薄带连铸AISI304不锈钢中铁素体行为

D0L:10.13374.issn1001-053x.2012.06.014 第34卷第6期 北京科技大学学报 Vol.34 No.6 2012年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2012 薄带连铸AISI304不锈钢中铁素体行为 黄福祥 王新华王万军 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 区通信作者，E-mail:fuxianghuang@(gmail.com 摘要为了确定薄带连铸ASI304不锈钢凝固过程中残留铁素体的生成及转变行为，采用彩色金相、电解侵蚀、电子背散射 衍射分析技术及X射线衍射分析等研究手段对双辊薄带连铸AS304不锈钢凝固组织及残留铁素体特征进行了研究.结果 表明AS304不锈钢薄带的凝固组织由表层胞状晶区、中间柱状晶区和中心等轴晶区三部分组成.薄带表层胞状晶区内残留 铁素体呈棒状，柱状晶区的残留铁素体形态为鱼骨状，中心等轴晶区的残留铁素体呈弯曲的树枝状；薄带的表层胞状品区残 留铁素体的质量分数为4.6%~6.6%，柱状晶区内的残留铁素体质量分数为3.6%~3.7%，中心等轴晶区内的残留铁素体质 量分数为11.27%~11.34%：残留铁素体沿着厚度方向呈现“W”状分布. 关键词奥氏体不锈钢：连铸：微观组织：铁素体 分类号TF771.1 Behavior of ferrite in AISI304 stainless steel strips HUANG Fu-xiang,WANG Xin-hua,WANG Wan-jun School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:fuxianghuang@gmail.com ABSTRACT To determine the formation and transformation behavior of retained ferrite in AISI304 austenitic stainless steel strips during the solidification process,the characteristic of retained ferrite and the solidification microstructure in the steel strips were studied by color metallography,electro-etching,electron backscatter diffraction and X-ray diffraction analysis.In the cast strips,there are three kinds of solidification structures:fine cellular crystals in the surface layer,equiaxed grains in the center,and columnar dendrites between them.The morphology of retained ferrite is rod-ike in the fine cellular crystal zone in the surface,comb-ike in the columnar dendrite zone,and curved branch in the equiaxed zone in the center.The mass fraction of retained ferrite in the cellular zone,the co- lumnar dendrite zone,and the central equiaxed zone is about 4.60%to 6.60%,3.60%to 3.70%,and 11.27%to 11.34%,re- spectively.The residual ferrite shows a W-shaped distribution in the thickness direction. KEY WORDS austenitic stainless steel:continuous casting:microstructure:ferrite 用连铸机直接浇铸厚度为1~5mm的近终形带 与传统连铸相比，薄带钢的凝固组织更加细化，杂质 钢的生产工艺称为薄带连铸或直接带钢连铸.薄带 元素分布更加均匀，非金属夹杂物和析出物尺寸更 连铸省略了传统带钢生产中的热轧和中间加热等工 加细小，因而薄带的性能得到了显著改善 序，直接由液态金属加工成金属薄带成品或半成品， 奥氏体不锈钢具有良好的力学性能和优良的耐 不经热轧或稍经热轧(1~2个机架)即可生产冷轧 腐蚀性能，被广泛应用于餐具加工、建筑装饰及化工 薄板.与传统的薄板生产工艺相比，能显著缩短工 生产等领域，奥氏体不锈钢被认为是最适合采用薄 艺流程，大幅降低产品成本，提高产品质量和性 带连铸工艺生产的钢种之一因.前人对奥氏体不锈 能0.薄带连铸的一个显著特点是具有很高的冷却 钢薄带的凝固过程及组织特征进行了大量研究： 速度，通常其冷却速度为102~103Ks1,二次枝晶 Mizoguchi等通过实验铸机对18Cr8Ni不锈钢薄 间距为5~50um之间，属于亚快速凝固的范畴回. 带凝固组织特征进行了研究，发现不锈钢薄带由两 收稿日期：201104-14 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50434040)

