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N08810耐蚀合金200mm厚连铸板坯纵向裂纹形成机理的分析

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第33卷第3期 2012年6月 特殊钢 SPECIAL STEEL V0I.33.No.3 June 2012·61· N08810耐蚀合金200 mm厚连铸板坯纵向裂纹形成机理的分析 马 骏。 郑宏光 黄 坚 郭亮亮 马天军 (1上海交通大学材料科学与工程学院,上海200240;2宝山钢铁股份有限公司研究院,上海201900) 摘要 通过光学、扫描电子显微镜、能谱仪和Gleeble一3800热模拟试验机对1流立式连铸机生产的UNS N08810合金(/%:0.06C、0.45Si、0.92Mn、0.016P、0.001S、30.15Ni、19.80Cr、47.81Fe、0.33Ti、0.23A1、0.014 0N) 200 mm x 1 300 mm连铸坯的纵向裂纹进行了分析。结果表明,纵向裂纹沿粗大的柱状晶晶界向铸坯内部扩展、裂 纹深度为18—20 mm。高温塑性试验得出,当温度≥1 100℃时合金的断面收缩率急剧下降。分析表明,凝固初期 柱状晶之间连接比较薄弱,易在晶界处开裂,加上晶界处脆性相TiC的析出,造成应力集中,并使裂纹更容易延晶 界扩散,最终形成纵向裂纹。 关键词 N08810耐蚀合金连铸板坯纵向裂纹形成机理分析 An Analysis on Forming Mechanism of Longitudinal Crack of N08810 Corrosion Resistant Alloy 200 mm Thickness Casting Slab Ma Jun ,Zheng Hongguang ,Huang Jian ,Guo Liangliang and Ma Tianjun (1 School of Material science and Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240; 2 Research Institute,Baoshan Iron and Steel Co Ltd,Shanghai 201900) Abstract An analysis on longitudinal crack of 200 mm x 1 300 mm casting slab of UNS N088 10 alloy(/%:0.06C. 0.45Si.0.92Mn,0.016P,0.001S,30.15Ni,19.80Cr,47.81Fe.0.33Ti.0.23Al,0.014 0N)produced by one strand vertical continuous casting machine has been carried out by optical,scanning electron microscope,energy dispersive spec— trometer and Gleeble.3800 thermal simulation machine.Results show that the longitudinal crack extends along grain bound. ary of coarse columnar crystal towards inner casting slab.the depth of crack iS l 8—20 mm.Test of high temperature plas— ticity of alloy obtains that as temperature≥1 100 oC the reduction of area of alloy dramatically decreases.And the analysis indicates that at early period of solidification the connection between columnar dendrites iS weak.the boundary of column ̄ crystal easily cracks,in addition the brittle phase TiC deposits at grain boundary lead to stress concentration.the crack eas— ily extends along grain boundary to form the longitudinal crack finally. Material Index N08810 Corrosion Resistant Alloy,Casting Slab,Longitudinal Crack,Forming Mechanism,Analysis N08810耐蚀合金发明于2O世纪70年代,其中 约含30%的Ni、20%的Cr、Al和rri的总量约1%, 1研究方法 1.1连铸坯纵向裂纹解剖 主要应用于高温耐腐蚀环境,如油气管道、热交换 器、蒸汽动力涡轮等 ;它是耐蚀合金中应用广泛 的钢种。