合金工具鋼S2鋼連鑄坯中心偏析的改善試驗

張建斌　屠興壙

摘要：為降低合金工具鋼S2鋼連鑄坯中心碳偏析指數(shù)，以改善采用“220 mm×260 mm連鑄坯-開坯160 mm×160 mm-軋制為Φ5.5 mm～Φ25 mm盤條”工藝生產(chǎn)熱軋盤條心部馬氏體團(tuán)組織，通過對220 mm×260 mm合金工具鋼S2鋼末端電磁攪拌位置中心固相率進(jìn)行模擬，并開展增加電磁攪拌參數(shù)和降低拉速試驗，對連鑄坯、熱軋坯和盤條偏析進(jìn)行對比。試驗結(jié)果表明，在拉速0.85 m/min下，M-EMS和F-EMS電流由100 A增加到300 A，連鑄坯中心碳偏析指數(shù)由1.29降至1.16，熱軋坯中心碳偏析指數(shù)由1.16降至1.08，軋制為Φ8.0 mm盤條黑心變淺，馬氏體團(tuán)改善明顯。

關(guān)鍵詞：合金工具鋼；S2；中心碳偏析；電磁攪拌

0 前言

合金工具鋼S2鋼具有高的扭矩、硬度、耐磨性、沖擊韌性及服役疲勞性能，主要用于加工六角扳手和批頭。S2鋼成分中具備較高的C、Cr、Mo等元素，鋼水凝固過程中，鑄坯中心往往形成嚴(yán)重的中心偏析。由于鑄坯-軋材的組織和性能遺傳性，鋼材的很多質(zhì)量問題都源于鑄坯。鑄坯的缺陷（如偏析）一旦形成，則很難通過軋鋼、熱處理等后續(xù)加工進(jìn)行彌補，會遺傳給軋材形成異常組織，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品力學(xué)性能不合格、使用壽命低等質(zhì)量問題［1，2］。

S2鋼盤條心部由于鑄坯中心偏析的遺傳，經(jīng)過加熱開坯再軋制為盤條后，心部較重的碳偏析成為中心馬氏體團(tuán)形成的直接原因。馬氏體團(tuán)不僅易造成盤條脆斷，同時影響用戶熱處理時間。為改善S2鋼盤條心部質(zhì)量，本文通過并開展增加電磁攪拌參數(shù)和降低拉速試驗，并得出合適的連鑄工藝參數(shù)。

1 生產(chǎn)工藝和研究方法

1.1 生產(chǎn)工藝

合金工具鋼S2鋼盤條的生產(chǎn)流程為“220 mm× 260 mm連鑄坯-開坯160 mm×160 mm-軋制為Φ5.5 mm～Φ25 mm盤條”，其試驗鋼種的主要化學(xué)成分見表1。

連鑄生產(chǎn)常規(guī)工藝（原工藝）為采用弱冷，M-EMS和F-EMS電流均為100 A，拉速0.85 m/min，針對末端電攪位置在拉速0.75 m/min和0.85 m/min下采用Factsage軟件進(jìn)行中心固相率模擬，中心固相率分別為0.49和0.17，故采用兩種方案進(jìn)行對比試驗，方案1：拉速為0.85 m/min，M-EMS和F-EMS電流均為300 A；方案2：拉速0.75 m/min，M-EMS和F-EMS電流均為300 A。

1.2 研究方法

在S2鋼生產(chǎn)一個澆次中的同一流分別采用原工藝、方案1、方案2的參數(shù)進(jìn)行試驗，并各取一個長500 cm鑄坯樣，將取樣的該支鑄坯標(biāo)識，開坯后分別再取1個長300 cm軋坯樣，并取該支軋坯軋制為Φ8.0 mm盤條，鑄坯樣、軋坯樣切割和碳偏析取點如圖1所示，其中軋坯樣不進(jìn)行縱向低倍分析。評價碳偏析采用Φ5 mm的鉆頭取樣，針對橫截面碳偏析抽取1塊樣品沿中心向?qū)蔷€每隔6 mm連續(xù)取樣至邊緣，并將剩余橫向低倍樣采用5點法取樣，即中心點和1/2R位置。采用碳硫儀分析碳含量，偏析指數(shù)定義為C/C0，其中C為對角線連續(xù)取樣和橫向中心處碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，C0為1/2R位置碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。Φ8.0 mm盤條拋光后采用4%的硝酸酒精腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察中心顯微組織。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 鑄坯低倍