第 34 卷 第 6 期 2012 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 6 Jun． 2012 薄带连铸 AISI304 不锈钢中铁素体行为 黄福祥 王新华 王万军 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: fuxianghuang@ gmail． com 摘 要 为了确定薄带连铸 AISI304 不锈钢凝固过程中残留铁素体的生成及转变行为，采用彩色金相、电解侵蚀、电子背散射 衍射分析技术及 X 射线衍射分析等研究手段对双辊薄带连铸 AISI304 不锈钢凝固组织及残留铁素体特征进行了研究． 结果 表明 AISI304 不锈钢薄带的凝固组织由表层胞状晶区、中间柱状晶区和中心等轴晶区三部分组成． 薄带表层胞状晶区内残留 铁素体呈棒状，柱状晶区的残留铁素体形态为鱼骨状，中心等轴晶区的残留铁素体呈弯曲的树枝状; 薄带的表层胞状晶区残 留铁素体的质量分数为 4. 6% ～ 6. 6% ，柱状晶区内的残留铁素体质量分数为 3. 6% ～ 3. 7% ，中心等轴晶区内的残留铁素体质 量分数为 11. 27% ～ 11. 34% ; 残留铁素体沿着厚度方向呈现“W”状分布． 关键词 奥氏体不锈钢; 连铸; 微观组织; 铁素体 分类号 TF771. 1 Behavior of ferrite in AISI304 stainless steel strips HUANG Fu-xiang ，WANG Xin-hua，WANG Wan-jun School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: fuxianghuang@ gmail． com ABSTRACT To determine the formation and transformation behavior of retained ferrite in AISI304 austenitic stainless steel strips during the solidification process，the characteristic of retained ferrite and the solidification microstructure in the steel strips were studied by color metallography，electro-etching，electron backscatter diffraction and X-ray diffraction analysis． In the cast strips，there are three kinds of solidification structures: fine cellular crystals in the surface layer，equiaxed grains in the center，and columnar dendrites between them． The morphology of retained ferrite is rod-like in the fine cellular crystal zone in the surface，comb-like in the columnar dendrite zone，and curved branch in the equiaxed zone in the center． The mass fraction of retained ferrite in the cellular zone，the co￾lumnar dendrite zone，and the central equiaxed zone is about 4. 60% to 6. 60% ，3. 60% to 3. 70% ，and 11. 27% to 11. 34% ，re￾spectively． The residual ferrite shows a W-shaped distribution in the thickness direction． KEY WORDS austenitic stainless steel; continuous casting; microstructure; ferrite 收稿日期: 2011--04--14 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 50434040) 用连铸机直接浇铸厚度为 1 ～ 5 mm 的近终形带 钢的生产工艺称为薄带连铸或直接带钢连铸． 薄带 连铸省略了传统带钢生产中的热轧和中间加热等工 序，直接由液态金属加工成金属薄带成品或半成品， 不经热轧或稍经热轧( 1 ～ 2 个机架) 即可生产冷轧 薄板． 与传统的薄板生产工艺相比，能显著缩短工 艺流 程，大幅降低产品成本，提高产品质量和性 能［1］． 薄带连铸的一个显著特点是具有很高的冷却 速度，通常其冷却速度为 102 ～ 103 K·s － 1 ，二次枝晶 间距为 5 ～ 50 μm 之间，属于亚快速凝固的范畴［2］． 与传统连铸相比，薄带钢的凝固组织更加细化，杂质 元素分布更加均匀，非金属夹杂物和析出物尺寸更 加细小，因而薄带的性能得到了显著改善［3--5］． 奥氏体不锈钢具有良好的力学性能和优良的耐 腐蚀性能，被广泛应用于餐具加工、建筑装饰及化工 生产等领域，奥氏体不锈钢被认为是最适合采用薄 带连铸工艺生产的钢种之一［6］． 前人对奥氏体不锈 钢薄带的凝固过程及组织特征进行了大量研究: Mizoguchi 等［7］通过实验铸机对 18Cr8Ni 不锈钢薄 带凝固组织特征进行了研究，发现不锈钢薄带由两 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.06.014

