电渣重熔冶炼钢裂纹缺陷分析研究

     某厂采用电渣重熔试制高锰TWIP 钢，在试制后发现电渣铸锭存在大小不一的裂纹，靠近铸锭中心部位裂纹严重，裂纹粗大而且延伸较长，而越往边部裂纹减轻，多是细小裂纹。这些裂纹极大的影响了铸锭的质量，在后续的锻压过程中，铸锭因为裂纹大幅延展直接开裂，造成生产损失。

    为了弄清裂纹产生的原因，以便有针对性改进生产工艺，生产合格的TWIP 钢铸锭，对铸锭进行了切割取样。切割取样方案见图2所示，切割部分既有严重裂纹的铸锭中心区域，也有裂纹较为轻微的边部区域，主要沿裂纹延伸方向取样进行分析。

2.1 宏观裂纹观察

   由图1可见靠近中心部位出现的严重裂纹，裂纹粗大而且具有一定延伸长度，这类裂纹破坏性大，是产品不合格的主要原因。按照图2的取样方案切样后，用7% 的硝酸进行冷酸侵蚀，观察铸态组织发现铸锭中心处形成大量粗大的等轴晶，还发现有少量缩孔与疏松，铸锭边部晶粒细小，更加边缘部位则是小范围的细晶区。

     侵蚀过后的铸态组织表明，铸锭的凝固过程主要以糊状凝固的方式进行，在中心部位形成大量的粗大等轴晶，这种糊状凝固方式容易导致中心疏松与缩孔，在凝固过程一旦任何局部得不到别处液相的补充，凝固收缩就会以疏松的形式存在于凝固组织中，在锻造的过程中受力后很容易断裂。

   高锰TWIP 钢的导热差，导热率不到中碳钢的1/2，因此钢液凝固过程缓慢，晶粒容易变得粗大，如果在最后凝固阶段补缩不完全，容易形成疏松、缩孔等缺陷。其次，高锰TWIP 钢由于固液相线温度区间大，而且凝固线收缩大，容易形成热裂纹。此外，该试制的电渣重熔铸锭的锭型偏大，所以糊状凝固的范围较广，加剧了铸锭中心局部区域液态钢水难以补充，这也是容易形成内部疏松和裂纹缺陷的重要原因。

2.2 扫描电镜与能谱仪分析

      沿裂纹延伸方向取样后制样，在扫描电镜下进行观察。发现随着裂纹从上部向下部延伸，裂纹程度逐渐减轻，到最后裂纹现象消失，基体内部质量变得均匀，而且大型夹杂物数量显著减少。根据该样品中的裂纹形貌可以分成三类：纵深粗大裂纹，延伸性裂纹，非明显性裂纹。其中纵深粗大裂纹出现在铸锭表层20mm 以内，裂纹宽度在50um 到200um 不等，裂纹长度通常达到5mm以上，对铸锭质量危害非常大。延伸性裂纹一般在铸锭表层20mm 以下，裂纹宽度在10um到50um之间，裂纹延伸的长度一般在150um 以内，裂纹里面可见大量的夹杂物，这类裂纹一旦受到机械应力，容易继续扩展导致材料失效。还有一种是非明显性裂纹，一般在铸锭50mm 以下发现，裂纹较为细小，宽度不超过5um，长度不超过50um，相对前面两种裂纹，危害会小很多。

