高锰高铝钢凝固组织的实验研究

朱晓雷 ，王爽 ，孔令种 ，吴世龙 ，廖相巍

（1.鞍钢集团钢铁研究院海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁 鞍山114009；2.东北大学，辽宁 沈阳 110819；3.鞍钢股份有限公司炼钢总厂，辽宁 鞍山 114021）

近年来，随着对高锰高铝钢研究的不断深入，该钢种表现出优异的力学性能，使其在汽车制造、海洋工程以及军工等领域具有良好的应用前景。尤其在汽车用钢领域，高锰高铝钢满足人们对汽车轻量化、环境友好和安全性能的要求，已经成为研究的热点[1]。虽然人们对高锰高铝钢进行了大量的研究，但是这些研究成果的关注点多是集中在高锰高铝钢的变形机理和进一步提高其力学性能方面，而对于如何实现高锰高铝钢的高效化冶炼却鲜有涉及。

连铸技术是实现钢种高效化生产的关键手段，在世界范围内，连铸比已达 90%以上[2]，有些国家甚至已实现钢种生产的全连铸。然而，目前对于高锰高铝钢工业化稳定连铸生产的研究还未见报道，其相关的技术及理论尚待研究。基于这种情况，在实验室条件下研究了高锰高铝钢的铸态组织，并测定了其热塑性曲线和热强性曲线，以期为将来高锰高铝钢连铸技术参数的制定提供方向和理论支持。

1 实验

1.1 材料准备

采用200 kg真空感应炉进行实验钢的冶炼。真空系统采用两级真空泵，过程压力10～40 Pa。首先，通电熔化工业纯铁，通过观察孔观察其熔化状态，熔化后吹入0.05 MPa的氩气（为了防止加入锰合金汽化）。此后进行合金化，加入锰铁合金和铝线段，摇炉使合金熔化，出钢（真空浇铸），模铸（铸锭尺寸为 150 mm×150 mm×800 mm）。 实验选取了3种不同成分的高锰高铝钢，其成分见表1。

表1 实验钢种成分（质量分数） %

1.2 取样与检测方案

取样方法：纵向剖开铸锭，在其中的半个钢锭取纵向低倍试样；将另一半沿纵向平均分成4份，可从中切取3块横向低倍试样。钢锭低倍检测取样位置示意图见图1，图中标有 “△”的为试样加工面，磨光后进行低倍分析，带有斜线的面表示试样的厚度面，通过酸浸，得到铸锭的低倍组织。

采用Gleeble-3800热模拟试验机测定了实验钢种的热塑性和热强性曲线。本次实验在1#、2#和3#钢锭中部上都取长度100 mm，直径10 mm的钢棒，分别放入Gleeble-3800热模拟试验机里，在相同条件下，将温度设置为700～1 300℃进行拉伸实验。

图1 钢锭低倍检测取样位置示意图

2 实验结果与讨论

2.1 低倍组织形貌

图2为3种高锰高铝钢的纵向低倍组织照片。由图2（a）可清晰地看出，1#钢的柱状晶特别发达，晶体尺寸也十分粗大。这种发达的柱状晶组织会严重降低铸坯的强度和韧性，若使用连铸机进行浇注，在铸坯矫直过程中非常容易产生裂纹，这也是高锰高铝钢连铸困难的重要原因之一。即使连铸坯不因粗大的柱状晶而产生裂纹，但这种具有＜001＞晶体学取向的柱状晶，在后续轧制过程中会形成{001}＜110＞和{112}＜110＞织构，退火也很难使该织构发生扭转。在钢的成形过程中该织构形变能力与其它晶体学织构差异大，在制品表面会出现凸凹不平的缺陷。

1#钢柱状晶粗大很大程度上是由于其特殊的热物性参数。根据文献[3]报道，高锰高铝钢的导热系数较低，这就导致了钢液凝固过程中传热困难，热流在液相和固相中蓄积，有利于晶体的长大。另外，由于热流也在液相中蓄积，引起钢液过冷度降低，造成凝固过程中形核困难。这两方面都有利于柱状晶的长大，导致如图2（a）所示粗大柱状晶的出现。因此，在使用连铸机浇注高锰高铝钢时，抑制柱状晶长大、增加等轴晶率非常关键。建议采用低过热度浇注，并加强电磁搅拌。

