Cr16Mn9Cu2Ni1N低镍奥氏体不锈钢凝固组织研究

特钢技术Special Steel Techonlogy第19卷总第75期2013年第2期Vol.19(75)2013.No.2低镍奥氏体不锈钢具有良好的强度和耐磨性，由于降低了钢中Ni 含量，提高了Mn 含量并加入氮进行强化，适宜在承受较重负荷、耐蚀性要求不太高的设备和部件上使用。

由于成分设计差异，这类钢热加工性能与Ni-Cr 系不锈钢有所不同，热变形时表现出较差的热塑性。

尤其是在板坯粗轧时容易发生边部裂纹[1]，严重影响钢的生产和质量稳定性。

通过分析铸坯中δ铁素体的形态和含量，并与热轧过程中边裂的严重程度进行相关性分析，发现二者之间存在一定的联系[2]。

有研究表明，如果δ铁素体的含量不超过15%，不会对奥氏体的热延性造成危害[3]；而Czerwinski 等人研究发现，2%的δ铁素体就会使热轧板发生边部裂纹[4]。

连铸坯在凝固过程中，距离连铸坯表面不同位置，由于冷却速度的变化会带来凝固组织的变化[5]。

冷却速度低时，可得到接近平衡态的枝晶组织；冷却速度高时，得到远离平衡态的组织，例如容易得到共晶奥氏体[6]。

凝固模式的改变所引起的组织变化必然会影响热加工时的热塑性。

因此，研究连铸坯近表面层凝固组织变化，有利于从根本上解决低镍奥氏体不锈钢边部裂纹的产生。

1试验方法1.1试样的制取在Cr16Mn9Cu2Ni1N 铸坯上切取金相试样（试Cr16Mn9Cu2Ni1N 低镍奥氏体不锈钢凝固组织研究任培东潘伟（酒泉钢铁集团公司，甘肃嘉峪关735100）摘要：低镍奥氏体不锈钢冷却模式为先析出δ铁素体，随后转变为奥氏体，晶核中的δ铁素体被保存下来。

随着冷却速度的变化，凝固模式发生变化。

在冷却速度不太快的近表面层，可得到接近平衡态的枝晶组织，残留δ铁素体为骨架形或蠕虫状，奥氏体全部为δ铁素体通过固态相变转变而来。

在冷却速度较快的表面层，凝固模式偏离平衡态，δ铁素体作为先析出相在液相中形核长大的同时，剩余的液相转变为共晶奥氏体。

关键词：凝固组织；δ-铁素体;研究中图分类号：TG142.25文献标识码：A文章编号：1674-0971（2013）02-010-05Study on Solidification Microstructure of Cr16Mn9Cu2Ni1N Low Nickel Austenitic StainlessRen Peidong ，Pan Wei(Jiuquan Iron &Steel Corp.Ltd,Jiayuguan 735100,China)Abstract:During the cooling process,ferrite is the first phase to precipitate in low nickel austenitic steel,then it will be transformed into austenite and delta-ferrite in the nucleus is retained.With the change of colling rate,the solidification modes changes.Near the surface where the colling rate is not high,the near-bal⁃anced dendrite structure can be obtained.The retained delta-ferrite are vermiform or of skeleton frame and allaustenite are transformed from delta-ferrite by solid phase transformation.On the surface where the collingrate is very high,the solidification mode deviate from the balance;as primary-precipitated phase,delta-fer⁃rite form first from the liquid while the remaining liquid phases are transformed to eutectic-austenite.Keywords ：Solidification microstructure,Delta-ferrite ，Study收件日期：2013-5-23作者简介：任培东（1972-），男,1994年毕业于东北大学金属压力加工系，一直从事现场生产技术及产品研发。

供职于甘肃省嘉峪关市酒钢天风不锈钢公司技术科。

Tel:(0937)6711707;Email：renpeidong @样的化学成分见表1）。

其中铸坯的窄面和宽面不做任何加工处理，保留表面氧化皮。

取样如图1所示，试样尺寸20mm×20mm×20mm。

试样1的上表面和右边面仍保留氧化皮；试样2在铸坯的中间部位切取。

对铸坯表面不同位置试样金相组织进行观察，腐蚀液采用FeCl 3、HCl、CuCl 2及C 2H 5OH 的混合溶液，腐蚀时间：10~15s。

对已腐蚀试样进行电子探针分析。

1.2金相组织图2、3分别为Cr16Mn9Cu2Ni1N 宽面和窄面金相显微组织。

图1取样示意图Fig.1Sketch of sampling表1钢的化学成分/%Table 1Chemical composition of the steel/%图2宽面金相组织Fig.2Metallographic structure at the wide side of the casting blank元素含量元素含量C 0.090Ni 0.991Si 0.309Cr 15.259Mn 9.203Cu 1.540P 0.027N 0.1244S 0.001--2013年第2期任培东潘伟:Cr16Mn9Cu2Ni1N 低镍奥氏体不锈钢凝固组织研究··11特钢技术第19卷第2期由金相组织照片可看到窄面和宽面距离铸坯表面相同位置处的金相组织没有明显的差别，随着距离表面的位置不断变化，金相组织的变化也基本上是一致的。

