钢中硫化物的析出和变形综述.pdf
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1、METALLURGICAL INFORMATION REVIEW 2023.419冶金信息导刊应用研究Application Research钢中硫化物的析出和变形综述何宇明1 何生平2(1.重庆钢铁股份有限公司炼钢厂 重庆 401258;.重庆大学材料科学与工程学院 重庆 400044)摘要:以 Q355 为代表的低合金钢,其部分产品在检验和使用中,进行各类弯曲时易出现表面裂纹,硫化物夹杂是引起裂纹的主要原因之一。在对钢板进行探伤、冲击性能、落锤试验检验时,也有因硫化物夹杂的存在而导致不合格的情况。以 Q355 类钢和部分特殊钢材为研究对象,对钢中硫化物的析出类型、影响因素、硫化物不良作用的
2、抑制等问题逐一进行探讨,以期找出能够减轻 Q355 类低合金钢中硫化物对钢板性能不良影响程度的技术措施。关键词:硫化物;析出;分布;变形;抑制DISCUSSION ON PRECIPITATION AND DEFORMATION OF SULFIDE IN STEELHe Yuming1 He Shengping2(1.Chongqing Iron and Steel Co.,Ltd.Steelmaking Plant Chongqing 401258,China;2.Collegeofmaterials Materials Science and Engineering Chongqing
3、400044,China)Abstract:Some products of Q355 low alloy steel are prone to surface crack during various bending in inspection and use.Sulphide inclusion is one of the main reasons for surface crack,when the steel plate is tested by flaw detection,impact performance and drop weight test,it is also foun
4、d to be unqualified due to the presence of sulfide inclusions.Taking Q355 type steel and some special steels as the research object,this paper probes into the problems of the types of sulfide precipitation,the influencing factors and the inhibition of the undesirable effect of sulfide in the steel o
5、ne by one,in order to find out the technical measures to reduce the bad effect of sulphides on the properties of Q355 low alloy steel plate.Key words:sulfide;precipitation;distribution;deformation;inhibition0 前 言在创新、协调、绿色、开放、共享五大发展理念引领下,钢材品种开发向减量化、高质量方向发展。Q355 类低合金钢板和一些特殊用途的钢材,因优良的物理性能及性价比得到广泛的应用,而这
6、些钢种在冷弯检验、辊弯加工、探伤、Z 向和低温冲击检测、落锤试验时,常常受到硫化物夹杂问题的困扰;同时,一些特殊用途钢材通过利用钢中硫化物,改善了其加工性能。诸多学者对硫化物夹杂的分析和显微评定方法等进行了研究。李代钟等研究了钢中硫化物夹杂与钢性能的关系,确定了硫化物夹杂球化的条件,解释了钢在压力加工中硫化物不易变形的原因1;杨文等指出,硫化物夹杂经过轧制后易沿轧制方向延展为大尺寸长条状,恶化了钢材的横向性能,导致其易成为裂纹源2。有关硫化物的论文较多,系统认识和总结的则相对较少,本文在系统论述钢中硫化物的析出及影响因素、其第一作者:何宇明,男,60 岁,硕士,正高级工程师收稿日期:2023-
7、05-29METALLURGICAL INFORMATION REVIEW 2023.420冶金信息导刊应用研究Application Research不良作用的抑制等问题后,结合冶炼、连铸、轧制全过程,就 Q355 类钢控制硫化物夹杂物的问题进行探讨,以期找到消除其不良影响的有效方法。1 硫化物的析出1.1 硫化物析出条件钢中 MnS 生成的化学反应、反应的标准吉布斯自由能变化及平衡常数等关系,如下式:Mn+S=(MnS)(1)G=-158 783+95.0T (2)aMnSKMnS=(3)aMnaS QMnS=CsCMn (4)2 955lgKMnS=+1.8 (5)T式中:KMnS为凝固