·640· 北京科技大学学报 第34卷 个柱状晶区和一个等轴晶区构成：鲍培玮、杨明波 体的形貌、数量及分布进行了系统研究，并结合奥氏 等-习对1Cr18Ni9Ti铸轧薄带凝固组织及二次枝晶 体不锈钢凝固过程及组织特征进行了分析，以期为 间距研究也得出了相似的规律.在薄带连铸亚快速 优化薄带连铸工艺、提高薄带性能提供帮助. 凝固条件下，奥氏体不锈钢的凝固过程中相的析出 1 顺序会发生变化，Schubert、Hunter和马建超等o 实验方法 均对奥氏体不锈钢薄带由先析铁素体转变为先析奥 薄带在双辊薄带连铸实验机组上浇铸.具体的 氏体的凝固过程进行了深入研究. 工艺过程为：用感应炉将AIS304不锈钢废钢熔化， 奥氏体不锈钢薄带中一般含有奥氏体和残留铁 熔清后脱氧、去渣和出钢，经过跨小车将钢水运输到 素体两相组织，其中残留铁素体对于不锈钢薄带的 薄带连铸车间的浇铸平台上，钢水经过长水口、中间 高温使用性能和耐腐蚀性能都有不利的影响，在薄 包和布流器注入到双辊连铸机熔池中，钢水在双辊 带连铸的过程中由于不能通过再加热保温的方式消 的作用下凝固，铸带经过弧形出带装置→带钢检测 除残留铁素体的不利影响，所以薄带连铸奥氏体不 系统→活套→夹送辊→控冷系统→飞剪，最后进入 锈钢中的残留铁素体是影响铸带使用性能的重要因 卷曲机.本次实验结晶辊的材质为铸铁辊，从结晶 素.本研究采用彩色金相、电解侵蚀、电子背散射衍 辊铸出的薄带厚度为2mm,未经轧制变形.薄带的 射分析(EBSD)及X射线衍射分析(XRD)等手段 治炼成分如表1所示，铸机的基本参数和浇铸的工 对双辊薄带连铸AISI304奥氏体不锈钢中残留铁素 艺参数如表2所示. 表1薄带的治炼成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of the strip steel % C Mn Si Cr Cu Mo Als T.0 0.08 1.37 0.026 0.008 0.62 9.09 17.77 0.14 0.14 0.025 0.0082 0.014 表2双辊薄带连铸实验机组的基本参数和工艺参数 Table 2 Basic parameters and processing parameters of twin-oll strip casting 铸机类型 钢包容量九 结品辊直径/mm浇注速度/(m'minl) 中间包容量t 浇注温度/℃ 双辊等径 6 1200 70-90 6 1470~1550 将取下来的薄带试样，磨平抛光后，采用氟化氢 铵(NH,FHF)和焦亚硫酸钾(K,S,O,)水溶液腐蚀， 胞状 晶区 显示薄带断面的彩色凝固组织形貌.采用NaOH水 溶液电解显示AISI304奥氏体不锈钢薄带及铸坯中 的残留铁素体形貌，并综合采用电子背散射衍射分 桂状晶区 析、透射电镜(TEM)观察和X射线衍射分析等方法 对残留铁素体进行定性和定量分析 中心等轴品区 2实验结果与讨论 2.1AISI304不锈钢薄带凝固组织特征 柱状晶区 图1为采用铸铁辊生产的AISI304不锈钢薄带 凝固组织全貌（断面），由此可见薄带的凝固组织由 品区 表层的胞状晶、中间的柱状晶和中心等轴晶三部分 500μm 组成.中心等轴晶偏离薄带的中心线，这主要是因 为两个结晶辊冷却不均造成的.薄带表层凝固组织 图1AISB04不锈钢薄带凝固组织全貌（彩色金相） 并非树枝状结构，而是密集的胞状组织，其厚度约为 Fig.1 Solidification structure of a cast strip in the longitudinal sec- tion (color metallography) 100~250m.由于薄带表层与水冷铸辊直接接触， 其表层冷却速率可高达103K·s1,激冷的不锈钢液 随着凝固界面向薄带中心的推移，薄带初生坯 以细小胞状晶的方式生长，胞状晶间距为4~5um. 壳的厚度逐渐增加致使冷却速度降低，凝固界面形

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 个柱状晶区和一个等轴晶区构成; 鲍培玮、杨明波 等［8--9］对 1Cr18Ni9Ti 铸轧薄带凝固组织及二次枝晶 间距研究也得出了相似的规律． 在薄带连铸亚快速 凝固条件下，奥氏体不锈钢的凝固过程中相的析出 顺序会发生变化，Schubert、Hunter 和马建超等［10--12］ 均对奥氏体不锈钢薄带由先析铁素体转变为先析奥 氏体的凝固过程进行了深入研究． 奥氏体不锈钢薄带中一般含有奥氏体和残留铁 素体两相组织，其中残留铁素体对于不锈钢薄带的 高温使用性能和耐腐蚀性能都有不利的影响，在薄 带连铸的过程中由于不能通过再加热保温的方式消 除残留铁素体的不利影响，所以薄带连铸奥氏体不 锈钢中的残留铁素体是影响铸带使用性能的重要因 素． 