 150 ℃，鑄坯斷面收縮率升高，與傳統的第II脆性區基本一致[3-5]。隨著試驗溫度進一步降低至1 050～700 ℃，鑄坯斷面收縮率大都低于40%。隨著鋼液的繼續凝固，在熱應力、相變和碳化物等共同作用下，裂紋沿枝晶擴展，后面將作詳細分析。

圖4 Mn13鋼的抗拉強度和斷面收縮率隨拉伸試驗溫度的變化

2.3 原位觀察試驗

采用激光共聚焦高溫顯微鏡原位觀察Mn13鋼的凝固行為，結果如圖5所示。原位觀察試驗中，先將試樣熔化，然后觀察冷卻過程。結果發現，試樣在1 340 ℃開始形核，在1 200 ℃奧氏體晶界析出碳化物，增大了鑄坯的開裂傾向。當錳的質量分數大于12%時，枝狀晶發達，有晶粒長大和開裂的傾向。在平衡條件下冷卻時，錳一部分固溶于鋼中，另一部分與碳形成滲碳體型碳化物。

圖5 Mn13鋼從熔融態冷卻過程中的微觀形貌

試樣冷卻至室溫后的顯微組織如圖6所示。可見，等軸晶集中于試樣中部，且周圍有大量碳化物析出；在近試樣邊緣處有發達的樹枝晶，且局部枝晶間有裂紋。連鑄坯裂紋多發生于結晶器凝固初期，若鋼的液-固兩相區較寬，則脆性溫度區間寬，將增大開裂傾向。隨著凝固過程的進行，在熱收縮和熱應力的作用下，裂紋將沿鑄坯的枝晶和碳化物產生。

圖6 Mn13鋼從熔融態冷卻至室溫后的顯微組織

2.4 討論

通常，由于結晶器初生坯殼厚度不均勻，當承受的應力或應變超過臨界應力或臨界應變時，結晶器內坯殼表面會發生凹陷或萌生裂紋。鑄坯在二冷區進一步冷卻后，凹陷或裂紋將進一步擴展。如果鑄坯寬面在結晶器內有縱向開裂傾向，結晶器專家系統中的摩擦力會突然出現峰值，如果摩擦力峰值超過鑄坯能承受的臨界值，就可能產生縱向裂紋[6-8]。如圖7所示，結晶器內摩擦力波動較大，也說明鑄坯/結晶器間摩擦力大，潤滑狀況差。

圖7 Mn13鋼鑄坯與結晶器間的摩擦力隨連鑄時間的變化

Mn13鋼連鑄坯冷卻至1 340 ℃及以下溫度時，開始形成柱狀晶，枝晶間能傳遞微小的拉力。當冷卻至1 200 ℃以下時，碳化物逐漸析出，進一步加大了晶界開裂的傾向，且在950 ℃以下，Mn13鋼的塑性差，更易產生凹陷和裂紋。

3 結論

(1)Mn13鋼連鑄坯縱向裂紋附近有次裂紋，裂紋內有Fe、Mn氧化產物，無保護渣成分。

(2)Mn13鋼高溫塑性較差，鑄坯在凝固過程中低塑性區易開裂；在鑄坯冷卻過程中，晶界析出碳化物，導致鑄坯開裂傾向增大。

(3)Mn13鋼連鑄過程為非均勻傳熱和凝固，連鑄結晶器摩擦力大可以證明這一點；提高凝固坯殼厚度和結晶器熱流的均勻性是避免Mn13鋼連鑄坯縱向開裂的重要途徑。