高锰钢连铸坯纵向开裂原因分析

庄 伟

(宝武特冶有限公司，上海 200940)

高碳高锰奥氏体耐磨钢具有良好的强度和韧性，且能在使用中加工硬化，耐冲击耐磨损，被广泛用于冶金、矿山、建材、煤炭、电力、化工、农机和军事等领域[1-2]。在高压力或强烈冲击力的作用下Mn13高锰钢表面会发生加工硬化，而心部仍保持原有的硬度和良好的韧性。

以往，Mn13钢大多采用模铸方法生产，极少有连铸生产的报道。目前，通常采用连铸工艺生产Mn13钢，但产品常出现纵向裂纹等缺陷。本文通过金相检验、高温拉伸试验分析了Mn13钢连铸坯纵向开裂的原因。

1 试验材料与方法

有纵向裂纹的Mn13钢连铸坯的生产流程为EBT/EAF→LF→CC。从铸坯纵向裂纹部位取样、制样，采用光学显微镜和扫描电镜观察分析缺陷的形貌。

高温拉伸试验在Gleeble-3800热/力试验机上进行，试样尺寸为φ10 mm×120 mm，试验温度设定为650～1 200 ℃(间隔为50 ℃)，应变速率为1×10-3s-1。

采用高温共聚焦激光显微镜研究了Mn13钢的凝固过程。试样尺寸为φ5 mm×3 mm。首先将试样以5 ℃/s的速率加热至1 450 ℃，使其完全熔化，适当保温后再以1 ℃/s冷却至室温，观察试样的凝固过程。

2 结果与讨论

2.1 裂纹形貌

Mn13钢连铸坯纵向裂纹的宏观形貌如图1所示。裂纹通常较深，且有凹陷，多位于铸坯宽度的中心附近，可达数米长，甚至贯穿整个板坯。有的裂纹周边有漏钢痕迹，这是由于Mn13钢流动性好，会沿裂纹溢出。采用扫描电镜检验了裂纹是否有保护渣卷入。

图1 Mn13钢连铸坯纵向裂纹

纵向裂纹主要产生于连铸坯凹陷等缺陷的底部。对铸坯横截面裂纹处进行抛光，发现纵向裂纹最深达40 mm，如图2(a)所示。图2(b)为铸坯横截面的金相照片，发现主裂纹附近还有次裂纹。采用电子探针能谱分析发现，裂纹内部含有Fe、Mn元素的氧化物，还有少量Ca和Si，未发现夹渣成分，如图3所示。

图3 裂纹的电子探针分析结果

图2 纵向裂纹形貌

2.2 高温拉伸试验

图4是纵向开裂的Mn13钢铸坯的抗拉强度和断面收缩率随拉伸试验温度的变化。由图4可知，抗拉强度随试验温度的降低而升高，在1 200 ℃拉伸时断面收缩率低于20%，表明Mn13钢在凝固初期的塑性很差。随着试验温度降低至1 050～1 150 ℃，铸坯断面收缩率升高，与传统的第II脆性区基本一致[3-5]。随着试验温度进一步降低至1 050～700 ℃，铸坯断面收缩率大都低于40%。随着钢液的继续凝固，在热应力、相变和碳化物等共同作用下，裂纹沿枝晶扩展，后面将作详细分析。

图4 Mn13钢的抗拉强度和断面收缩率随拉伸试验温度的变化

2.3 原位观察试验

采用激光共聚焦高温显微镜原位观察Mn13钢的凝固行为，结果如图5所示。原位观察试验中，先将试样熔化，然后观察冷却过程。结果发现，试样在1 340 ℃开始形核，在1 200 ℃奥氏体晶界析出碳化物，增大了铸坯的开裂倾向。当锰的质量分数大于12%时，枝状晶发达，有晶粒长大和开裂的倾向。在平衡条件下冷却时，锰一部分固溶于钢中，另一部分与碳形成渗碳体型碳化物。

图5 Mn13钢从熔融态冷却过程中的微观形貌

试样冷却至室温后的显微组织如图6所示。可见，等轴晶集中于试样中部，且周围有大量碳化物析出；在近试样边缘处有发达的树枝晶，且局部枝晶间有裂纹。连铸坯裂纹多发生于结晶器凝固初期，若钢的液-固两相区较宽，则脆性温度区间宽，将增大开裂倾向。随着凝固过程的进行，在热收缩和热应力的作用下，裂纹将沿铸坯的枝晶和碳化物产生。

图6 Mn13钢从熔融态冷却至室温后的显微组织

2.4 讨论

通常，由于结晶器初生坯壳厚度不均匀，当承受的应力或应变超过临界应力或临界应变时，结晶器内坯壳表面会发生凹陷或萌生裂纹。铸坯在二冷区进一步冷却后，凹陷或裂纹将进一步扩展。如果铸坯宽面在结晶器内有纵向开裂倾向，结晶器专家系统中的摩擦力会突然出现峰值，如果摩擦力峰值超过铸坯能承受的临界值，就可能产生纵向裂纹[6-8]。如图7所示，结晶器内摩擦力波动较大，也说明铸坯/结晶器间摩擦力大，润滑状况差。

图7 Mn13钢铸坯与结晶器间的摩擦力随连铸时间的变化

Mn13钢连铸坯冷却至1 340 ℃及以下温度时，开始形成柱状晶，枝晶间能传递微小的拉力。当冷却至1 200 ℃以下时，碳化物逐渐析出，进一步加大了晶界开裂的倾向，且在950 ℃以下，Mn13钢的塑性差，更易产生凹陷和裂纹。

3 结论

(1)Mn13钢连铸坯纵向裂纹附近有次裂纹，裂纹内有Fe、Mn氧化产物，无保护渣成分。

(2)Mn13钢高温塑性较差，铸坯在凝固过程中低塑性区易开裂；在铸坯冷却过程中，晶界析出碳化物，导致铸坯开裂倾向增大。

(3)Mn13钢连铸过程为非均匀传热和凝固，连铸结晶器摩擦力大可以证明这一点；提高凝固坯壳厚度和结晶器热流的均匀性是避免Mn13钢连铸坯纵向开裂的重要途径。