反向凝固复合不锈钢带的研究

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1999.02.041 第21卷第2期 北京科。技大学学报 Vol.21 No.2 1999年4月 Journal of University of Science and Technlogy Beijing Apr.1999 反向凝固复合不锈钢带的研究 许中波 朱志远王万军 北京科技大学冶金学院，北京100083 摘要分析了由反向凝固工艺得到的复合不锈钢带的组成情况，以及钢带中元素的偏析，并对 不锈钢凝固层的实际晶粒度进行了测定，研究结果表明：不锈钢凝固层组织为铁素体和碳化物；母 带组织为铁素体和马氏体；过渡区为铁素体和珠光体，过渡区的宽度为50μm.不锈钢凝固层的实 际晶粒度为5.8~6.3. 关键词反向凝固；复合不锈钢带；实际晶粒度 分类号T℉777 1反向凝固复合不锈钢带组织变化 (②)加热速度快，经计算，由于熔池的强热作 的特点 用，在插入钢液0.5s后母带边缘温度就达到 800℃，见图1.虽然碳钢的临界转化温度在一定 实验过程见文献[1]. 加热速度的范围内随之增加而提高，但对于所有 所用原料铁素体不锈钢1Cr17的主要元素成 亚共析钢其临界转化温度最大都不超过 分（质量分数）为：C≤0.12%，16%≤Cr≤18%. 1100℃，即母带温度高于临界转化温度300℃ 由于实验的气氛保护问题，最后所得不锈钢的成 左右， 分为：C为0.11%，Cr为14%.不锈钢层从液态到室 1600浸人时间 温的组织变化过程为：(1)由液相析出α，发生L→ 14005个 母带中心母带边缘 α相变；(2)进人L+:两相区，发生L→a相变； 4.0 3.0s (3)进入L+a+y三相区，发生L+α→y包晶相 12002.0s 变；(4)进入y+a两相区，组织为y和a2种，继续 1.1s 1000 冷却；(5)进人y+a+(Fe,Cr)2,C6三相区，发生y一 a+(Fe,Cr),C,共晶相变；(6)进人a+(Fe,C)a 80005s C,两相区， -0.50.00.51.01.52.02.53.03.54.0 距母带中心距离mm 由相图分析其室温组织为亚共析钢组织，即 铁素体加珠光体.实际室温的相组成为铁素体和 图2不同漫入时间下凝固层中的温度分布 碳化物. (3)高温状态下的保温时间短.一般反向凝固 反向凝固工艺中母带的组织转变与热处理 不锈钢带在熔池停留的时间为5~12$，因此其 条件下的组织转变从机理上来讲是一致的，新相 在A,温度以上停留的时间仅为20s左右. 的形成也是通过形核和晶粒长大的2个过程，但 所以，复合不锈钢带拉出钢液后，母带金属 也有以下特点： 中奥氏体的转变特点是： (1)加热温度高，经解析计算，在反向凝固工 (1)奥氏体化是在连续加热和连续冷却的条 艺生产复合不锈钢带的实验中，母带靠近过渡区 件下进行的，并且该过程是变化的，其组织转变 部分温度高达1460℃左右，母带中心温度一般 是一个不平衡的过程. 高达1310℃，见图2，而在热处理情况下，加热温 (2)奥氏体化温度一般是在过热的条件下，而 度一般不超过A,以上100~200℃. 且奥氏体化的时间又极为短促，这更加导致相变 的不平衡性， 1998-10-30收稿许中波男，34岁，副教授 *国家自然科学基金资助课题 (3)在奥氏体化的过程中同时存在热应力、拘