       通过扫描电镜结合能谱仪分析，发现样品中无论是纵深粗大裂纹、延伸性裂纹，还是非明显性裂纹中都含有大量的氧化铝夹杂物以及锰、硅元素的氧化物等，见图3（a）（b）（c），而且还发现Ca、Ti 元素出现，这意味着钢液存在夹渣现象。在纵深粗大裂纹和延伸性裂纹中存在大量30um 以上的氧化铝夹杂物，这些脆性夹杂物对钢材基体危害大，容易成为裂纹产生的源头，一旦不断延伸长大，将会直接造成材料断裂。这些严重的裂纹与大型夹杂物有着密切的关系，主要是电渣重熔冶炼工艺不当造成的。通过图3（d）可知钢中同样存在一些尺寸小于10um 的AlN 夹杂物，这些夹杂物在铸锭内部都有发现，属于内生夹杂物。这些夹杂物与钢中现存的裂纹没有直接的关系，但是不排除少数大尺寸夹杂物成为裂纹源头的可能。一般而言，这类夹杂物如果尺寸小于3um，可以认为对钢材的危害很小。

     经过以上分析表明，该TWIP 钢出现裂纹主要原因是原电渣重熔工艺并不适合冶炼TWIP 钢，不仅造成铸锭中心部位晶粒粗大，存在一定的疏松与缩孔，而且还带来大量的氧化铝夹杂物以及夹渣，导致了严重的裂纹现象。

3

优化措施及效果

     根据裂纹产生的原因，优化TWIP钢电渣重熔冶炼工艺，主要采取的措施是①降低电渣重熔冶炼过程的熔速，使金属熔池保持合理形状。只有金属熔池保持合理的形状，才能使凝固过程自下而上随着凝固前沿顺序凝固，形成无外来夹渣、组织致密的铸态组织结构。熔速对形成合理的铸态组织结构十分重要，因为随着熔速的增加，熔池的深度也会增加，使钢锭沿着径向结晶的趋势增加，在TWIP 钢导热系数小的影响下，凝固时间增加容易形成糊状凝固，大幅增加了疏松、偏析与夹杂物等缺陷产生的可能。所以，采取降低熔速的方法保证合理的熔池形状是十分必要的。②调整渣系成分，使渣系适合高锰TWIP钢冶炼。渣系的导热系数和粘度同样会影响金属熔池的形状，导热系数大、粘度小的渣系容易形成较深的熔池，增加径向导热倾向。而且渣系的粘度过低容易在钢水波动幅度较大时，增加卷渣的几率。所以通过调整渣中氟化钙、氧化铝和氧化钙比例的方式降低导热系数与粘度，形成较浅的金属熔池结构，有利于得到合理的铸态组织。③采用多级补缩工艺，重视最后阶段的补缩质量。疏松与缩孔缺陷的形成与补缩环节有直接的关系，补缩工艺不合理会导致凝固过程发生体积收缩，由于得不到液态钢水补充形成缩孔。或者是较大凝固区域内先凝固出的固相把液相隔离成互不相通的小熔池，最后得不到液体补充形成疏松。采用多级补缩工艺，根据钢种特性梯级降低冶炼电流强度，有利于钢水补缩，形成致密的铸态组织。④采用保护性气氛冶炼，有利于减少钢中夹杂物数量。通过保护性气氛冶炼，隔绝了空气，减少了冶炼过程向钢中传递氧含量与氮含量的可能，有利于减少钢中氧化物夹杂与氮化物夹杂。

采用以上措施对生产工艺进行优化后，再次进行TWIP钢的工业试制，成功生产出内部质量均匀，表面质量良好的合格TWIP钢铸锭。

（2）该TWIP 钢铸锭试制过程出现的裂纹形态可以分成三类：纵深粗大裂纹，延伸性裂纹，非明显性裂纹。裂纹中含有大量氧化铝夹杂物，还伴有夹渣，这对钢的基体造成严重危害，受力作用下容易造成材料断裂。

（3）通过采取降低熔速、调整渣系、多级补缩工艺以及保护性气氛冶炼的措施对生产工艺进行优化，成功生产出内部质量均匀，表面质量良好的合格TWIP钢铸锭。

参考文献

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[3] 杨永刚, 米振莉, 江海涛, 等. 析出强化与孪晶强化在Fe-24Mn-3Si-3AlTWIP 钢退火过程中的作用机制[J]. 北京科技大学学报,2017,39(6):854-858.