稀有金属 2006,(S1),68-71 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.s1.017
双辊铸轧高磷铜钢薄带的偏析行为及对力学性能的影响
李娜 邱以清 刘振宇 刘相华 王国栋
东北大学材料与冶金学院东北大学轧制与连轧自动化国家重点实验室,东北大学材料与冶金学院东北大学轧制与连轧自动化国家重点实验室,东北大学材料与冶金学院东北大学轧制与连轧自动化国家重点实验室,东北大学材料与冶金学院东北大学轧制与连轧自动化国家重点实验室,东北大学材料与冶金学院东北大学轧制与连轧自动化国家重点实验室,东北大学材料与冶金学院东北大学轧制与连轧自动化国家重点实验室 辽宁沈阳110004,辽宁沈阳110004,辽宁沈阳110004,辽宁沈阳110004,辽宁沈阳110004,辽宁沈阳110004
摘 要：
双辊薄带铸轧是一种具有广泛应用前景的生产方式。采用薄带铸轧技术可以实现节约能源消耗、简化生产流程、提高资源利用率、利用铸轧的快速冷却特点开发新的结构材料等目的。本文对采用铸轧技术生产高磷、铜钢薄带的可行性进行了探讨。对铸轧高磷铜钢薄带力学性能的检测结果表明, 在磷含量为0.1% (质量分数, 后同) , 铜含量为0.3%时, 屈服强度和抗拉强度可分别达到290和400 MPa, 延伸率为19%。对铸轧和铸轧后退火+冷轧+退火处理的薄带进行的研究表明, 磷含量为0.1%以上时, 在薄带中开始出现明显P的偏析, 而铜含量达到1.5%时仍未出现明显的偏析现象。由此可见, 采用双辊铸轧生产方式不仅可以抑制钢中有害元素如磷和铜的偏析, 同时还提高材料的力学性能, 起到变废为宝的作用。
关键词：
双辊铸轧 ;高磷铜钢 ;成分偏析 ;力学性能 ;
中图分类号： TG338
作者简介： 刘振宇 (E-mail: zyliu@mail.neu.edu.cn) ;
收稿日期： 2006-06-27
基金： 国家重点基础研究发展规划 (973) 项目 (2004CB619108) 资助;
Phosphorus Segregation and Effect on Mechanical Properties of Twin Roll Strip Cast High P and Cu Steels
Abstract：
Twin roll strip casting has a bright future in iron and steel industries because of its features of energy saving, process simplification, effective improvement of resource′s utilization.The possibility of manufacturing weathering steel strips by twin roll strip casting was explored.It was found that the strip with P-0.1% and Cu-0.5% possesses good mechanical properties of a yielding strength of 290 MPa, a tensile strength of 400 MPa and an elongation of nearly 20%.For the strips containing more than 0.1% P, micro-and marco-segregations of P were clearly observed, while Cu segregations were not seen even though the content of Cu was up to 1.5%.It can be concluded that segregations of tramp elements such as P and Cu can be prevented due to the high cooling rate during twin roll strip casting, which may turn the adverse effects of these elements into positive.
Keyword：
twin roll strip casting;high P and Cu steel;segregation;mechanical properties;
Received： 2006-06-27
钢铁材料由于价格与性能的优势决定了它是当今世界中应用最广泛的材料, 然而钢铁工业的发展与可持续发展和环境保护是一个非常重要的问题。 钢铁资源的回收利用是解决以上问题的最好方法, 使钢铁工业成为一个绿色的产业, 消化在经济循环中产生各种的废钢铁, 特别是其中含有大量的有害杂质元素例如磷、 铜、 锡等。 有害元素磷、 铜在晶界的偏析对力学性能有很大的负面影响, 特别是磷的偏析, 而且磷在铁素体与奥氏体中的扩散速度很低, 很难用热处理的方法消除。 为了减少钢中的有害元素对钢铁材料性能的影响, 传统的解决方法是减少钢中的有害元素或采用添加合金元素方法, 这样就使钢铁在熔炼时成本增加。
薄带辊铸轧生产方式是 在1856年英国人Bessemer H提出的。 它是以旋转的轧辊作为结晶器, 由钢水直接浇铸出带钢的成型方式。 铸轧辊通过内部流动的冷却水使钢水快速冷却, 在很短的时间内完成钢液由液态转变成固态薄带过程
[1 ]
。 通过铸轧的快速冷却速度 (102-3 K·s-1 ) 可以减少杂质元素磷、 铜在晶界的偏析, 使其最大限度固溶到基体之中
[2 ]
。
Umezawa等分析低碳钢中含高的磷或铜杂质元素在快速冷却条件下时, 磷的偏析与铜的硫化物影响、 铸轧等的特点
[3 ,4 ,5 ,6 ,7 ,8 ,9 ,10 ]
。 在本论文中, 主要探讨了采用双辊轧方法生产高磷、 铜钢薄带的可行性, 分析了铸轧薄带的磷、 铜偏析行为及对力学特性的影响。