第 卷 年 第 期 月 北 京 科 技 大 学 学 报 一 一 反 向凝 固复合不锈钢带的研究 许 中波 朱志远 王 万 军 北京科技大学冶金学 院 ， 北 京 摘 要 分析 了 由反 向凝 固工 艺得 到 的复合不 锈钢带的组成情 况 ， 以及 钢带 中元 素的偏析 ， 并对 不 锈钢凝 固层 的实 际 晶粒度进行 了测 定 研究结果表 明 不 锈钢凝 固层组织为铁素体和碳化物 母 带组织 为铁素体和 马 氏体 过 渡 区 为铁素体和珠光体 ， 过 渡 区 的宽度为 协 不锈钢凝固层 的实 际晶粒度 为 一 关键词 反 向凝 固 复合不锈钢带 实 际晶粒度 分类号 反 向凝 固复合不锈钢带组 织 变化 的特点 枷六 实验过程 见 文 献 【 所 用 原料 铁素体不锈钢 的主要 元 素成 分 质量 分 数 为 ‘ ， ‘ ‘ 由于 实 验 的气 氛 保护 问题 ， 最 后 所得 不 锈 钢 的成 分 为 为 ， 为 不 锈钢层从液态到 室 温 的组织 变化过程 为 由液相 析 出 ， 发生 。 相 变 进 人 十 两 相 区 ， 发 生 、 相 变 进 人 三 相 区 ， 发 生 包 晶 相 变 进 人下 两相 区 ， 组 织 为 下 和 种 ， 继 续 冷却 进人 下 ， 。 三相 区 ， 发生 下 ， 。 共 晶相 变 进 人 ， 。 两相 区 · 由相 图分 析其室 温 组 织 为亚共 析钢组 织 ， 即 铁素体加 珠 光 体 实 际 室 温 的相 组 成 为铁 素体和 碳化物 反 向凝 固 工 艺 中母 带 的 组 织 转 变 与 热处理 条件 下 的组 织 转 变 从机理 上 来 讲是 一 致 的 ， 新 相 的形 成 也是 通 过 形 核 和 晶粒 长 大 的 个过 程 但 也有 以下 特 点 加 热 温 度 高 经解 析 计 算 ， 在 反 向凝 固 工 艺生 产 复合 不 锈钢带 的 实 验 中 ， 母 带靠 近 过 渡 区 部 分 温 度 高达 ℃ 左 右 ， 母 带 中心 温 度 一 般 高达 ℃ ， 见 图 ， 而 在 热处理情 况下 ， 加 热温 度一般不超过 人 。 以 上 一 ℃ 加热速度快 经计算 ， 由于熔池的强热作 用 ， 在 插 人 钢 液 后 母 带 边 缘 温 度 就 达 到 ℃ ， 见 图 虽 然碳钢的临界 转化温度在一定 加 热速度 的范围 内随之增加而提高 ， 但对于所有 亚 共 析 钢 其 临 界 转 化 温 度 最 大 都 不 超 过 ℃ ， 即母 带温 度高于 临界 转化温度 ℃ 左右 澳人时向 冬 母带中 夯母带边绳 」 一 匕一一土一一 一一一上一一 一 距母带中心距离 皿 图 不 同漫入时间下凝固层 中的温度分布 一 一 收稿 许 中波 男 ， 岁 ， 副教授 国家 自然科学基金 资助课题 高温状态下 的保温 时间短 一般反 向凝固 不 锈 钢带在 熔池 停 留 的 时 间 为 一 ， 因此 其 在 人 ， 温度 以 上停 留的时间仅为 左右 · 所 以 ， 复 合不 锈 钢 带拉 出钢液 后 ， 母 带金 属 中奥 氏体的转变特 点是 奥 氏体化是 在 连续加 热和 连续 冷却 的条 件 下 进 行 的 ， 并 且 该 过 程 是 变 化 的 ， 其组 织 转 变 是 一个不 平衡 的过程 奥 氏体化 温度一 般是在 过热 的条件下 ， 而 且 奥 氏体化 的时 间又 极 为短 促 ， 这 更 加 导致 相 变 的不 平衡性 在奥 氏体化 的过 程 中同时存在热应力 、 拘 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1999．02．041

VoL21 No.2 许中被等：反向凝固复合不锈钢带的研究 ·143· 束应力和不均匀相变引起的相变应力等不同应 母带中心 力的作用。 2反向凝固不锈钢带的组成 从反向凝固工艺可知，反向凝固不锈钢带中 肯定有母带金属和凝固层金属2个区域.由于母 带成分为碳钢，而凝固层成分为不锈钢，则在碳 钢与不锈钢之间存在一个成分的过渡区城，称之 为过渡区， 2.1不锈钢凝固层的铸态组织 母带近议渡区 0.1mm 图2是不锈钢凝固层铸态组织的金相照 图3母带近过渡区的金相组织 片，照片上可以看出其凝固层的室温组织是由铁 4%硝酸酒精溶液優蚀，便蚀时间3s 素体基体和基体上析出的弥散的碳化物所组 成，由于晶粒总是沿着温度梯度最大的方向生 23过渡区的金相组织 长，另外，由于晶粒的生长又与晶胞的位向有关， 母带上的晶粒为不锈钢钢液提供了均匀形 在体心立方和面心立方金属中，晶粒在<100>位 核的基底，凝固层金属呈柱状晶形式与母带相联 向上生长速度最快，不锈钢凝固层中，有的晶粒 系，好似母带晶粒外延而长合.