连铸过程吸入的外来气体(空气、氩气)进入钢水中后以气泡的形式存在,混入结晶器中的气泡若来不及逸出被凝固坯壳捕捉便会形成铸坯气泡。
过程吸气主要指连铸浇注过程中由于钢包敞开浇注、中间包钢水等造成钢水与空气直接接触或由于钢包下水口与套管间及中间包上下水口滑板间存有缝隙产生负压而吸入空气,终导致钢水二次氧化;这是造成铸坯气泡(氧气泡、氮气泡)缺陷的另一个原因。
为探索铸坯气泡缺陷是否由连铸过程吸气所造成,于一个连铸浇次中选取三炉,且同一炉次分别取精炼成品样、连铸中包样及连铸坯角样,试样用于做氧氮分析对比,所取试样编号分别为1-1、1-2、1-3,2-1、2-2、2-3,3-1、3-2、3-2。化验结果表明,钢水从精炼到连铸过程浇注到钢水凝固形成铸坯,其各环节试样的氧氮含量波动均在工艺要求范围以内,证实钢水在连铸生产过程中并不存在吸气的现象;因此可断定,此期间的铸坯气泡缺陷与连铸过程吸气无关。
氩气作为一种保护性气体,在连铸采取全程保护浇铸中主要用于大包下水口与大包浸入式长水口之间的缝隙及中包上水口与中包浸入式水口滑板面之间的密封保护。由于浇注注流所产生的负压,一定量的保护氩气会被带入钢液之中。前者氩气会从中包的钢液表面上浮逸出,气泡基本上不会进入结晶器中,不会对铸坯气泡缺陷造成影响,而后者则会被带入结晶器中,进入结晶器的氩气泡随钢液运动至结晶器内一定深度的不同部位,一些来不及上浮的气泡在固液界面处会被凝固的枝晶捕捉,终导致铸坯气泡的形成。
为了进一步摸索近期气泡缺陷与氩气的关系,对板坯生产Q345B钢时,中包上水口与浸入式水口滑板面间均匀涂抹2mm厚的纳米密封涂料进行试验,以排除生产过程中滑板间氩气被吸入的可能性。后续跟踪发现,滑板间涂抹纳米密封材料后生产的Q345B钢仍有出现铸坯气泡缺陷的现象;实验表明,近期铸坯气泡缺陷与中包浸入式水口滑板间保护气体氩气无关。
钢水脱氧不良是造成连铸坯表面皮下气泡、针孔的主要原因之一。当钢水脱氧不良时,钢中所含有的富氧就会与钢中的碳发生反应生成CO气体,在钢液凝固过程中,若钢中的CO气泡不能及时逸出而随坯壳一起凝固就会形成气泡缺陷。
脱氧不良主要与转炉出钢终点控制差有关,如终点出钢碳过低、出钢过程下渣、脱氧合金加入不足等都有可能导致钢水中氧含量过盛而导致铸坯出现皮下气泡缺陷;从大量的轧材改尺数据中分析发现,仅个别炉次存在脱氧剂加入不足、终点出钢碳为0.05%、0.06%过低的现象外,其它多数问题炉次的脱氧剂加入量均满足工艺要求且终点出钢碳基本维持在0.08%以上。钢水终点碳含量与氧含量的关系如图3所示。
为进一步分析造成铸坯气泡缺陷的原因,判断轧材边部“雨点状”缺陷是否由于钢中氧含量过高所致,于轧材切割现场取三个边部存有“雨点状”缺陷且不同炉次的切割边角料做氧氮分析,切割边角料试样编号分别为1#、2#、3#;从化验结果得知,所取的三个试样中的氧含量均未**过0.0035%,因此可断定,近阶段铸坯气泡缺陷并非由于钢水脱氧不良所致。
合金元素与铁、碳的相互作用
合金元素加入钢中后,主要以三种形式存在钢中。即:与铁形成固溶体;与碳形成碳化物;在高合金钢中还可能形成金属间化合物。
1. 溶于铁中
几乎所有的合金元素(除Pb外)都可溶入铁中, 形成合金铁素体或合金奥氏体, 按其对α-Fe或γ-Fe的作用, 可将合金元素分为扩大奥氏体相区和缩小奥氏体相区两大类。
扩大γ相区的元素—亦称奥氏体稳定化元素, 主要是Mn、Ni、Co、C、N、Cu等, 它们使A3点(γ-Fe α-Fe的转变点)下降, A4点( γ-Fe的转变点)上升, 从而扩大γ-相的存在范围。其中Ni、Mn等加入到一定量后, 可使γ相区扩大到室温以下, 使α相区消失, 称为完全扩大γ相区元素。另外一些元素(如C、N、Cu等), 虽然扩大γ相区, 但不能扩大到室温, 故称之为部分扩大γ相区的元素。
缩小γ相区元素——亦称铁素体稳定化元素, 主要有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等。它们使A3点上升, A4点下降(铬除外, 铬含量小于7%时, A3点下降; 大于7%后,A3点迅速上升), 从而缩小γ相区存在的范围, 使铁素体稳定区域扩大。按其作用不同可分为完全封闭γ相区的元素(如Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si等)和部分缩小γ相区的元素(如B、Nb、Zr等)。