因此可以把窄面和宽面上的凝固组织视为相同的。

随着冷却速度的变化，凝固组织变化很大。

铸坯表面的冷却速度最大，晶粒以柱状晶形式迅速生长，晶粒尺寸较小。

稍微远离表面、冷却速度较慢的区域开始出现骨架型的δ铁素体以及δ铁素体枝晶间较亮的条状共晶奥氏体。

冷却速度越小，δ铁素体越分散，共晶奥氏体含量越多。

中间部位的铸坯均为多边形的奥氏体组织。

1.3电子探针对不同的冷却速度下铸坯表面不同位置试样进行电子探针线分析测试。

图4为Cr16Mn9Cu2Ni1N距铸坯表面d<1mm、d=5mm、d=8mm及铸坯中间部位电子探针分析图。

2分析讨论Cr16Mn9Cu2Ni1N 钢在高温下的凝固模式可分为A、AF、FA、F 四种。

L→δ+L→δ→γ+δ（F 模式），L→δ+L→L+δ+γ→δ+γ→γ（FA 模式），L→γ+L→L+γ+δ→γ+δ→γ（AF 模式），L→γ+L→γ（A 模式）。

其中，L、δ和γ分别表示液相、δ铁素体和奥氏体。

图2（a ）铸坯表面的金相组织，其对应的电子探针线分析为图4(a)。

图4中，a处对应的Cr和N稍微偏高，Mn稍微偏低，为δ铁素体。

各元素整体变化较为平缓，成分偏析不太明显。

铸坯表面冷却速度非常大，晶粒以柱状晶迅速生长，组织较细小，成分比较均匀。

距离铸坯表面约1mm 处开始有骨架型δ铁素体和发亮的条状共晶奥氏体出现。

而且随着距离图3窄面金相组织Fig.3Metallographic structure at the narrow side of the casting blank··12(a)d<1mm 电子探针分析(b)d=5mm 电子探针分析图4电子探针分析Fig.4Electron probe analysis(c)d=8mm 电子探针分析(d)铸坯中间电子探针分析的增大，共晶奥氏体占的比例越大。

图4(b)、(c)穿过共晶奥氏体和δ铁素体进行电子探针线分析。

a 点位于枝晶处，为δ铁素体；b 点位于共晶奥氏体区，为共晶奥氏体。

图4(c)各元素也具有相同的变化特征。

由图4(b)、(c)可判断，液体中先析出枝晶状的δ铁素体。

铁素体生长速度较快，枝晶比较发达，把Mn，Ni，N 和Cu 等元素排挤到枝晶间的液体中。

当凝固快结束时，这部分液体在铁素体枝晶界处发生包晶-共晶反应形成奥氏体。

冷却速度越慢，枝晶界处的Mn，Ni,Cu 向液体扩散也充分，偏析越严重。

由于共晶奥氏体本身对杂质元素的溶解度比δ铁素体要低；同时在温度下降过程中再也不发生固态相变，无法对杂质元素的偏析重新分配：另外，它后于δ铁素体析出，在δ铁素体凝固的过程中会排出杂质元素，会使剩余液相的杂质元素的含量升高。

所以产生热裂纹的倾向很大，这是Cr16Mn9Ni1N 轧制过程中开裂的主要原因。

Cr16Mn9Ni1N 钢在凝固过程中存在γ+δ的两相区，热应力作用下两相界面上易产生热裂纹。

随着钢坯温度下降，在δ相向γ相转变的过程中，伴随相当大的体积收缩（0.22%），亦会产生较大的组织应力，也会导致裂纹产生。

此外，Cr16Mn9Ni1N 钢导热系数小，传热慢，膨胀系数大，导致在结晶器中坯壳过早收缩，易使坯壳厚度不均匀，容易产生板坯凹陷、凹坑、裂纹等缺陷，因此连铸二冷水必须采用弱冷的模式，而且铸坯矫直时表面温度要在900℃以上，同时要保证二冷水的均匀性，这样才能保证较好的板坯质量。

3结论（1）对于低镍奥氏体不锈钢Cr16Mn9Cu2Ni1N，冷却模式为先析出δ铁素体,随后通过固态相变转变为奥氏体。

但连铸坯近表面层上冷却速度的差异，使凝固模式发生了变化。

在冷却速度不太快的近表面层，如距表面25mm 处，可得到接近平衡态的枝晶组织，残留δ铁素体为骨架形或蠕虫状，奥氏体全部为初凝δ铁素体通过固态相变转变而来。

在冷却速度较快的表面层，如距连铸坯表面10mm 左右处，凝固模式偏离平衡态，δ铁素体作为先析出相在液相中形核长大的同时，剩余的液2013年第2期任培东潘伟:Cr16Mn9Cu2Ni1N 低镍奥氏体不锈钢凝固组织研究··13特钢技术第19卷第2期相转变为共晶奥氏体。

残留δ铁素体为蠕虫状或侧板条，奥氏体一部分为初凝δ铁素体通过固态相变转变而来，另一部分为液相转变为共晶奥氏体，这种共晶奥氏体组织容易产生较大的杂质偏析，这是Cr16Mn9Ni1N轧制过程中开裂的主要原因。