图4为过渡区组织 的<100>位向刚好与温度梯度最大的方向相重 的金相照片，照片上可以看出过渡区的金相组织 合，则其能优先生长，而另外一些晶粒的<100> 由铁素体和珠光体组成， 位向与之偏斜，则生长较后，所以在凝固层中并 不锈钢凝圈层 非所有的晶粒都同样生长；长大显著的晶粒，能 一直在凝固层内部发展，生长慢的晶粒则只能长 大到很短此离就被抑制，所以从品粒的排列上可 以看出凝固层晶粒的优先生长现象，从照片上可 过度区 以看出，在反向凝固过程中，由于冷却速度较大， 柱状品的形成受阴，金相组织中是等轴品 母带 图4过渡区组织 氯化铁盐酸漫蚀，横向截面 3反向凝固不锈钢带的元素分布 3.1过渡区铬元景的分布 母带为A锅，而凝固层为不锈钢，从母带到 凝固层之间必然存在】个铬含量从低到高的区 0.I mm 间，其宽度约为50μm.反向凝固不锈钢带的过渡 图2不锈钢凝固层铸态组织 区应理解为泛指不锈钢凝固层与母带金属交界 20%硝酸酒精溶液侵蚀，便蚀时间7m加 处存在的严重化学成分不均匀性的区域.图5上 22母带的金相组织 的铬元素的分布情况说明了这层过渡区的存在. 图3为靠近过渡区的母带的金相组织照片， 若不锈钢钢液中溶质的原始质量分数为 照片上可以看出母带的金相组织为先共析铁素 C。=14%,则固液界面前方液相中的溶质分布 体网加马氏体.照片上还可以发现，由于冷却速 C可用下式表达 度快使得母带靠近过渡区的组织发生变化，晶粒 C=C。1+(1-k)1keD] (1) 变得细小 对于铬元素，k。=0.95(在6-Fe中，熔点附

·144- 北京科技大学学报 1999年第2期 近)，D。=4×10-~1×10-7m2/s(低碳钢中， 偏析的存在，可用析巢毛细现象理论说明倒.晶粒 1300~1500℃)，R为凝固层厚度除以浸人时间. 生长时，晶粒主轴前端向液相中突起，并向液相 则C可以通过计算得到.K。为分配系数，D,为扩 中排出多余的溶质原子，这些溶质原子不仅在晶 散系数， 胞尖端正前方排出，而且还向凸起部的侧面排 出，使晶粒与晶粒间隙中溶质浓度提高，使溶质 原子向晶界析集.同样图7中，显现出晶界部分的 Cr为13.97%，而未显现出品界部分Cr为14.38%， 这就是区域偏析的存在，这是由于凝固速度快， 液相中的溶质原子快速不均匀造成了不同区域 Cr分布有区别 图s5Cr元素厚度方向分布 盐酸硝酸混和酒精洛液漫蚀表面 反向凝固工艺中的凝固过程是一个动态过 程，假设在固相中完全不能扩散，在液相中尚能 进行一定程度的扩散，不考忠对流搅拌等运 图7凝层偏析 动.液相成分为C。,则凝固的固相金属的成分应 4 铸态不锈钢层的实际晶粒度 k,C。由于k。<1,所以k,C。<C。因而，一部分溶 质原子被排挤到固液米面，由于来不及向液相中 钢的实际晶粒度是指在交货状态下钢的实 扩散导致界面浓度大于液相浓度，在以后的界面 际晶粒大小，及经不同热处理后，钢和零件所得 推进时所得到的固相金属是由固液界面附近溶 到的实际晶粒M,在测定不锈钢凝固层的晶粒度 质浓度较高的液相中凝固而成的，则它的浓度变 时，采用的是弦计算法， 化沿图6(a)中PQ线变化.当固液界面上的固相 放大100倍下观察，数出厚度，宽度方向定长 浓度达到C。后，便不再有多余的溶质原子向液相 下的平均晶粒数NN.每个方向达选3个不同的 中排出，形成稳态的结晶过程，见图6. 部位，分别记作Nn:Nr Np Nn Nn N用式 (a) (b) (2)计算出单位长度和宽度上的平均晶粒数n, nw测定和计算结果见表1. Co n=(N,+N2+N)/3C (2) Cs 认为长度与宽度方向的结晶情况近似，晶粒 均匀性相似.