电磁搅拌作用下1Cr13马氏体不锈钢凝固组织的研究

摘要

马氏体不锈钢具有强度高和耐蚀性好等特点。其中1Cr13马氏体不锈钢主要用作于制作具有较高韧性及受冲击负荷的零部件，如刃具、叶片、水压机阀、结构架、螺栓、螺帽等。但其在连铸生产中铸坯易出现中心疏松、裂纹和元素偏析等质量缺陷，严重地影响了产品质量。
　　本文针对国内某冶金企业160mm×160mm的1Cr13马氏体不锈钢小方坯连铸坯生产易产生中心偏析、中心疏松和裂纹等质量问题，在实验室开展了电磁搅拌下1Cr13马氏体不锈钢模拟浇铸实验研究。测试分析了不同电磁搅拌参数下，实验铸型内的磁场分布。开展了不同电磁搅拌起始时机、不同冷却条件、不同搅拌强度和组合电磁搅拌等条件下1Cr13马氏体不锈钢浇铸实验，制备了80×80×200 mm铸坯，通过低倍枝晶腐蚀显示、金相检验和SEM等分析，研究了电磁搅拌对1Cr13马氏体不锈钢铸坯的宏观和微观凝固组织的影响规律，探讨了电磁搅拌促进铸坯凝固补缩，打碎晶间“搭桥”，改善1Cr13马氏体不锈钢的中心偏析、疏松和裂纹的机理，获得出以下结论:
　　(1)在频率相同的条件下，实验铸型内的磁场强度随电流强度增大而增大;在铸型中心纵向截面和边缘纵向截面上，磁感应强度在中心点处最大，并且从中心向两侧方向递减;在铸型中心横截面上，中心点处的磁感应强度最小。
　　(2)通过在不同起始时机(30s、90s、150s)施加强电磁搅拌，在铸坯内获得白亮带，推算坯壳凝固厚度，可获得1Cr13马氏体不锈钢的凝固坯壳生长规律，其凝固系数为K=11.02926 mm/min1/2。而且，在缓冷条件下，电磁搅拌起始时机为30s、90s和150s时的液相区比例分别为68％、42％和25％，可分别模拟连铸的结晶器、二冷段和末端电磁搅拌阶段。在强冷条件下，电磁搅拌起始时机为30s时，液相区比例为20％，相当于末端电磁搅拌阶段;
　　(3)在缓冷条件下，钢液凝固速度较低，容易造成偏析和中心疏松;在强冷条件下，铸坯凝固速度较快，温度梯度较大，有利于柱状晶生长，铸坯中心易形成搭桥，造成中心偏析、中心疏松和晶界裂纹等缺陷;
　　(4)在12Hz频率下，随电磁搅拌电流强度的增加，铸坯等轴晶率提高;但是进一步增加电流强度，等轴晶比率提高并不明显。合理的电磁搅拌参数为12Hz，250A。采用M-EMS和F-EMS组合电磁搅拌不仅可以显著提高1Cr13钢的等轴晶比率，还能消除因过度搅拌带来的白亮带，显著改善铸坯中心区的质量。施加电磁搅拌也使1Cr13钢晶粒细小均匀，并使C、Cr元素分布更加均匀，减轻偏析;
　　(5)实验中发现，在强冷或局部强冷条件下，铸坯中心局部区域易形成晶间“搭桥”，致使其下方得不到上部钢液的补缩，以小钢锭模式凝固，形成了中心缩孔、疏松，并伴随有严重的偏析和裂纹。由此证明，连铸过程中铸坯的晶间“搭桥”是造成1Cr13马氏体不锈钢铸坯中心疏松，偏析和裂纹形成的主要原因之一。实验结果与分析表明，施加电磁搅拌能够有效打碎晶间“搭桥”，促进凝固补缩，电磁搅拌是消除和减轻1Cr13马氏体不锈钢铸坯中心缩孔、疏松和裂纹的重要手段之一。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 电磁搅拌技术概述

1．2．1 电磁搅拌技术的发展及其展望

1．2．2 电磁搅拌技术的分类及应用

1．3 马氏体不锈钢及其内部质量问题

1．3．1 马氏体不锈钢

1．3．2 马氏体不锈钢铸坯内部质量问题

1．4 电磁搅拌对凝固组织的影响的研究现状

1．4．1 电磁搅拌对宏观凝固组织的影响

1．4．2 电磁搅拌对微观凝固组织的影响

1．4．3 电磁搅拌对元素偏析的影响

1．4．4 电磁搅拌在不锈钢生产中的研究及应用

1．5 研究内容和目的

第2章 磁场分析与实验方法

2．1 磁场的测试与分析

2．1．1 磁场测试原理和方法

2．1．2 磁场测试结果

2．1．3 旋转型电磁搅拌的电磁力解析

2．2 电磁搅拌实验方法及设备

2．2．1 实验装置

2．2．2 实验过程

2．3 试样的分析及测试方法

2．3．1 铸坯低倍组织检验方法

2．3．2 枝晶腐蚀低倍检验

2．3．3 金相观察

2．3．4 SEM及EDS分析

第3章 电磁搅拌作用下1Cr13马氏体不锈钢宏观凝固组织的研究

3．1 电磁搅拌起始时机对马氏体不锈钢凝固坯壳厚度的影响

3．2 冷却强度对马氏体不锈钢宏观凝固组织的影响研究

3．3 搅拌强度对马氏体不锈钢宏观凝固组织的影响研究

3．4 组合搅拌对马氏体不锈钢宏观凝固组织的影响研究

3．5 电磁搅拌对改善铸坯内部质量的机理研究

3．5．1 电磁搅拌作用下马氏体不锈钢的补缩现象

3．5．2 电磁搅拌作用下马氏体不锈钢凝固补缩机理探讨

3．5 本章小结

第4章 电磁搅拌作用下1Cr13马氏体不锈钢微观组织和元素分布的研究

4．1 铸锭微观金相组织分析

4．2 电磁搅拌对晶粒尺寸的影响

4．3 电磁搅拌对元素分布的影响

4．3．1 电磁搅拌对元素宏观分布的影响

4．3．2 电磁搅拌对元素微观分布的影响

4．4 本章小结

第5章结论

参考文献

致谢