有害元素Sn、Pb含量对不锈钢热加工性能的影响.doc

有害元素Sn、Pb含量对不锈钢热加工性能的影响王润生摘要：对有害元素引起钢板缺陷剖析、裂纹钢锭解剖及有害元素不同含量对热加工影响试验，得出当钢中铅当量Pb=%Pb+0.02(%Sn)0.0084%时，钢板表面良好，无裂纹。关键词：有害元素裂纹Pb当量不锈钢Effect of Deleterious Element Sn and Pb Content on Hot Workability of Stainless SteelWang Runsheng(Shanghai Pudong Iron and Steel Co Ltd, Shanghai 200126)Abstract：Based on the analysis of steel plate surface defect and ingot crack, and the test of the effect of deleterious element content on hot workability of stainless steel, it has obtained that as the phosphorus equivalent Pb =%Pb+0.02%Sn) was less than 0.0084%, the plate of excellent surface and no crack could be got.Material Index：Deleterious Element, Crack, Pb Equivalent, Stainless Steel1不同Sn、Pb含量对热加工性能的影响用中频感应炉冶炼18-8型不锈钢，共计5炉，使用的返回料中Sn含量按表1规定进行冶炼。浇注成190 mm钢锭，各炉次钢锭成分见表2。再按正常锻打工艺加工成35 mm80 mm锻坯，将锻坯按常规工艺轧制成3.8 mm(变形量89%)半成品，再冷轧至1.7 mm(变形量55%)的带材。此工艺路线的全过程表明，除钢锭帽头有不同程度开裂外，锭身锻打、轧材内部和外表面无一处出现裂纹。表1冶炼18-8型不锈钢含Sn返回料的加入量与相应铸态、锻坯Sn、Pb含量/%Table 1Charging amount of scrap containing Sn and corresponding Sn and Pb content in casting and forging billet of stainless steel /%炉号含Sn返回料加入量/kg铸态锻坯SnPbSnPb96-3A400.1250.00130.1320.001296-4B1000.2330.00100.2370.001096-5C1400.3180.00130.3320.001396-6D1800.3710.00120.3970.001296-7E2200.5050.00110.4780.0010表2含Sn返回料不同加入量的相应钢锭成分/%Table 2Chemical compositions of corresponding ingot for different charging scrap containing Sn/%炉号CMnSPSiCrNiTiAl96-3A0.0701.040.0030.0260.8117.879.600.650.1596-4B0.0651.230.0030.0230.8117.609.520.590.1296-5C0.0751.200.0040.0260.7518.089.790.630.1196-6D0.0751.230.0040.0270.8217.749.670.700.1096-7E0.0701.220.0050.0290.7917.809.770.610.11按上述工艺生产的冷带成品材的机械性能结果表明，冶炼18-8型不锈钢返回料中Sn含量与抗张强度、延伸率存在线性关系(见图1)。而当返回料中Sn含量为0.371时，线性关系出现拐点。即当返回料中Sn含量由0.371%降至0.125%时，18-8型不锈钢的抗张强度由小到大，对应的延伸率由大到小，但当返回料中Sn含量超过0.371%(例如 0.505%)时，其抗张强度增大，延伸率减小，降低了材料的延展性。