因此，用宽度方向值代替长度方向 的值，即n,=nw R 0 用式3求出1mm2宽度、厚度方向的晶粒 周相界面 液相 数n,测定及计算结果见表1. 图6过渡区形成示意图 n,=07n2·nw·i (3) (e)Fe-Cr相图一角：b)成分变化图 求出1nn值，便可确定钢的晶粒度. 3.2凝固层元素偏析 求出的晶粒度的值，列在表2中，从表中可以 不锈钢凝固层的结晶过程是一种不平衡的 看出，晶粒度基本都集中在5.8~6.3之间.表2说 结晶过程，而且由于冷却速度快，凝固层中的铬 明钢液温度.母带厚度、插入时间对晶粒度的影 元素来不及扩散均匀化而形成偏析. 响不是很大，反向凝固钢带的晶粒度基本均 图7中，晶粒晶界Cr的质量分数为15.64%， 匀.同时，由于铁素体不锈钢1C17的铸态组织的 Si的质量分数为0.58%，而晶粒内部Cr为 晶粒度用同样算法计算为4.8，这说明反向凝固 13.78%,Si为0.10%、这个差值的出现说明了显微 钢带的品粒度尺寸相对细小

Vol.21 No.2 许中波等：反向凝固复合不锈钢带的研究 ·145· 表1宽度厚度方向mm的晶粒数 序号Nn NnNn Nt n N Nw2 Nw3 N. n ny lnn,晶粒度 15 182017.725.3 312826 28.3 29.2 15100 9.6 6.2 2 19 17 1818.0 25.7 28 28 27 27.7 28.5 14635 9.6 6.2 3 19 19 21 19.7 28.1 21 23 25 23.0 23.7 11059 9.3 5.9 17 17 19 17.7 25.2 27 20 21 22.7 23.4 9632 9.1 5.8 5 18 20 1919.0 27.1 20 25 22 22.3 23.0 10046 9.2 5.8 16 14 14 14.7 21.0 23 25 29 25.7 26.5 10292 9.2 5.8 7 16 1 16.7 23.8 27 24 27 26.0 26.8 11970 9.4 6.0 77 25.2 3) 24 25 253 26.1 12032 9.4 6.0 9 20 18 22 20.0 28.6 26 27.7 28.5 16274 9.7 6.3 10 14 17 20 17.0 24.3 23 22 24 23.0 23.7 9554 9.2 5.8 11 19 18 18 183 26.2 26 24 26 25.3 26.1 12485 9.4 6.0 18 17 21 18.7 26.7 22 21 20 21.0 21.6 8760 9.l 5.8 13 8 11 1110.0 15.4112 12.3 17.6 3339 8.14.8 注：No.1-2的厚度定长为7.0cm,宽度定长为9.7cm:No.13的厚度定长为6.5cm,宽度定长为7.0cm. 表2不锈钢凝固层晶粒度数据表 加马氏体，过渡区的金相组织为铁素体加珠光 序号过热度/心母带厚度/mm插人时间/s烘烤时间/s晶粒度 体，不锈钢凝固层由等轴晶组成， 1 10 2.0 7.9 0 6.0 (2)复合不锈钢带在母带和凝固层间存在铬 2 20 2.0 4.9 0 5.8 元素的过渡区，过渡区宽度约为50μm,在不锈钢 3 20 2.0 4.90 0 5.8 凝固层中存在显微偏析和区域偏析， 4 20 1.95 1.8 0 5.8 (3)复合不锈钢带不锈钢凝固层的实际晶粒 6 30 1.45 7.0 0 5.8 度等级在5.8-6.3之间. 7 50 1.95 4.0 0 6.0 20 2.0 73 10 5.8 参考文献 9 20 2.0 3.5 10 6.2 1朱志运，许中波，王万车，王立峰.复合不锈钢带生产的 10 20 2.0 3.0 10 6.0 实验研究.北京科技大学学报，1999,21(1)：10 11 20 2.0 2.0 10 5.9 2刘云旭.金属热处理原理.