本研究采用彩色金相、电解侵蚀、电子背散射衍 射分析 ( EBSD) 及 X 射线衍射分析( XRD) 等手段 对双辊薄带连铸 AISI304 奥氏体不锈钢中残留铁素 体的形貌、数量及分布进行了系统研究，并结合奥氏 体不锈钢凝固过程及组织特征进行了分析，以期为 优化薄带连铸工艺、提高薄带性能提供帮助． 1 实验方法 薄带在双辊薄带连铸实验机组上浇铸． 具体的 工艺过程为: 用感应炉将 AISI304 不锈钢废钢熔化， 熔清后脱氧、去渣和出钢，经过跨小车将钢水运输到 薄带连铸车间的浇铸平台上，钢水经过长水口、中间 包和布流器注入到双辊连铸机熔池中，钢水在双辊 的作用下凝固，铸带经过弧形出带装置→带钢检测 系统→活套→夹送辊→控冷系统→飞剪，最后进入 卷曲机． 本次实验结晶辊的材质为铸铁辊，从结晶 辊铸出的薄带厚度为 2 mm，未经轧制变形． 薄带的 冶炼成分如表 1 所示，铸机的基本参数和浇铸的工 艺参数如表 2 所示． 表 1 薄带的冶炼成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the strip steel % C Mn P S Si Ni Cr Cu Mo N Als T. O 0. 08 1. 37 0. 026 0. 008 0. 62 9. 09 17. 77 0. 14 0. 14 0. 025 0. 008 2 0. 014 表 2 双辊薄带连铸实验机组的基本参数和工艺参数 Table 2 Basic parameters and processing parameters of twin-roll strip casting 铸机类型 钢包容量/t 结晶辊直径/mm 浇注速度/( m·min － 1 ) 中间包容量/t 浇注温度/℃ 双辊等径 16 1 200 70 ～ 90 6 1 470 ～ 1 550 将取下来的薄带试样，磨平抛光后，采用氟化氢 铵( NH4 FHF) 和焦亚硫酸钾( K2 S2O5 ) 水溶液腐蚀， 显示薄带断面的彩色凝固组织形貌． 采用 NaOH 水 溶液电解显示 AISI304 奥氏体不锈钢薄带及铸坯中 的残留铁素体形貌，并综合采用电子背散射衍射分 析、透射电镜( TEM) 观察和 X 射线衍射分析等方法 对残留铁素体进行定性和定量分析． 2 实验结果与讨论 2. 1 AISI304 不锈钢薄带凝固组织特征 图 1 为采用铸铁辊生产的 AISI304 不锈钢薄带 凝固组织全貌( 断面) ，由此可见薄带的凝固组织由 表层的胞状晶、中间的柱状晶和中心等轴晶三部分 组成． 中心等轴晶偏离薄带的中心线，这主要是因 为两个结晶辊冷却不均造成的． 薄带表层凝固组织 并非树枝状结构，而是密集的胞状组织，其厚度约为 100 ～ 250 μm． 由于薄带表层与水冷铸辊直接接触， 其表层冷却速率可高达 103 K·s － 1 ，激冷的不锈钢液 以细小胞状晶的方式生长，胞状晶间距为 4 ～ 5 μm． 图 1 AISI304 不锈钢薄带凝固组织全貌( 彩色金相) Fig． 1 Solidification structure of a cast strip in the longitudinal sec￾tion ( color metallography) 随着凝固界面向薄带中心的推移，薄带初生坯 壳的厚度逐渐增加致使冷却速度降低，凝固界面形 ·640·

第6期 黄福祥等：薄带连铸AISI304不锈钢中铁素体行为 ·641· 态从细小的胞状晶转变为树枝晶生长.树枝晶区二 奥氏体，残留铁素体位于细小胞状奥氏体之间并 次枝晶间距为4~10um,平均为6um,根据Schubert 呈棒状分布，图中呈点簇状的残留铁素体是由于其 等@推荐的二次枝晶间距与冷却速率之间的关系 生长方向与观察面角度不同所致.图2(b)为薄带 式可估算出薄带树枝晶区的平均速率为246Ks1. 树枝晶区内的残留铁素体形貌，此时AISI304不锈 薄带中心区域为近球形和蔷薇形的等轴晶组 钢的初始凝固相为δ铁素体，残留铁素体位于先析 织，其厚度大约为0.3~0.5mm.在双辊薄带连铸过 8铁素体枝晶的一次和二次枝晶干，呈鱼骨状分布， 程中，由于双辊的转动及凝固前沿钢液的相对流动 这主要是以枝品方式生长的先析δ铁素体向奥氏体 速度较大，致使在树枝晶凝固前沿存在大量的游离 转变不完全所致.图2（©）为过渡晶区的残留铁素 晶核；当薄带离开双辊啮合点后，薄带表面的传热系 体形貌，其同时具有树枝晶区和中心等轴晶区内残 数突然降低抑制了枝晶凝固界面的生长)，从而促 留铁素体的形貌特征.图2(d)为中心等轴晶区内 使钢液中细小游离晶核的择优生长，形成中心等轴晶。 的残留铁素体形貌，呈弯曲树枝状分布，且中心区域 2.2AISI304不锈钢薄带中残留铁素体形貌特征 残留铁素体较树枝晶区粗大，这是由于凝固前沿先 薄带断面上不同位置的残留铁素体形貌如图2 析8铁素体在离开啮合点后的长大速度随着薄带中 所示.图2(a)为薄带表层区域的残留铁素体形貌， 心温度逐渐降低而变缓，铁素体向奥氏体扩散转变 由于薄带的表层冷却速度快，其初始凝固相为亚稳 速度变慢所致. a 50m 50m 50m 50m 图2不锈钢薄带中残留铁素体形貌.(a)胞状品区：(b)树枝品区：(c)过渡区：(d)中心等轴晶区 Fig.2 Morphology of retained ferrite in the stainless strip:(a)cellular crystal zone:(b)columnar dendrite zone:(c)transitional zone:(d)cen- tral equiaxed grain zone 图3为通过透射电镜观察到的不锈钢薄带中残 的结晶组织进行分析，其结果如图4(a)所示，不同 留铁素体形貌.