图2 高锰高铝钢纵向低倍组织

然而，随着钢中Al含量的增加，柱状晶的比例降低，其尺寸也减小，如图 2（b）和图 2（c）所示，相对于1#钢，2#和3#钢柱状晶区的比例明显降低，晶体尺寸也大幅度降低。钢中Al含量对凝固组织的这种影响也许能够从堆垛层错能的角度来解释。由文献[4]研究结果可知，随着高锰高铝钢中Al含量的增加，其层错能也随之增加。层错能增加到一定程度后，粗大的柱状晶就变得不再稳定，分解成为若干个尺寸较小的晶体，这些细小的晶体会成为新的晶核，从而形成了如图2（b）和图2（c）所示的组织。当然这种解释尚需通过更为深入的研究进行验证，但是通过实验结果可以确认，增加钢中Al含量能够起到减小铸态组织晶体尺寸并强化铸坯组织性能的作用。另外，图3所示的高锰高铝钢横向低倍组织也验证了这一推断。

图3 高锰高铝钢横向低倍组织

2.2 高温热塑性

根据 Mintz[5]等人的研究结果，钢液在凝固过程中存在3个脆性温度区，第一脆性温度区为钢液熔点至1 200℃，第二脆性温度区为1 200～900℃，第三脆性温度区为900～600℃。由经验可知，Al的加入使钢的高温低塑性区向高温区域偏移，断面收缩率在40%以下说明该钢种的高温塑性不好。图4为高锰高铝钢热塑性和热强性曲线。3种高锰高铝钢的热塑性曲线见图4（a）。由图4（a）可以看出，在1 100℃以上的高温区，3#钢种总体的高温热塑性较好，但其在1 100℃明显存在脆性区。1#、2#钢种总体塑性较差，在连铸过程中极易在铸坯表面产生裂纹。因此这3个钢种在连铸过程中应采用弱冷制度，以保证铸坯表面质量满足要求。由图4（b）所示的高温热强性曲线可知，最大力值随着温度的下降而上升，对比发现，3#钢种高温热强性最好，1#钢种高温热强性最差，说明在相同条件下，3#钢种汽车钢板抵抗塑性变形和破坏的能力较强，而1#钢种则较差。

2.3 微观金相组织

采用4%硝酸酒精腐蚀剂对1#、2#钢种腐蚀，时间为2.5 min,观察其100倍金相组织如图5所示（由于机加工的原因，3#未切出金相试样）。从图5可以看出，1#、2#钢的组织都是奥氏体。奥氏体塑性很好，强度较低，具有一定韧性，不具有铁磁性，奥氏体因为是面心立方，四面体间隙较大，可以容纳更多的碳，符合第四代轻质汽车钢板材的微观要求。另外，从图5中还可以看出，1#钢奥氏体组织尺寸明显大于2#钢，而且在1#钢奥氏体组织中有铁素体析出，这种从奥氏体中析出的铁素体对钢的强度和韧性影响很大，尤其是在晶界析出的铁素体会诱发沿晶裂纹的出现，导致钢的热塑性降低，这也很好地解释了图4中，2#钢的热塑性优于1#钢。

图4 高锰高铝钢热塑性和热强性曲线

图5 高锰高铝钢金相组织

3 结论

在实验室条件下，采用真空感应炉冶炼3种不同成分的高锰高铝钢，通过分析其低倍组织、测定热塑性、热强性曲线和观察金相组织，得到以下结论：

（1）高锰高铝钢的柱状晶组织比较发达，其晶体尺寸也较粗大。随着钢中Al含量的增加，柱状组织所占比例减小，晶体尺寸也随之减小。

（2）随着钢中Al含量的增加，钢的热塑性有所改善。

（3）高锰高铝钢几乎为全奥氏体组织，但在凝固过程中会有少量的铁素体析出，并且在晶界析出的铁素体会严重影响钢的热塑性，是诱发连铸坯角部裂纹的主要原因之一。

[1] 赵培峰,国秀花,宋克兴.高锰钢的研究与应用进展[J].材料开发与应用,2008（4）:85-88.

[2] 朱苗勇.现代冶金工艺学[M].冶金工业出版社,2011.

[3]杨健.宝钢中高锰钢连铸技术基础研究[C]∥第十八届（2014年）全国炼钢学术会议论文集.北京：中国金属学会，2014.

[4] Chen Liqing,Zhao Yang,Qin Xiaomei.Some Aspects of High Manganese Twinning-Induced Plasticity Steel,A Review [J].Acta Metallurgica Sinica（English Letters）,2013,26（1）:1-15.

[5] Mintz B,Yue S,Jonas J J.Hot ductility of steels and its relationship to the problem of transverse cracking during continuous casting [J].International Materials Reviews,1991,36（1）:187-220.