北京：机械工业出版社，1981 12 30 2.0 5.6 20 6.33陈伯戴.焊接冶金原理.北京：清华大学出版社，1991. 276 5结论 4中华人民共和国冶金工业部部标准.钢的晶粒度测定 法(YB27-77).北京：技术标准出版社，1979.6 (1)复合不锈钢带中不锈钢凝固层的金相组 5李喜川.反向凝固连铸薄带金相研究：[学位论文].北 织为铁素体和碳化物，母带的金相组织为铁素体 京：北京科技大学，1997.37 Study on the Composite Stainless Steel Strip of Inversion Casting Xu Zhongbo,Zhu Zhiyuan,Wang Wanjun Metallurgy School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The metallographic structure,the elements segregation and the grain size number of the composite stainless steel strip were discussed.Based on the results the conclusions were follow: the metallographic structure of composite stainless steel strip is ferrite and carbide,the structure of mother strip is ferrite and martensite,and the structure of the transition region is ferrite and pearlite. The width of the transition region is about 50 um;the factor grain size of stainless layer is between 5.8 and 6.3. KEY WORDS inversion casting;composite stainless steel strip;the factor grain size number

许中波等 反 向凝 固复合不锈钢带的研究 表 宽度 厚度方向 的晶粒数 序号 丛 一 ， 刀九 肠 一 入心 ，门 月 ， ， 晶粒度 ︶‘气 ，‘，，‘勺妇︸，一，︸弓‘门气，‘了产 乙‘，乙，‘一︸，只八曰气哎 巧 洲 巧 注 一 的厚度定长为 ， 宽度定长为 的厚度定长为 ， 宽度定长为 裹 不锈钢凝固层 晶粒度数据裹 序号 过热度 ℃ 母带厚度厄 插人时间 烘烤时间 晶粒度 加 马 氏 体 ， 过 渡 区 的 金 相 组 织 为铁素体 加 珠光 体 不锈钢凝 固层 由等轴晶组成 复合不 锈钢带在 母 带和 凝 固层 间存 在 铬 元 素 的过 渡 区 ， 过 渡 区宽度 约为 “ ， 在不 锈钢 凝 固层 中存在 显微偏 析和 区域偏 析 复合 不 锈 钢带 不 锈 钢 凝 固层 的实 际 晶粒 度等级在 荀 之 间 参 考 文 献 朱志运 ， 许 中波 ， 王 万 军 ， 王 立 峰 复 合不 锈 钢带 生 产 的 实验研究 北京科技大学学报 ， ， 刘云旭 金属热处理原理 北 京 机械工 业 出版社 ， 结论 复合 不 锈 钢 带 中不 锈钢凝 固层 的金 相 组 织 为 铁 素体和 碳化物 ， 母 带 的金相 组 织 为铁 素体 陈伯兹 焊接 冶金 原理 北 京 清 华大 学 出版社 ， 中华 人 民共 和 国 冶金 工 业部 部 标 准 钢 的 晶 粒 度 测 定 法 一 北京 技术标准 出版社 ， 李 喜川 反 向凝 固 连 铸薄 带 金 相 研 究 学 位 论 文 北 京 北京科技大学 ， 沙， ， ， ， 肠 ，肠 ， 泣 】 币 ， 州 ， 币 · 协