在透射电镜下不锈钢薄带中残留铁 的颜色代表不同的晶粒取向.由此可见在薄带的中 素体形貌主要有两种：一种为棒状，另外一种呈骨头 心区域存在很多小角度品界，薄带中心区域发生了 状.观察结果与Hunter等的研究结果一致). 明显的塑性变形，表明薄带在铸辊啮合点处受到了 2.3残留铁素体数量 一定的铸轧变形.图4(b)为残留铁素体(bcc结构) 为了定量地研究AISI304不锈钢薄带不同凝 的分布情况，其中白色为铁素体，红色为基体.在薄 固组织中残留铁素体的含量，采用电子背散射衍 带的树枝品区残留铁素体的含量相对较少，而在薄 射分析及X射线衍射分析两种检测手段对薄带不 带的中心区域其残留铁素体的含量明显增加 同凝固组织中的残留铁素体含量进行了定性和定 为了更清楚地显示薄带不同凝固组织中残留铁 量分析. 素体含量的差异，采用X射线衍射分析方法对薄带 采用电子背散射衍射分析技术对薄带中心区域 不同凝固组织中的相进行了分析，检测结果如图5

第 6 期 黄福祥等: 薄带连铸 AISI304 不锈钢中铁素体行为 态从细小的胞状晶转变为树枝晶生长． 树枝晶区二 次枝晶间距为4 ～ 10 μm，平均为6 μm，根据 Schubert 等［10］推荐的二次枝晶间距与冷却速率之间的关系 式可估算出薄带树枝晶区的平均速率为 246 K·s － 1 ． 薄带中心区域为近球形和蔷薇形的等轴晶组 织，其厚度大约为 0. 3 ～ 0. 5 mm． 在双辊薄带连铸过 程中，由于双辊的转动及凝固前沿钢液的相对流动 速度较大，致使在树枝晶凝固前沿存在大量的游离 晶核; 当薄带离开双辊啮合点后，薄带表面的传热系 数突然降低抑制了枝晶凝固界面的生长［7］，从而促 使钢液中细小游离晶核的择优生长，形成中心等轴晶． 2. 2 AISI304 不锈钢薄带中残留铁素体形貌特征 薄带断面上不同位置的残留铁素体形貌如图 2 所示． 图 2( a) 为薄带表层区域的残留铁素体形貌， 由于薄带的表层冷却速度快，其初始凝固相为亚稳 奥氏体［11］，残留铁素体位于细小胞状奥氏体之间并 呈棒状分布，图中呈点簇状的残留铁素体是由于其 生长方向与观察面角度不同所致． 图 2( b) 为薄带 树枝晶区内的残留铁素体形貌，此时 AISI304 不锈 钢的初始凝固相为 δ 铁素体，残留铁素体位于先析 δ 铁素体枝晶的一次和二次枝晶干，呈鱼骨状分布， 这主要是以枝晶方式生长的先析 δ 铁素体向奥氏体 转变不完全所致． 图 2( c) 为过渡晶区的残留铁素 体形貌，其同时具有树枝晶区和中心等轴晶区内残 留铁素体的形貌特征． 图 2( d) 为中心等轴晶区内 的残留铁素体形貌，呈弯曲树枝状分布，且中心区域 残留铁素体较树枝晶区粗大，这是由于凝固前沿先 析 δ 铁素体在离开啮合点后的长大速度随着薄带中 心温度逐渐降低而变缓，铁素体向奥氏体扩散转变 速度变慢所致． 图 2 不锈钢薄带中残留铁素体形貌 . ( a) 胞状晶区; ( b) 树枝晶区; ( c) 过渡区; ( d) 中心等轴晶区 Fig． 2 Morphology of retained ferrite in the stainless strip: ( a) cellular crystal zone; ( b) columnar dendrite zone; ( c) transitional zone; ( d) cen￾tral equiaxed grain zone 图 3 为通过透射电镜观察到的不锈钢薄带中残 留铁素体形貌． 在透射电镜下不锈钢薄带中残留铁 素体形貌主要有两种: 一种为棒状，另外一种呈骨头 状． 观察结果与 Hunter 等的研究结果一致［11］． 2. 3 残留铁素体数量 为了定量地研究 AISI304 不锈钢薄带不同凝 固组织中残留铁素体的含量，采用电子背散射衍 射分析及 X 射线衍射分析两种检测手段对薄带不 同凝固组织中的残留铁素体含量进行了定性和定 量分析． 采用电子背散射衍射分析技术对薄带中心区域 的结晶组织进行分析，其结果如图 4( a) 所示，不同 的颜色代表不同的晶粒取向． 由此可见在薄带的中 心区域存在很多小角度晶界，薄带中心区域发生了 明显的塑性变形，表明薄带在铸辊啮合点处受到了 一定的铸轧变形． 图4( b) 为残留铁素体( bcc 结构) 的分布情况，其中白色为铁素体，红色为基体． 在薄 带的树枝晶区残留铁素体的含量相对较少，而在薄 带的中心区域其残留铁素体的含量明显增加． 为了更清楚地显示薄带不同凝固组织中残留铁 素体含量的差异，采用 X 射线衍射分析方法对薄带 不同凝固组织中的相进行了分析，检测结果如图 5 ·641·

·642· 北京科技大学学报 第34卷 区的残留铁素体进行定量分析的结果如图6所示. 沿着厚度方向薄带中残留铁素体含量呈现“W”状 分布，即在薄带的表层胞状晶区内残留铁素体的质 量分数为4.60%~6.60%，柱状晶区内为3.60%~ 3.70%,中心等轴晶区内为11.27%~11.34%，采 用XRD定量分析和EBSD分析的两种结果吻合 较好 奥氏体不锈钢中残留铁素体的含量是由先析铁 I um 素体向奥氏体转变的扩散时间和扩散距离共同决定 的.本实验用奥氏体不锈钢的铬当量(Cr)和镍当 图3不锈钢薄带中残留铁素体透射电镜形貌 量(Nig)分别为18.28%和10.21%，通过Delong图 Fig.3 TEM morphology of retained ferrite in the steel strip 计算其在焊接条件下残留铁素体的质量分数约为 7.6%.