圖2和圖3為原工藝、方案1、方案2縱向低倍與橫向低倍照片，從圖2和圖3可以看出，原工藝和方案2連鑄坯中心存在明顯的V型偏析，原工藝中心伴隨明顯中心縮孔，縮孔最大級別達(dá)2.0級，方案2中心縮孔較原工藝有輕微改善，但中心疏松仍較明顯；方案1縱向低倍輕微輕微V型偏析，但心部致密，未發(fā)現(xiàn)中心縮孔缺陷。

2.2 偏析指數(shù)

圖4～圖7為原工藝、方案1、方案2連鑄坯、軋坯橫向低倍對角線碳偏析指數(shù)和中心碳偏析指數(shù)，從圖4～圖7可以看出，原工藝中心碳偏析指數(shù)明顯較方案1和方案2高，原工藝、方案1、方案2中心碳偏析指數(shù)平均值分別為1.22、1.12、1.18；軋坯中心碳偏析指數(shù)與連鑄坯具有明對應(yīng)關(guān)系，即原工藝較方案1和方案2高，且原工藝沿對角線取點分析碳偏析時，發(fā)現(xiàn)碳偏析指數(shù)最高點偏離中心位置。原工藝、方案1、方案2中心碳偏析指數(shù)平均值分別為1.16、1.08、1.11。

2.3 金相組織

將原工藝、方案1及方案2軋坯軋制為

Φ8 mm盤條后制成的金相樣品，在100倍下的顯微組織照片，如圖8所示，原工藝盤條中心存在明顯的馬氏體團(tuán)組織，而方案2心部馬氏體團(tuán)組織面積相對較小，方案1中馬氏體團(tuán)組織面積面積明顯最小。

2.4 分析與討論

對于鑄坯凝固過程中出現(xiàn)的中心偏析問題，根據(jù)溶質(zhì)元素析出與富集理論，鑄坯從表層到中心結(jié)晶過程中，由于鋼水中的一些溶質(zhì)元素，如碳 、磷、硫等，在固液邊界上溶解并平衡移動，從柱狀晶析出的溶質(zhì)元素排到尚未凝固的中心部位，從而形成連鑄坯中心偏析［3，4］。而通過電磁攪拌的外力作用使鑄坯內(nèi)部鋼水產(chǎn)生強(qiáng)制流動，折斷柱狀晶晶梢、抑制柱狀晶繼續(xù)生長，折斷的晶梢在液芯溶解而降低鋼液的過熱度，促使液芯溫度均勻，部分晶梢還可成為生長等軸晶區(qū)，從而減輕中心偏析程度［5，6］。合理的末端電磁攪拌的位置，目前應(yīng)用比較多的鑄坯中心固相率fs為0.1～0.2［7］。

在原工藝參數(shù)下，電磁攪拌電流較小，電磁力不足以破壞凝固過程過程中柱狀晶的增長，從而導(dǎo)致中心位置出現(xiàn)搭橋，中心形成明顯中心縮孔；方案2增大電磁攪拌電流，但末端電攪位置鑄坯中心固相率達(dá)到0.49，電攪攪拌不能發(fā)揮到作用。而方案1中末端電攪位置中心固相率0.17，同時增大電磁攪拌電流，很好的發(fā)揮電磁攪拌的作用，從而減輕鑄坯中心偏析，軋制后盤條心部馬氏體組織明顯減少。

3 結(jié)論

在S2鋼連鑄工藝參數(shù)為拉速0.85 m/min，M-EMS和F-EMS電流由100A增加到300A，連鑄坯中心碳偏析指數(shù)由1.29降至1.16，熱軋坯中心碳偏析指數(shù)由1.16降至1.08，軋制為Φ8.0 mm盤條心部馬氏體團(tuán)改善明顯。

參考文獻(xiàn)

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