1 实 验
铸轧材料成分见表1。
2 结果与讨论
图1示出具有不同磷、 铜含量铸轧薄带的金相照片。 通过比较发现, 在铜含量不变的条件下, 磷含量增加有细化晶粒的作用。 磷含量由0.008%增加到为0.1%时, 铁素体晶粒尺寸明显减小; 而当含磷量继续增加时, 磷对细化铁素体晶粒作用减弱。 因此, 磷含量在一定程度上有细化晶粒作用。
表1 铸轧材料成分 (%, 质量分数) Table 1 Compositions of as-cast strips
成分
C
Mn
Si
P
Cu
Al
S
P1
0.160
0.623
0.133
0.008
0.303
0.007
0.040
P2
0.158
0.607
0.140
0.100
0.301
0.009
0.042
P3
0.160
0.599
0.157
0.280
0.300
0.004
0.040
P4
0.156
0.630
0.143
0.520
0.312
0.009
0.039
P5
0.162
0.605
0.130
0.680
0.300
0.006
0.040
图2示出了经过退火+冷轧+退火处理的薄带显微组织的金相照片。 可以看出, 与铸轧态显微组织相比, 晶粒长大了许多, 特别是在P5 (P-0.7%) 试样边部的晶粒很明显比中心的大。 对比P1与P2试样发现, 经过退火+冷轧+退火处理后的P1 (P-0.01%) 试样的晶粒尺寸反而小于P2 (P-0.1%) 试样的晶粒尺寸。 因此, 磷在退火过程中起到了促进再结晶后晶粒长大的作用。
对磷含量沿薄带厚度方向上的分析表明 (图3 (a) 和 (b) ) , 铸轧高磷、 铜钢薄带经过退火+冷轧+退火处理后, 铸轧状态下的偏析特点保持不变。 证明磷在钢中铁素体与奥氏体中的扩散速度很慢,
图1 铸轧的微观组织 (a) P1 (P-0.01%) , (b) P2 (P-0.1%) , (c) P5 (P-0.7%) Fig.1 Optical photographs of as-cast strips′ microstructure
图2 经过退火在800 ℃保温1 h和冷轧不同磷的微观组织 (a) P1 (P-0.1%) , (b) P2 (P-0.1%) , (c) P5 (P-0.7%) Fig.2 Optical photographs of microstructure of as-cast strips followed by cold rolling and annealing treatment at 800 ℃ for 1 h for steels with varied P contents
图3 铸轧偏析分析 (a) 经过退火和冷轧不同位置磷偏析 (b) Fig.3 As-cast strips phosphorus content of different distance (a) :as-cast strips followed by cold rolling and annealing phosphorus content of different distance (b)
很难用热处理的方法消除磷的偏析。 图4证明了磷含量为0.7%时薄带表面出现了大量的Fe3 P偏析。
图5示出了不同含磷量的磷、 铜钢薄带应力-应变曲线。 比较P2 (P-0.1%) 与P1 (P-0.01%) 试样发现, 磷含量从0.01%增加致0.1%时材料的延伸率没有变化, P1和P2试样具有相近的屈服强度290 MPa, P2试样的抗拉强度比P1试样高出50 MPa, 达到400 MPa。 磷含量继续增加, 薄带的屈服强度和抗拉强度增加, 但延伸率明显下降。
图6示出了, P1 (P-0.01%) , P2 (P-0.1%) 试样的断口扫描照片, 它们的断口形貌为典型的韧窝型, 并具有相似的韧窝尺寸。 由此看出, 磷在含量在0.1%时, 对铸轧薄带的断裂形式影响不大。 随磷含量的增加, 薄带的断裂方式转为解理断裂和沿晶断裂。 图7示出了P4 (P-0.5%) 试样中晶界偏析的磷化物偏析的SEM照片和EDX成分分析。
图4 电子探针测定铸轧在厚度方向上的磷分布Fig.4 Distribution of P along thickness direction of as cast strips measured by EPMA
图5 铸轧薄带经冷轧和退火处理后的应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of as cast strips followed by cold rolling and annealing
图6 扫描下铸轧 (a) P1, (b) P2, (c) P4断口形貌Fig.6 Fracture morphologies of as-cast strips samples of P1, P2, P4
图7 磷铜钢P4经退火冷轧工艺在晶界出现偏析Fig.7 Segregation in between boundary of P4 after annealing treatment followed by cold rolling
磷沿晶界偏析可大幅降低界面能, 诱发解理断裂和沿晶断裂的发生。
3 结 论
1. 双辊铸轧方式生产低碳高磷、 铜钢, 利用快速冷却的特点使生产的高磷、 铜钢有很好的力学特性。 磷含量0.1%、 铜含量0.3%时, 屈服强度为290 MPa, 抗拉强度为400 MPa, 延伸率为19%。
2. 双辊铸轧高磷、 铜钢薄带中, 磷元素具有细化晶粒作用。 磷含量小于0.1%时, 经过退火+冷轧+退火处理后, 对晶粒尺寸影响小; 磷含量继续增加时, 经过退火+冷轧+退火处理后出现晶粒的快速长大现象。
3. 双辊薄带铸轧的生产方式在一定程度上能够提高固溶在基体中的磷含量, 减小钢中磷在晶界上的偏析, 对力学特性没有负面影响。
参考文献
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