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50Mn2V铸坯高温热塑性研究探讨

何浪，吴光亮，孟征兵

(中南大学资源加工与生物工程学院，湖南 长沙 410083)

摘 要：利用Gleeble-1500热应力/应变模拟实验机对50Mn2V的高温力学性能进行了研究与测试;同时对试样拉断后的断口形貌、金相组织及断面成分，分别采用光学显微镜、扫描电镜和 EDS 能谱进行观察分析。研究表明:50Mn2V铸坯存在600～950℃和1300～1465℃两个脆性温度区，断面收缩率均小于60%;在600～1250℃范围内，随着温度的升高，试样断裂方式由以沿晶为主的混合型断裂向韧性穿晶断裂转变;1300℃～熔点温度区域，试样沿着断口固液两相断裂。

关 键 词：50Mn2V；高温热塑性；脆性温度区；断裂方式

1 引言

50Mn2V作为金刚石锯片基体材料，具有优越的磨损性、良好切削性，较高热稳定性和使用寿命长等优点，广泛用于机场建设、石材加工等行业［1］。50Mn2V铸坯中碳和合金元素含量高，在高拉速薄板坯连铸连轧工艺下，铸坯容易出现裂纹，裂纹不仅影响连铸工艺平稳顺行而且还会影响铸坯质量。连铸生产过程中，凝固坯壳受到钢水静压力、弯曲、应变力和矫直等因素的影响，当合力超过铸坯高温极限强度和极限应变时，就很容易产生裂纹;当这些合力小于钢种在高温下的极限高温性能时才能保证凝固的连续性，有效防止铸坯表面和内部裂纹的产生［2］。大量研究表明，钢在连铸温度范围内的力学性能( 热塑性和热强度)是影响裂纹形成最主要指标［3］。

本文针对50Mn2V铸坯的高温力学性能，采用Gleeble-1500试验机对其进行测试，并对试样断裂作机理性的探讨，本研究对合理的制定50Mn2V连铸工艺、防止裂纹的产生和提高铸坯质量有重要意义。

1 实验材料及方法

1．1 实验材料

50Mn2V试样来自某钢厂CSP生产线的铸坯，其化学成分如表1所示。

铸坯加工成两端带有螺纹10×120mm试验直棒。如下图1所示。

1．2 实验方法

根据某钢厂CSP生产线50Mn2V实际工艺参数，用Gleeble-1500动态热/力模拟试验机测定铸坯的断面收缩率和抗拉强度。在氩气保护气体条件下，试样以10℃/s速率升温，加热到峰值温度1465℃，保温5min，然后试样以3℃/s速率降温至实验温度并保温3min，当实验温度≤1250℃(铸坯出结晶器的温度)，以1.3×10－4应变速率进行高温拉伸;若实验温度＞1250℃，以6.46×10－3应变速率进行高温拉伸。拉伸结束后立即喷水冷却，保留高温下断口形貌和组织，测定试样断口直径，记录拉伸过程载荷和温度。实验方案如图2所示。

2 试验结果及分析

2．1 高温拉伸参数确定

实验液相线温度、降温速度、应变速率参数对高温力学性能影响显著，模拟连铸铸坯凝固过程，试样加热到液相线以上温度再降温，保证试样奥氏体化;降温速率与连铸冷却强度存在对应关系，直接影响钢棒析出物的晶粒度大小，影响钢种高温力学性能结果;应变速率在＜10－2条件下对钢棒的断面收缩率(RA)影响不是特别明显，但提高应变速度会使钢种抗拉强度曲线上移，且这种影响随温度的升高而加强，在温度较高时表现尤为突出［4］。为准确模拟连铸凝固过程，分别对50Mn2V液相线温度、降温速率和应变速率实验参数进行计算。

根据合金钢液相线温度公式结合经验性修订，可得 50Mn2V 液相线温度公式:

50Mn2V钢种连铸工艺参数(表2)，结合铸坯的化学成分(表1)，计算得出50Mn2V热模拟实验参数，如表3所示。

2．2 高温塑性测试结果

50Mn2V铸坯的热塑性与连铸温度的曲线如图3 所示。铸坯存在高温脆性温度区1300～1465℃和低温脆性温度区600～950℃，其断面收缩率值很低(10%～40%)且变化比较大;而在950～1300℃温度范围内50Mn2V有良好高温塑性，断面收缩率都在60%以上。随着连铸温度的升高，抗拉强度呈下降趋势，但800℃以后下降幅度明显减缓，这是因为当温度升高时，位错运动形式发生变化且出现新的机制，对位错运动的阻滞能力也会减弱［5］。为了改善50Mn2V铸坯质量，要求铸坯断面收缩率(RA)＞60%，应避免在脆性区进行矫直，且矫直温度应控制在950℃以上。

2．3 试样断口、金相组织及能谱分析

2．3．1 高温脆性温度区(1300～1465℃)

