双辊铸轧不锈钢薄带开裂机制分析

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1、双辊铸轧不锈钢薄带开裂机制分析关小霞，王贤杰，胡宏彦，刘佳，杨庆祥*燕山大学材料科学与工程学院，河北秦皇岛066004摘要：本文采用金相显微镜和扫描电子显微镜(SEM)对双辊铸轧304不锈钢薄带裂纹及组织特征进行了观察，并结合能谱仪(EDS)对微区成分和夹杂物进行了分析。结果表明，铸轧薄带上的裂纹在薄带表面凹痕处产生，并沿柱状晶晶界向内部扩展，终止于柱状晶与心部等轴晶交界处；在柱状晶区内存大量缩孔和夹杂，在铸轧机械应力和热应力的共同作用下，破坏了材料的连续性；铸轧裂纹断面存在氧化现象，说明铸轧裂纹在铸轧凝固的高温

2、阶段生成。关键字：304不锈钢；双辊铸轧；开裂0引言双辊铸轧不锈钢薄带技术是目前冶金及材料领域的前沿技术之一[1]，是直接用钢水制成2-5mm厚薄带的工艺过程。该技术可以大大简化薄带钢的生产流程，降低生产成本，并形成低偏析、超细化的凝固组织，从而使带材具有良好的性能，被公认为钢铁工业的革命性技术[2]。但是，不锈钢经铸轧后，薄带表面会形成宏观的裂纹，从而降低不锈钢薄带的力学性能，影响其质量[3]。对于双辊铸轧不锈钢开裂的原因主要有两种，一是熔池的液面波动、冷钢和铸辊的表面缺陷等因素导致的铸带表面凝固速度不一致而产

3、生横向裂纹[4]；二是与传统连铸相比，双辊铸轧不锈钢薄带中非金属夹杂物的数量明显增多[5、6]，大的温度梯度导致的内应力和应力集中是双辊铸轧不锈钢开裂的根本原因，在轧制力的作用下,高温夹杂物破碎形成空隙并扩展形成裂纹[3]。本文对铸轧开裂方式和夹杂物的类型进行了研究，阐明其裂纹生成机理，为提高双辊铸轧不锈钢薄带抗开裂性能奠定基础。1试验材料及试验方法1.1试验材料实验用材料为AISI304奥氏体不锈钢，其化学成分如表1所示。1.2试验方法1.2.1304不锈钢薄带的铸轧及实验取样双辊铸轧试验工艺流程：电弧炉熔炼钢

4、水→钢包座架→中间包→布流器→结晶辊熔池→弧形出带装置→带钢检测系统→活套→夹送辊→(热轧机)→控冷系统→飞剪→卷曲机。本实验结晶辊为铜辊，从结晶辊铸轧出的薄带钢厚度为2.0mm，未经轧制变形，经层流冷却后进入卷曲机。对存在裂纹的薄带，利用电火花切割在裂纹处进行取样，以进行后续的实验分析和裂纹形貌观察。表1304不锈钢的化学成分Table1Chemicalcompositionsof304stainlesssteel元素质量分数w(%)CSiMnPSCrNiMo0.060.71.20.030.0141880.18

5、1.2.2金相显微组织及裂纹形貌分析304不锈钢试样经磨削、抛光好之后，用王水腐蚀约2min，用清水冲洗，再用酒精清洗并吹干，最后在带有CCD图像采集系统的XJG-05金相显微镜上进行图像采集。对薄带中存在裂纹部位进行取样，分别对上表面、侧面和内部等部位的裂纹形貌以及裂纹附近组织进行观察，同时对薄带从表面到心部不同部位进行组织观察，以确定其凝固过程。利用KYKY-2800扫描电子显微镜对断口及裂纹部位进行形貌观察，对夹杂物进行能谱分析和形貌观察，以确定夹杂物类型。2实验结果分析2.1薄带裂纹形貌的金相观察75μm

6、(b)(a)150μm(c)30μm图1薄带表面裂纹形貌Fig.1surfacecrackofcastingstrip(a)表面裂纹全貌(b)多条平行裂纹(c)裂纹尖端钝化经宏观观察，本次铸轧实验得到的薄带表面出现了明显的裂纹，在1200mm板宽范围内，横向裂纹长度最长达140mm，而且裂纹往往是在薄带表面的凹痕处产生的。上表面裂纹微观形貌如图1所示，从图中可以看出，薄带表面存在着尺寸较大的裂纹，裂纹的宽度可接近于100μm(如图1(a)所示)；对裂纹形貌进一步放大，见图1(b)，可以看到三条裂纹，其扩展过程都不

7、是按直线前进，而是沿曲线扩展的；再进一步放大观察，如图1(c)所示，铸轧过程中裂纹扩展为沿晶开裂扩展，即裂纹沿着树枝晶晶间扩展。侧表面裂纹微观形貌如图2所示，可以看出304不锈钢经铸轧后，薄带沿厚度方向依次为表面细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区，裂纹是在表面形成后，向内部扩展，裂纹终止于柱状晶和等轴晶的交界处。柱状晶区中心等轴晶区表面细晶区150μm图2薄带侧面裂纹形貌及组织Fig.4Lateralfacecrackandmicrostructureofcastingstrip(a)30μm(b)30μm图3薄带内

8、部裂纹形貌Fig.3Interiorcrackofcastingstrip(a)近表面裂纹(b)近心部裂纹将薄带切开后，内部裂纹形貌如图3所示。从图中可以看出，近表面处存在着粗大的裂纹，而且裂纹沿着柱状晶晶界向内部扩展，如图3(a)所示。同时在柱状晶晶间，近心部位置存在着大量的缩孔及微裂纹，见图3(b)。在柱状晶垂直于表面向心部长大的过程中，由于凝固速度较快，液态金属流动