8、过程溶解平衡 MnS 浓度积(纯 MnS)或平衡常数;QMnS为凝固前沿液相中MnS 浓度积;Cs、CMn为凝固过程液相中锰、硫浓度3。随着凝固的进行,溶质元素不断在液相富集,发生凝固偏析,锰和硫在液相中的浓度不断升高,其实际活度积(aMnaS)ac也不断增大,在接近凝固终点时,实际活度积达到并超过平衡活度积,此时硫化锰夹杂物在凝固末期的液相区域析出。当MnS 的活度aMnS时,表示钢液中生成纯 MnS;当aMnS时,表示 MnS 在复合夹杂物上析出。硫化锰在某一温度时的平衡浓度积与实际浓度积相等,具备析出的热力学条件,这也意味着 MnS 只能在凝固末端析出,也就是在铸坯的枝晶凝固末端的间隙析
9、出。在钢液中,硫和锰的实际活度积远小于两者的平衡活度积,在钢水熔炼温度下不能形成MnS。在凝固过程中随着温度的降低,在凝固末端MnS 析出是由于在枝晶之间微观偏析的残余液相中出现过饱和的锰、硫元素。由于锰、硫均为易偏析元素,当钢液中的锰、硫超过平衡浓度积时,MnS将析出于固液两相区。1.2 硫化物析出形态及影响因素1.2.1 硫化物析出形态钢中硫化物夹杂物形态有三种类型:类为球状或液滴状,在生长的树枝晶间母液中硫、氧含量高,硫化物以偏晶反应沉淀出来,夹杂物为单相或两相,常与氧化物复合,呈球型在钢中任意分布,对钢的机械性能影响较小。II 类呈链状或枝晶状,在树枝晶间残留母液中以共晶反应沉淀出来,
10、呈串链状分布在晶界周围,发生大的变形时形成所谓群集状的特殊分布,危害钢材的机械性能。类为多面体型或角状,MnS 以固态从树枝晶间母液中沉淀出来,呈不规则多角形任意分布于钢中无规则孤立分布,危害性比 II 类低。这三类硫化物中,以类硫化物对钢性能为最为有害,因为钢锭在热加工时,沿晶界串状分布的 MnS 沿轧制方向延伸,降低了钢材性能(如各向异性、韧性)。结晶过程中和轧制后硫化物夹杂物的状态、类如图 1、图 2 所示。热加工(热轧、热锻)状态下硫化物类夹杂呈细条状,在显微镜下的光学特征是浅灰色,具有高的延展性。能谱分析硫化物的化学组成主要是MnS,如果锰被一部分铁所置换,则形成(MnFe)S,其光
11、学特征是深灰色,类硫化物形貌和成分能谱定性分析结果见图 3。a、d-第类(O0.0200%);b、e-第类(O0.0100%);c、f-类(O0.0100%,C、Si、Al 含量高);a、b、c-结晶后;d、e、f-轧制后。图 1 结晶过程中和轧制后硫化物夹杂物的状态1.2.2 影响硫化物析出的因素对 MnS 夹杂物形貌和尺寸分布有着重要影响的因素表现在三个方面:1)氧含量;2)冷却速度、过热度;3)硫含量、硫元素偏析。影响硫化物类型的最显著的因素是氧,硫化物颗粒大小也受凝固速度的影响。过热度越高,硫元素偏析越严重,越有利于形成 II 类 MnS 夹杂物。1)氧含量。当钢中氧含量 0.02%时
12、,硫化锰形成球状,分散分布(也称 I 类 MnS);氧含量低于此值,开始产生沿晶界的硫化锰(也称类 MnS)。氧含量低于 0.01%时,硫化锰全部成为沿晶界的网状硫abcdefMETALLURGICAL INFORMATION REVIEW 2023.421冶金信息导刊应用研究Application Research化物。如果钢中的氧含量低,并有过量的铝,较高的碳或较高的硅、磷、铬、锆等元素存在时,硫化锰则形成块状,分散分布(也称为类硫化锰)。2)冷却速度、过热度。对比快速冷却和缓慢冷却状态下硫化物的尺寸和分布发现,快速冷却后硫化物呈细小球状分布在晶内,而缓慢冷却后硫化物颗粒粗大且分布在晶界上
13、。控制钢的冷却速度能够明显改变钢中硫化物的尺寸与分布,可望改善高硫钢的韧性。凝固时间与钢中硫化物尺寸的关系如图 4,可知,随着冷却速度减慢、凝固时间增加,硫化物的尺寸增大。过热度增高会降低铸坯凝固速率,并加大锰、硫元素的偏析程度。3)硫含量、硫元素偏析。当(S)从 0.01%增至 0.05%时,MnS 夹杂物形貌从类向类转变,并随着硫含量的增加,第类硫化物的数量增多。2 硫化物不良作用的抑制在炼钢方面可以通过控制硫、氧、磷含量,进行适度的钙、钛、稀土等处理;连铸方面控制拉速稳定性、冷却速度、铸坯鼓肚量,降低 MnS 夹杂物级别。在轧制方面,可以采取提高粗轧道次压下率、降低终轧温度,轧后使用AC
14、C水冷等避免空冷,从而减轻带状组织、细化晶粒,改善钢板低温冲击韧性。硫化物夹杂对中厚钢板冷弯性能的影响取决于其数量、尺寸和分布形态。尺寸较小且分散分布的硫化物夹杂对冷弯性能影响不大,而尺寸较大且集中分布的硫化物夹杂可作为裂纹源,直接引起中厚 a b c da-型;b-型;c-型;d-型铸态硫化物的 EDS 谱图 2 连铸坯断口上不同铸态硫化物夹杂微观形貌及型铸态硫化物的 EDS 谱 a b ca-光学显微镜形貌;b-扫描电镜形貌;c-EDS 谱图 3 细条状硫化物夹杂物的微观形貌及 EDS 谱9 m50 m10 mSMnFe1 2 3 4 5 6 7E/keV50 m20 mSMnFe0 1
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