在亚快速凝固条件下，奥氏体不锈钢薄带柱 状晶区及中心等轴晶区的二次枝晶间距减小，铁素 体向奥氏体扩散转变的距离变短，但是相应的扩散 转变时间也显著降低，因此不锈钢薄带中残留铁素 体平均含量与传统铸造、焊接过程中奥氏体不锈钢 中铁素体含量基本一致，但其不同凝固组织中残留 铁素体的形成机理及数量差异较大，不锈钢薄带中 残留铁素体的形貌、数量和分布对薄带性能具有重 要影响. 14 ()晶粒组织形貌 (b)残留铁素体分布图 12 -XRD 图4薄带中心区域结品组织.()品粒组织形貌：(b)残留铁素 ■-EBSD 体分布（白色） 8 Fig.4 Crystal structure at the central zone of the steel strip by 5 EBSD:(a)morphology of grain structure:(b)distribution of re- tained ferrite (white) 表层 柱状品中心柱状品表层 薄带厚度/方向 所示.从图中可以证明AISI304不锈钢薄带中只含 有奥氏体和残留铁素体两相，薄带中心等轴晶区的 图6薄带厚度方向上残留铁素体分布 Fig.6 Distribution of retained ferrite in the thickness of strip 残留铁素体含量最高，表层胞状晶区次之，而中间柱 状晶区最低. 奥氏体不锈钢薄带凝固过程中铁素体的含量对 对薄带表层胞状晶区、树枝晶区及中心等轴晶 于其高温力学性能具有重要影响，因此在薄带连铸 过程中应该合理的控制冷却速率、过热度和钢液成 残留铁素体 分等因素，保证初生坯壳中一定含量的铁素体，从而 减轻薄带表面裂纹等缺陷的发生.另外，与薄带表 中心等轴晶区 层及柱状晶区相比，薄带中心区域的残留铁素体含 人人 中间柱状晶品区( 量较高，这对薄带的力学性能有负面影响，因此在双 辊薄带连铸过程中应通过优化铸带厚度、冷却速率 表层胞状品区 及双辊铸轧力等因素，控制薄带中心等轴晶的比例 30 50 60 及残留铁素体的含量 70 2a9 80 90 3结论 图5薄带三种凝固组织中残留铁素体含量 Fig.5 Content of retained ferrite in the cellular crystals,columnar (1)双辊薄带连铸AISI304不锈钢的凝固组织 dendrites,and central equiaxed zones of the steel strip 由表层胞状晶区、中间柱状晶区和中心等轴晶区三

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 3 不锈钢薄带中残留铁素体透射电镜形貌 Fig． 3 TEM morphology of retained ferrite in the steel strip 图 4 薄带中心区域结晶组织 . ( a) 晶粒组织形貌; ( b) 残留铁素 体分布( 白色) Fig． 4 Crystal structure at the central zone of the steel strip by EBSD: ( a) morphology of grain structure; ( b) distribution of re￾tained ferrite ( white) 所示． 从图中可以证明 AISI304 不锈钢薄带中只含 有奥氏体和残留铁素体两相，薄带中心等轴晶区的 残留铁素体含量最高，表层胞状晶区次之，而中间柱 状晶区最低． 图 5 薄带三种凝固组织中残留铁素体含量 Fig． 5 Content of retained ferrite in the cellular crystals，columnar dendrites，and central equiaxed zones of the steel strip 对薄带表层胞状晶区、树枝晶区及中心等轴晶 区的残留铁素体进行定量分析的结果如图 6 所示． 沿着厚度方向薄带中残留铁素体含量呈现“W”状 分布，即在薄带的表层胞状晶区内残留铁素体的质 量分数为 4. 60% ～ 6. 60% ，柱状晶区内为 3. 60% ～ 3. 70% ，中心等轴晶区内为 11. 27% ～ 11. 34% ，采 用 XRD 定量分析和 EBSD 分析的两种结 果 吻 合 较好． 奥氏体不锈钢中残留铁素体的含量是由先析铁 素体向奥氏体转变的扩散时间和扩散距离共同决定 的． 本实验用奥氏体不锈钢的铬当量( Creq ) 和镍当 量( Nieq ) 分别为 18. 28% 和 10. 21% ，通过 Delong 图 计算其在焊接条件下残留铁素体的质量分数约为 7. 6% ． 在亚快速凝固条件下，奥氏体不锈钢薄带柱 状晶区及中心等轴晶区的二次枝晶间距减小，铁素 体向奥氏体扩散转变的距离变短，但是相应的扩散 转变时间也显著降低，因此不锈钢薄带中残留铁素 体平均含量与传统铸造、焊接过程中奥氏体不锈钢 中铁素体含量基本一致，但其不同凝固组织中残留 铁素体的形成机理及数量差异较大，不锈钢薄带中 残留铁素体的形貌、数量和分布对薄带性能具有重 要影响． 图 6 薄带厚度方向上残留铁素体分布 Fig． 6 Distribution of retained ferrite in the thickness of strip 奥氏体不锈钢薄带凝固过程中铁素体的含量对 于其高温力学性能具有重要影响，因此在薄带连铸 过程中应该合理的控制冷却速率、过热度和钢液成 分等因素，保证初生坯壳中一定含量的铁素体，从而 减轻薄带表面裂纹等缺陷的发生． 另外，与薄带表 层及柱状晶区相比，薄带中心区域的残留铁素体含 量较高，这对薄带的力学性能有负面影响，因此在双 辊薄带连铸过程中应通过优化铸带厚度、冷却速率 及双辊铸轧力等因素，控制薄带中心等轴晶的比例 及残留铁素体的含量． 3 结论 ( 1) 双辊薄带连铸 AISI304 不锈钢的凝固组织 由表层胞状晶区、中间柱状晶区和中心等轴晶区三 ·642·

