硼微合金化钢铸坯角部横裂纹形成机理及控制研究

摘要

硼能显著提高钢的淬透性,热处理后获得良好的机械性能,然而硼微合金化钢连铸坯角横裂却是个世界性难题。本课题以天津钢铁集团4＃板坯连铸机实际生产情况为背景,致力于硼微合金化钢角部横裂纹缺陷的研究。在实验室试验中研究了硼微合金化钢的裂纹机理,制定优化方案,在工业大生产中成功将裂纹率控制在1％以内。本文通过研究及分析得到以下主要结论:
　　利用 Gleeble-3800热模拟机对典型硼微合金化钢的高温力学性能进行了测试,以断面收缩率60%为判据,Q235B-2B和PSS400-2B的第三脆性温度区间分别为770℃~1020℃、720℃~920℃;45C-B的第三脆性温度区间为600℃~1020℃。钢的最低塑性温度点处于800℃~850℃范围内,断面收缩率均低于30%,连铸矫直段应避开此温度区间。将试样在高温下保温不同时间促进析出,结果表明:随保温时间延长,钢的断面收缩率减小,即钢中第二相粒子的析出恶化了钢的热塑性。
　　通过热力学对钢中主要第二相粒子的析出规律进行了分析,结果显示:凝固过程中硼微合金化钢中第二相粒子析出顺序为 MnS>BN>AlN,BN的析出温度高,可以抑制钢中AlN的析出,当达到Ac3温度时,钢中大部分B元素都与N元素结合,生成BN。利用俄歇能谱对硼微合金化钢组织进行微区分析,发现晶界处硼的偏聚程度超过300倍,部分区域的硼原子百分数可达到38.65%。高温淬火试验发现钢中有大量MnS和BN+MnS复合析出,这些颗粒均呈球状,BN+MnS复合析出的尺寸在2μm左右,在晶界晶内均有分布,并且存在BN以MnS为核心长大的现象。通过对热模拟拉断试样进行扫描电镜观察,发现钢中BN+MnS复合析出由于受到拉应力作用,开始发生变形并分离。通过以上研究,得出硼微合金化钢脆性机理包括两个方面:
　　①由于硼的极强的晶界偏聚特性使 BN在晶界大量析出,脆化了晶界;
　　②BN和 MnS形成复合析出,当受到拉应力作用,由于 MnS为延性析出,开始发生变形并与BN分离,形成了空洞,这些空洞聚集变产生了裂纹。
　　在天钢原有的 BOF-LF-CC流程基础上,采用先用铝脱氧后用钛固氮的原则对硼微合金化钢进行工业优化试验,将Ti的含量控制在150~250ppm,优化振动参数,成功降低了裂纹率,有效的解决了铸坯表面质量问题。加了钛后,钢中存在大量100nm左右细小的Ti(C、N)颗粒,没有发现BN析出,说明向钢中添加钛元素确实能够抑制BN的析出,从而改善铸坯质量。

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第一章 绪论

1.1 连铸板坯缺陷分类及形成原因

1.2 硼在钢中存在形式及作用

1.3 硼微合金化钢裂纹敏感性及控制措施

1.4 钢的高温力学性能

1.5 选题背景与意义

1.6 研究内容及方案

第二章 典型裂纹分析

2.1 角部横裂纹形貌

2.2 取样分析

2.3 扫描电镜分析

2.4 本章小结

第三章 高温力学性能研究

3.1 试样制备

3.2 试验方案

3.3 试验结果

3.4 断口形貌分析

3.5 微裂纹形貌分析

3.6 本章小结

第四章 连铸过程中第二相粒子的析出规律及B的偏聚研究

4.1 AlN、BN开始析出温度随成分变化关系

4.2 无B条件下AlN的析出

4.3 不同成分条件下AlN与BN的竞相析出

4.4 MnS析出的热力学分析

4.5 晶界硼偏聚研究

4.6 本章小结

第五章 热履历对高温塑性影响及裂纹机理研究

5.1 不同热履历对高温塑性影响

5.2 淬火试验

5.3 热模拟试样中析出物分析

5.4 本章小结

第六章 工业优化实验

6.1 优化方案

6.2 试验情况

6.3 试验结果

6.4 本章小结

第七章 结 论

参 考 文 献

附录

致谢

攻读学位期间的研究成果