目前,国内外大多数厂家采用模铸、电渣重 熔工艺生产该合金;据报道,只有国外一家公司可以 实现N08810镍基耐蚀合金的连铸、热轧一火成材 的生产,质量、成本优势明显,处于领先地位 j。 2009年1月宝钢股份特钢事业部投产的合金 试样取自宝钢现场生产的N088 10合金连铸板 坯,成分见表1。中间包容量为15 t,液相线温度为 l 385 oC,浇铸过热度为20~40℃,拉速为0.4~ 1.0 m/rain,二冷区用气雾冷却,铸后空冷至室温。 利用铣床切削连铸坯宽面,每去除0.5 mm厚度,观 察裂纹缺陷并拍照。在连铸坯垂直于拉坯方向的横 截面截取试样,酸浸后观察低倍组织,以及裂纹的位 置和形貌。在裂纹处取样抛光和用王水腐蚀,然后 利用扫描电镜(SEM,日立¥4200)观察,并用能谱 仪(EDS)确定裂纹内存在的物质。 表1 N08810合金成分/% 板带生产线,主要包括1机1流200 mm X 1 300 mm 立式板坯连铸,以及炉卷轧机等。在立式连铸机生 产N08810合金的初期,由于该合金的高温塑性较 差,连铸坯出现了严重的纵向裂纹等缺 陷,直接导致板坯报废。本文通过实验 研究,探讨N08810合金连铸坯纵向裂 纹形成原因。 Table 1 Chemical composition of N08810 alloy/% 第3期 马骏等:N08810耐蚀合金200 mm厚连铸板坯纵向裂纹形成机理的分析 。63· 固时间。K值计算公式如下: 研究表明 ~ ,连铸坯纵裂纹通常源于结晶器 弯月面区初生坯壳厚度的不均匀性。在受到坯壳四 K- ( (2) 周温度不均产生的收缩力、钢水静压力、侧面的约束 式中:A一坯壳导热系数;p一坯壳密度;L-凝固潜热; 力等应力的综合作用下,在坯壳薄弱处即柱状晶晶 界可能萌生裂纹。 固相线温度;To一坯壳表面温度。 根据N088 10合金物理性能及现场经验,板坯K 综上所述,N08810合金连铸坯纵向裂纹可能是 值取在19~22,再采用立式连铸机结晶器长度、实 在结晶器初始凝固坯壳形成过程中形成的。 际拉速数值,代入公式(1)估算得到坯壳离开结晶 2.2连铸坯高温塑性试验结果和分析 器时的厚度在25~3l mm。由此可见,实际测得的 图4示出了3组高温拉伸试样断面收缩率与温 铸坯表面纵裂纹深度小于坯壳厚度。 度的关系曲线。在试验温度区间,3组试验中,横向 随着结晶器振动,初始凝固坯壳与保护渣膜之 试样的断面收缩率均大于纵向试样,而且在1 100℃ 间形成相对运动,当连铸坯纵裂发生后,少量保护渣 以上,纵向试样的断面收缩率比横向的显著下降,这 就会掉人铸坯的裂纹内部;或在刚出结晶器进入二 说明,垂直于柱状晶生长方向试样的高温塑性劣于 冷区时保护渣膜被高压水冲入裂纹内部。 平行于柱状晶生长方向。 图4温度对合金N08810断面收缩率的影响,冷却速 (oC·s。),应变速 s~:(a)20,1×10~;(b)20,1×10~;(c)3,1 x10—2 Fig.4 Effect oftemperature on reduction of area of alloy N08810,cooling rate/(℃·s一 ),strain rate/s~:(a)20,1×10~;(b) 20,1×10~;(c)3,1×10一 此外,(1)对比第1组和第2组试验,两组加热 低了70%;相应的,横向试样的高温塑性,第2组比 制度相同,应变速率不同,第2组(刍=1×10 S ) 第3组降低了15%。 的断面收缩率总体上低于第1组( =1×10 由实验结果可知,在N08810合金连铸板坯中, S ),即,随应变速率增大,试样的高温塑性降低,而 垂直于柱状晶生长方向和平行于柱状晶生长方向的 且在1 100℃以上温度区间纵向试样高温塑性下降 试样高温塑性差异显著,垂直于柱状晶生长方向试 得更快,例如:1 200 oC时纵向试样的高温塑性,第2 样的高温塑性明显较低,而且当应变速率和冷却速 组比第1组降低了90%;相应的,横向试样的高温 率变大时,高温塑性下降得更快。 塑性,第2组比第1组降低了23%。 由于N08810合金是单相奥氏体组织,连铸板 (2)对比第2组和第3组试验,两组应变速率 坯中的柱状晶比例高,中心等轴晶区比例很小,如图 相同,冷却速率不同,第2组(T=20℃/s)的断面收 1所示,柱状晶晶粒直径粗大、并排生长、几乎没有 交叉。当初始凝固坯壳受到垂直于柱状晶生长方向 缩率总体上低于第3组(T=3 qc/s)的,即,随冷却 的力的作用时,很容易在柱状晶之间产生裂纹,裂纹 速率增大,试样的高温塑性降低,且在1 100℃以上 进一步沿晶界扩展,在宏观上就表现为连铸坯的纵 温度区间纵向试样高温塑性下降得更快,例如: 向裂纹。 1 200 oC时纵向试样的高温塑性,第2组比第3组降 2.3连铸坯纵向裂纹内部析出物与开裂的关系 64· 特殊钢 第33卷 由图3(b)可见,连铸坯纵向裂纹沿着晶界开裂 和扩展,并在晶界附近出现多边形析出物。图3(b) 密集分布,使得晶粒从整体上看来像是被一层脆性 薄膜包围,薄膜将是裂纹扩展的一个低能通道,裂纹 可以沿其晶界迅速扩展,宏观上表现出沿晶裂 纹 ’m 。晶粒内部的TiC析出物则对裂纹扩展几乎 不产生影响¨ 。由于N08810合金中Ti含量较高, 而在晶界上大量析出的TiC将有损合金的高温塑 右表给出了能谱分析结果,析出物富含Ti、C,这两 种元素可以复合形成TiC,属于镍基合金中常见的 MC型化合物。