第6期 黄福祥等：薄带连铸AISI304不锈钢中铁素体行为 ·643· 部分组成.薄带表层胞状晶区为先析奥氏体，柱状 (2):254 晶区和中心等轴晶区为先析铁素体凝固模式. 6]Yamauchi T.NakanoriT,Hasegawa M,et al.Characteristics of (2)薄带表层胞状晶区内残留铁素体为棒状， stainless steel strip cast by twin rolls.Trans Iron Steel Inst Jpn, 1988,28(1):23 柱状晶区的残留铁素体为鱼骨状，中心等轴晶区的 7]MizoguchiT,Miyazawa K I.Formation of solidification structure 残留铁素体呈弯曲的树枝状 in the twin roll casting process of 18Cr&Ni stainless steel.IS// (3)薄带中的残留铁素体沿着厚度方向呈现 nt,1995,35(6):771 “W”状分布，即薄带的表层胞状晶区内残留铁素体 [8]Bao P W,Di H S,Wang G D,et al.Microstructure of the twin- 的质量分数为4.60%~6.60%，柱状晶区内为 roll cast stainless steel strip.J Northeast Unir Nat Sci,2002,23 (10):960 3.60%~3.70%,中心等轴晶区内为11.27%~ (鲍培玮，邸洪双，王国栋，等.双辊铸轧奥氏体不锈薄带显 11.34%. 微组织分析.东北大学学报：自然科学版，2002,23(10)： 960) 参考文献 9] Yang M B,Pan F S,Zhang D F,et al.Forming mechanism of so- [Guthrie R I L.Steel strips:the long and winding road.fron Steel lidification structure zone on ICr18Ni9Ti stainless steel twin-toll Technol,.2006,3(11):104 thin strip.Chin Mater Res,2005,19(3)325 Zapuskalov N.Comparison of continuous strip casting with conven- (杨明波，潘复生，张丁非，等.ICl8N9T不锈钢双辊薄带 tional technology.ISI/Int,2003,43(8):1115 凝固组织区的形成机理.材料研究学报，2005,19(3)：325) B]Huang F X,Zhang J M,Wang X H,et al.Nonmetallic inclusions [1o] Schubert T,Loser W,Schinnerling S,et al.Altemative phase in SUS304 strip produced by twin-oll strip casting.J Unie Sci formation in thin strip casting of stainless steels.Mater Sci Techn- Technol Beijing.2008,15(2):110 od,1995,11(2):181 4]Wu J C,Fang Y,Yu Y,et al.Properties of direct cold rolled [11]Hunter A,Ferry M.Phase formation during solidification of AlSI 0Cr18Ni9 stainless steel strip cast by twin-oll strip casting 304 austenitic stainless steel.Scripta Mater,2002,46(4):253 process.Iron Steel,2006,41(8):46 [12]Ma J C.Yang Y S,Tong W H.Effect of melt superheating on (吴建春，方园，于艳，等.双辊薄带连铸0C18N9不锈钢的 the sub-rapidly solidified microstructure of AlSI 304 austenitic 直接冷轧研究.钢铁，2006,41(8)：46) stainless steel strip.Acta Metall Sin,2007,43 (8):879 5]Liu Z,Lin Z,Qiu Y,et al.Segregation in twin roll strip cast (马建超，杨院生，童文辉.熔体过热对ASI304不锈钢亚 steels and the effect on mechanical properties.IS//Int,2007,47 快速凝固薄带组织的影响.金属学报，2007,43(8)：879)