1300℃试样断口形貌及断口能谱分析如图4所示。由图4a可见，晶粒界面模糊，部分晶粒已经被薄液膜粘结一起;对断面进行能谱分析(如图4b)，其中氧含量5.74%、氮含量3.76%、碳含23.66%、硫含0.16%、磷含0.11%，有害元素N、O、P、S含量是50Mn2V基体内元素含量的10倍以上。高温脆性温度区域内，杂质元素在试样断口晶界表面聚集偏析，导致树枝晶间液膜凝固点降低且液相量增多，脆性断裂沿枝晶界液膜展开，铸坯杂质含量越多，影响脆性温度范围扩大且使零强度温度(ZDT)向低温区移动［6］。

2．3．2 高温塑性区(950～1300℃)

50Mn2V拥有良好塑性，连铸二冷区铸坯表面温度要求控制在这个温度区域内，才能有效地避免铸坯裂纹［7］，1100℃试样断口形貌及断口能谱分析如图5。如图5a所示，1100℃出现大面积撕裂韧窝且部分韧窝内有析出物，拥有良好塑性，表现为穿晶断裂模式;对析出物EDS能谱分析，如图5b所示，断口已经被氧化，韧窝内含氧(22.3%)、硫(3.8%)元素富集，可能以(Fe，Mn，Al)O、(Fe，Mn)S等形式存在的析出物降低晶界强度。韧窝菱角上的孔洞可能是由于断口碳化物、夹杂物与基体的弹塑性的差异，在外力作用下断口变形留下的孔洞［8］。

2．3．3 低温脆性温度区(600～950℃)

900℃钢样断面收缩率(RA)为35%塑性较差，晶粒平均尺寸为50μm左右。从图6a可知，断口以韧性沿晶断裂为主、部分冰糖状脆性沿晶断裂和穿晶断裂;对断口晶界裂纹进行EDS能谱分析(如图6b)，含碳30.35%、含氮2.45%、含氧23.39%，断面裂纹析出物是可能被氧化的微细碳氮化合物(Fe，Mn，Al)CN。从图6c可知，断口基体金相组织以灰色的马氏体为主和少量铁素体，表明在900℃条件下断口金相组织为奥氏体+铁素体。新生成铁素体强度只有奥氏体的1/4，脆性沿晶断裂是沿奥氏体晶界析出的铁素体展开;穿晶断裂是因为奥氏体晶粒内析出的铁素体或者晶粒内合金元素与含有S、N、O有害元素形成的化合物，碳氮化合物在晶界处析出形成应力集中源，在外力作用下由微小空隙集合形成裂纹。

600℃试样断面收缩率为13%，抗拉强度为386MPa，钢种塑性较差。图7a表明，断口形貌复杂，断面中心与外围断裂机理不统一，断口外围主要是以冰糖状、呈阶梯状分布的脆性沿晶解理断裂，断口中心发生沿着晶粒脆性沿晶断裂同时发生脆性穿晶断裂;图7b分析，断口外围组织为渗碳体和马氏体为基体，断面冰糖状晶粒沿着白色铁素体晶界发生沿晶断裂;断口中心以白色片状珠光体和夹杂铁素体的渗碳体为基体，断面解理是以珠光体形式，晶粒从断面整体解理和沿渗碳体晶粒内铁素体或杂质的穿晶断裂;对断口中心穿晶断裂区域EDS能谱分析，从图7d可知，含碳22.34%、氮3.8%、氧13.73%、硫1.4%，晶粒内合金元素以(Fe，Mn，Al)CN、MnS形式存在的杂质，在外力作用下引起应力集中而发生断裂。

3 结语

(1) 在CSP工艺条件下，50Mn2V连铸坯出结晶器温度应低于1300℃，矫直点温度高于950℃，才能有效地避开铸坯裂纹产生。

(2) 50Mn2V 铸坯裂纹产生机理研究表明:低温脆性温度区，铸坯以脆性解理(沿晶+穿晶)断裂为主;高温塑性温度区，铸坯以韧性沿晶断裂为主;高温脆性温度区，铸坯沿固液两相区断裂。

参 考 文 献

［1］   董中波，董汉雄．50Mn2V钢工艺适应性研究［J］．武钢技术，2008，46(2):16～18．

［2］   王军．提高中薄板连铸坯质量的连铸工艺优化研究［D］．沈阳: 东北大学冶金学院，2006: 1 ～4．

［3］   干勇．现代连续铸钢使用手册［M］．北京:冶金工业出版社，2010:100～125．

［4］   杨宜科．吴天禄．江先美．金属高温强度及试验［M］．上海:上海科学出版社，1984:33～37．

［5］   程久珊． 刘静． HG70 钢连铸坯的高温热塑性行为分析［J］． 钢铁研究，2010，38( 3) : 27 ～29．

［6］   潘艳华．中高碳钢方坯连铸二次冷却技术的研究［D］．重庆．重庆大学冶金学院，2008: 15～20．

［7］   胡永才．冯媛媛．不锈钢连铸温度控制及二冷工艺优化［C］．中国金属学会连铸二次冷却技术交流会，2005: 170～178．

［8］   Lankford W T．Some Considerations of Strength and Ductility in the Continuous Casting Process［J］．Metallurgical Transactions，1982．3(4):1331～1357．

［9］   张勇军．韩静涛．SCM435钢连铸坯高温热塑性研究［J］．炼钢学报，2010，26(4):50～54．