同时,晶界上还富集有Ti、Cr、C元 素,推断在晶界上有TiC、Cr:。C 等析出相。 用JMatPro软件计算的N08810相图,见图5可 知,N08810合金中的TiC(即MC型析出物)在1 220 ℃左右开始出现,Cr: C (即M: C 型析出物)在800 cC左右形成。可认为,初始结晶器凝固坯壳中先形 成TiC,而Cr2 C 主要在二冷段连铸坯完全凝固后形 成的,在结晶器凝固坯壳中很少或几乎没有Cr∞C 。 有研究表明E 8 3,TiC是一种脆性相,当在晶界形 成大尺寸的TiC薄膜时,由于这些相在晶粒界面上 图5 N08810合金平衡相图 Fig.5 Equilibrium phase diagram of N08810 alloy 参考文献 l Dehmolaei R.Shamanian M.Microstructural Changes and Mechanical Properties ofIncoloy 800 After】5 Years Service.Materials Character. ization,2009,60(3):246 2 Shailesh J P.A Century of Discoveries.Inventors.and New Nickel A1. 1oys.The Journal of the Minerlas.Metal&Materials Society.2006,58 (9):l8 3张兴中,那贤昭,王忠英,等.圆坯方坯凝固定律的导出和验证.金 属学报,2004,40(3):281 4蔡开科.连铸坯表面裂纹的控制.鞍钢技术,2004(3):1 5 Brimacombe J,Sorimachi K.Crack Formation in the Continuous Cast. ing of Stee1.Metallurgical and Materials Transactions,1977,8(2): 489 6 Shin H J.Kim S H,Thomas B G.et a1.Measurement and Prediction of Lubrication.Powder Consumption.and Oscillation Mark Profiles in U1. tra.1ow Carbon Steel Slabs.ISIJ International,2006,46(11):1635 7 Kanbe Y,Ishii T,Todoroki H,et a1.Prevention of Longitudinal Cracks in a Continuously Cast Slab of Fe.Cr.Ni Superalloy Containing Al and Ti.International JoumaI ofCast Metals Research,2009,22(1-4):143 8陈国胜,金鑫,周奠华,等 硼含量对镍基合金GH4049晶界析 出相和高温性能的影响.金属学报,2005,41(6):622 性 ” ,因此,连铸坯初始凝固坯壳中形成的裂纹 很容易沿晶界扩展,从而形成宏观裂纹。 综上所述,由于N08810合金组织是单相奥氏 体,在连铸坯中容易形成以粗大的柱状晶为主的凝 固组织。特别在初始凝固阶段,因坯壳温度较高、粗 大的柱状晶之间连接比较薄弱,在受到垂直于柱状 晶生长方向应力的作用时,初始凝固坯壳中容易形 成裂纹,然后裂纹沿柱状晶晶界扩展,形成小的纵向 裂纹。由于该合金含有较高含量的Ti,在晶界上大 量析出的TiC损害合金的高温塑性,这就为裂纹进 步扩展提供了一个通道,从而形成宏观上的纵向 裂纹。 3结论 (1)N08810合金连铸坯凝固组织是单相奥氏 体,主要以粗大的柱状晶为主的。初始凝固阶段时 坯壳温度较高,粗大的柱状晶之间连接比较薄弱,在 受到垂直于柱状晶生长方向应力的作用下,首先在 柱状晶晶界处形成裂纹。 (2)由于N08810合金Ti含量较高,脆性相TiC 在晶界上析出,提供了一个裂纹进一步沿着薄弱的 柱状晶晶界扩展的通道,使得裂纹更容易扩展,最终 形成宏观上纵向裂纹。 9郭建亭,张金岩,黄荣芳,等.GH135合金的晶界沉淀相与冲击韧 性和缺口敏感性的关系.金属学报,】985,21(6):413 l0乔雪璎,王延庆,蒙肇斌,等.碳含量对GH4199合金拉伸、持久 性能及组织的影响.材料与冶金学报,2004,3(1):62 11成国光,朱晓霞,彭岩峰,等.洁净钢氮化钛凝固细化技术的基 础.北京科技大学学报,2002,24(3):273 12 Abushosha R,Vipond R.Influence of Titanium on Hot Ductility of as Cast Steels.Materials Science and Technology,1991,7(7):613 13 Luo H,Zhao P.Influence of Excess Titanium on Hot Ductility of C- Mn-Cr·A1 Stee1.Materials Science and Technology,2001,17(12): 】589 马 骏(1987一),男,硕士研究生,镍基耐蚀合金连铸工艺和 性能。 收稿日期:2011—11—17 

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