第 6 期 黄福祥等: 薄带连铸 AISI304 不锈钢中铁素体行为 部分组成． 薄带表层胞状晶区为先析奥氏体，柱状 晶区和中心等轴晶区为先析铁素体凝固模式． ( 2) 薄带表层胞状晶区内残留铁素体为棒状， 柱状晶区的残留铁素体为鱼骨状，中心等轴晶区的 残留铁素体呈弯曲的树枝状． ( 3) 薄带中的残留铁素体沿着厚度方向呈现 “W”状分布，即薄带的表层胞状晶区内残留铁素体 的质 量 分 数 为 4. 60% ～ 6. 60% ，柱 状 晶 区 内 为 3. 60% ～ 3. 70% ，中心等轴晶区内为 11. 27% ～ 11. 34% ． 参 考 文 献 ［1］ Guthrie R I L． Steel strips: the long and winding road． Iron Steel Technol，2006，3( 11) : 104 ［2］ Zapuskalov N． Comparison of continuous strip casting with conven￾tional technology． ISIJ Int，2003，43( 8) : 1115 ［3］ Huang F X，Zhang J M，Wang X H，et al． Nonmetallic inclusions in SUS304 strip produced by twin-roll strip casting． J Univ Sci Technol Beijing，2008，15( 2) : 110 ［4］ Wu J C，Fang Y，Yu Y，et al． Properties of direct cold rolled 0Cr18Ni9 stainless steel strip cast by twin-roll strip casting process． Iron Steel，2006，41( 8) : 46 ( 吴建春，方园，于艳，等． 双辊薄带连铸 0Cr18Ni9 不锈钢的 直接冷轧研究． 钢铁，2006，41( 8) : 46) ［5］ Liu Z，Lin Z，Qiu Y，et al． Segregation in twin roll strip cast steels and the effect on mechanical properties． ISIJ Int，2007，47 ( 2) : 254 ［6］ Yamauchi T，Nakanori T，Hasegawa M，et al． Characteristics of stainless steel strip cast by twin rolls． Trans Iron Steel Inst Jpn， 1988，28( 1) : 23 ［7］ Mizoguchi T，Miyazawa K I． Formation of solidification structure in the twin roll casting process of 18Cr-8Ni stainless steel． ISIJ Int，1995，35( 6) : 771 ［8］ Bao P W，Di H S，Wang G D，et al． Microstructure of the twin￾roll cast stainless steel strip． J Northeast Univ Nat Sci，2002，23 ( 10) : 960 ( 鲍培玮，邸洪双，王国栋，等． 双辊铸轧奥氏体不锈薄带显 微组织分析． 东北大学学报: 自然科学版，2002，23 ( 10 ) : 960) ［9］ Yang M B，Pan F S，Zhang D F，et al． Forming mechanism of so￾lidification structure zone on 1Cr18Ni9Ti stainless steel twin-roll thin strip． Chin J Mater Res，2005，19( 3) : 325 ( 杨明波，潘复生，张丁非，等． 1Cr18Ni9Ti 不锈钢双辊薄带 凝固组织区的形成机理． 材料研究学报，2005，19( 3) : 325) ［10］ Schubert T，Lser W，Schinnerling S，et al． Alternative phase formation in thin strip casting of stainless steels． Mater Sci Techn￾ol，1995，11( 2) : 181 ［11］ Hunter A，Ferry M． Phase formation during solidification of AISI 304 austenitic stainless steel． Scripta Mater，2002，46( 4) : 253 ［12］ Ma J C，Yang Y S，Tong W H． Effect of melt superheating on the sub-rapidly solidified microstructure of AISI 304 austenitic stainless steel strip． Acta Metall Sin，2007，43( 8) : 879 ( 马建超，杨院生，童文辉． 熔体过热对 AISI 304 不锈钢亚 快速凝固薄带组织的影响． 金属学报，2007，43( 8) : 879) ·643·