图1返回料中Sn含量与18-8型不锈钢强度、延伸率的关系Fig.1Effect of Sn content in recirculating scrap on strength and elongation of 18-8 stainless steel冷轧带钢的晶间腐蚀按GB4334.5-90标准进行650 2 h试验，E法测定结果全部合格。5炉中频感应炉冶炼18-8型不锈钢的力学性能测试结果都表明，当返回料中Sn含量约为0.40%时，其强度与延伸率都发生突变的现象，于是按同样条件在大生产的电弧炉中进行2炉生产试验，每炉浇注成190 mm钢锭2支，按同样工艺锻打成4支扁坯时都产生不同程度的裂纹。电弧炉大生产的18-8型不锈钢化学成分如表3。表3电弧炉生产18-8型不锈钢化学成分/%Table 3Chemical compositions of 18-8 stainless steel melted by EAF /%炉号CMnSPSiCrNiTiAlMoWCuSnPbAsSbBi11-2640.0580.960.0340.0300.5317.558.560.470.090.110.020.160.330.0110.0210.0090.002311-2650.060.980.0020.0290.4618.28.60.450.150.100.020.150.180.0110.0220.0090.0022分析与讨论2.1Sn、Pb元素在钢中偏析行为镇静钢锭凝固时，常规元素偏析规律的特征：钢锭由表及里，由下往上，元素含量逐渐增加。具体表现在激冷层无偏析，柱状晶带呈正偏析并且朝轴心逐渐增加，锭身下部呈负偏析，到上部发展为正偏析，保温帽部分正偏析严重。经纵剖钢锭选点取样分析Sn含量得出：由表及里、由下往上Sn含量逐渐递减。具体表现在激冷层有严重偏析；钢锭由中向上部柱状晶带朝轴心方向的负偏析变化不明显；钢锭由中向下部区域偏析明显递减；且区域为正偏析。出现这种结果的原因为：选分结晶和液析是钢中产生偏析的重要原因，较大过冷度快速冷却可阻止选分结晶液析，减少偏析，因此，钢锭表面激冷层常规元素无偏析出现，而有害元素由于比常规元素有很大原子序数和较大原子半径，使晶体内引起较大晶格畸变，内能增加。因为钢锭表面比晶体内结构疏松，存在较大空隙，可使内能减少，促进晶体内溶质原子自发向钢锭表面迁移，所以钢锭表面激冷层出现有害元素Sn偏析。随着偏析带出现，形成了阻止热量发散的屏障。结晶时，因为Sn溶质原子的原子序数、原子半径因素大于因素过冷度，所以在结晶过程中柱状晶向锭心发展的同时，Sn溶质原子向晶界迁移工作虽然继续进行，但受屏障影响，故迁移量有所减少，表现为偏析程度逐渐下降，而有害元素Sn比重小，使钢锭上部和帽头部分呈现负偏析。2.2裂纹成因机理经高倍金相观察发现由Sn、Pb有害元素引起的裂纹缺陷具有的特征为：(1)裂纹走向沿相延伸，在、相内有细小质点析出，并且数量上相比相多一些，但相质点有害元素含Sn量略高于相。(2)裂纹表面含Sn量与内部不一致，存在表面富Sn现象。实践证明：当钢中相及相内出现众多细小质点析出，钢热加工后必然产生表面缺陷现象，轻者为鳞层，严重为裂纹。2.2.1炉冷时不同温度对析出物的影响选择上述锻坯(金相观察内无析出物)进行热处理试验。发现700800 保温4 h炉冷后，相内出现了细小质点，经电子探针分析证实为Sn元素。2.2.2冷却条件对析出物的影响选用因Sn引起严重开裂的锻坯料锯切成2个金相试样，经高倍金相观察：相内都充满细小质点(图2a)。然后将2个试样进行1 000 固溶2 h，将其中一个试样水冷后，发现相内质点消失了(图2b)，是因为质点Sn固溶于基体中缘故。另一试样炉冷后，发现相内仍有细小质点析出(图2c)。可见，析出物出现必须具备冷却条件。图2-相内的析出500 a-锻坯，大量析出；b-锻坯，1000 2h水冷，无析出；c-锻坯，1 000 2h炉冷，少量析出Fig.2Precipitating in phase, 500 a-Forged billet, large amount precipitate; b- 1 000, 2h, water cooling, non-precipitate; c-1 000, 2h, furnace cooling, less amount precipitate2.2.3温度制度、冷却制度对析出物的影响同样选用因Sn引起严重开裂的锻坯料，锯切成若干金相试样，经高倍金相观察相内有大量质点。然而将试样1 000 固溶2 h随炉冷却至850 保温3 h，原相内的质点消失了。