主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮,内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损,同时又承受较大的交变载荷,特别是冲击载荷。
2. 性能要求
(1) 表面渗碳层硬度高,以保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力,同时具有适当的塑性和韧性。
(2) 心部具有高的韧性和足够高的强度。心部韧性不足时,在冲击载荷或过载作用下容易断裂;强度不足时,则较脆的渗碳层易碎裂、剥落。
(3) 有良好的热处理工艺性能 在高的渗碳温度(900℃~950℃)下,奥氏体晶粒不易长大,并有良好的淬透性。
3. 成分特点
(1)低碳:碳含量一般为0.10%~0.25%,使零件心部有足够的塑性和韧性。
(2) 加入提高淬透性的合金元素:常加入Cr、Ni、Mn、B等。
(3) 加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素:主要加入少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等,形成稳定的合金碳化物。
4.钢种及牌号
20Cr低淬透性合金渗碳钢。这类钢的淬透性低,心部强度较低。
20CrMnTi中淬透性合金渗碳钢。这类钢淬透性较高、过热敏感性较小,渗碳过渡层比较均匀,具有良好的机械性能和工艺性能。
18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A高淬透性合金渗碳钢。这类钢含有较多的Cr、Ni等元素,淬透性很高,且具有很好的韧性和低温冲击韧性。
5. 热处理和组织性能
合金渗碳钢的热处理工艺一般都是渗碳后直接淬火,再低温回火。 热处理后,表面渗碳层的组织为合金渗碳体+回火马氏体+少量残余奥氏体组织,硬度为60HRC~62HRC。心部组织与钢的淬透性及零件截面尺寸有关,完全淬透时为低碳回火马氏体,硬度为40HRC~48HRC;多数情况下是屈氏体、回火马氏体和少量铁素体,硬度为25HRC~40HRC。心部韧性一般都**700KJ/m2。
合金调质钢编辑
1. 用途
合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件,如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。
2. 性能要求
调质件大多承受多种工作载荷,受力情况比较复杂,要求高的综合机械性能,即具有高的强度和良好的塑性、韧性。合金调质钢还要求有很好的淬透性。但不同零件受力情况不同,对淬透性的要求不一样。
3. 成分特点
(1) 中碳:碳含量一般在0.25%~0.50%之间,以0.4%居多;
(2) 加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等:这些合金元素除了提高淬透性外,还能形成合金铁素体,提高钢的强度。如调质处理后的40Cr钢的性能比45钢的性能高很多;
(3) 加入防止第二类回火脆性的元素:含Ni、Cr、Mn的合金调质钢,高温回火慢冷时易产生第二类回火脆性。在钢中加入Mo、W可以防止第二类回火脆性,其适宜含量约为0.15%~0.30%Mo或0.8%~1.2%的W。
45钢与40Cr钢调质后性能的对比
钢号及热处理状态 截面尺寸/ mm sb/ MPa ss/MPa d5/ % y/% ak/kJ/m2
45钢 850℃水淬, 550℃回火 f50 700 500 15 45 700
40Cr钢 850℃油淬, 570℃回火 f50 (心部) 850 670 16 58 1000
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