但随炉冷却至800700 保温3 h，质点又重新析出。证实相内质点在一定温度下可固溶于基体中，而在一定温度下保温和冷却条件下，已固溶基体的质点可重新从相中再次析出。在平衡状态下液相结晶时，造成有害元素在、相晶界偏聚和表面富集形成很大浓度差。在一定条件下，已固溶于基体的过饱和度的有害元素会在相及相内以细小质点析出，当在高温加热，钢锭或注坯表面形成铁的氧化皮，因钢中残存的Sn、Pb、As氧化位能比铁低而不氧化，被不断排到氧化皮下的金属中，在残存元素含量超出它们在铁中溶解度时，残存元素以共晶化合物的熔融态存在于界面及晶界。加上其热膨胀性与基体不一致(表4)，破坏晶间结合力，破坏晶界、相界连续性，热塑性降低导致了钢锭或注坯受力后不同程度开裂。表4钢中基体与Sn、Pb、As的线膨胀系数Table 4Linear expansion coefficient of Sn, Pb，As and base in steelK-110基体SnPbAs19.36486.4162.3对试验不同结果的分析用中频感应炉按返回料中Sn含量从小到大(大到足够产生裂纹)冶炼5炉，浇注小钢锭190 mm(90kg 1支)每炉4支。经锻打钢锭表面质量良好，开坯冷轧成1.7mm成品带钢。检验结果：表面良好、无裂纹、力学性能、晶间腐蚀全合格。用电弧炉按返回料中不同含Sn量冶炼2炉，浇注190mm钢锭(860kg 1支)，每炉2支，经锻打，开裂、断面疏松、全部报废。对中频感应炉而言，取锻坯金相试样观察：相内无小质点，而电弧炉冶炼开裂钢锭取样金相观察，小颗粒质点充满于相内及内，再作上述两种钢锭实际冷却速度测定(表5)。 表5两种钢锭冷却速度测定结果Table 5Determination of cooling rate for two kinds of ingot钢锭脱模时间脱模后锭表面温度冷却后温度190 mm小钢锭浇注毕30 min脱模650 1 h200 190 mm扁锭浇注毕3h后脱模中部边部中部边部630 600 3 h300 3 h280 小钢锭脱模1h后，表面温度从650降至200。同样，扁锭脱模后温度从630降到200需要3 h以上。前者为7.5/min，后者1.71.8/min。金相观察，小钢锭冷却1h，相内未见析出物。同样1h，扁锭浇毕约1450，3h后脱模测表面温度630，1h正好处于脱模前保温中，从浇毕1450 至脱模的3h中就可能有析出物出现。“温度、冷却速度对析出物影响”实验室已证实：700800范围内，在炉冷条件下存在细小颗粒析出的现象。大生产钢锭(方锭或扁锭)，浇注毕脱模前的3 h缓慢冷却过程中就产生细小质点析出，这与实验室结论相吻合。 3Pb当量的变化对钢热塑性影响一般认为18-8型不锈钢铅当量公式为：Pb=%Pb+1.65(%Bi)+0.53(%Te)+0.026(%Sb)+0.02(%Sn)+0.013(%As)大生产现状返回料中Te、Bi、Sb很低，而As近年有上升趋势。故给定在As一定范围内，铅当量公式简化：Pb=%Pb+0.02 (%Sn)近几年来，大生产发生有害元素引起表面缺陷与Pb当量之间关系见表6。表6大生产锭坯表面缺陷与Pb之间关系Table 6Relation between Pb and surface defect of commercial ingot and billet炉号Sn/%Pb/%Pb/%产品缺陷处理大生产0.0100.0350.00100.00420.00150.0048中板成品无裂纹，表面良好270 t Sn报废料搭配使用7849100.01390.01610.00690.00810.00720.0084中板成品无裂纹，表面良好中板入库10442810.420.490.00090.00090.00930.0107中板成品表面大面积鳞层不规则分布报废102910430.520.910.00090.00110.01130.0193锻坯锻坯严重角裂，断面疏松报废2642650.330.180.0110.0110.01760.0146锻坯锻坯同上报废142714710.630.520.010.010.02260.0204锻坯锻坯严重龟裂报废148014780.520.760.010.0050.02040.0202锻坯锻坯严重龟裂报废在砷不高情况下，应用Pb当量简化公式，经对270 t报废料搭配使用冶炼的不锈钢，分析结果可得，成品Pb0.00