D0I:10.13374/j.issn1001053x.2001.05.014 第23卷第5期 北京科技大学学报 VoL.23 No.5 2001年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2001 半固态钢铁材料流变轧制的试验 宋仁伯康永林孙建林赵爱民毛卫民 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要利用自行设计的半固态钢铁材料直接轧制系统对弹簧钢(60Si2M)与奥氏体不锈钢 (1C18Ni9T)进行了半固态浆料直接轧制试验.结果表明：半固态浆料在轧制过程中，液固相会 产生分离，导致液固相偏析，影响轧制产品的组织及性能；只有当固相率达到一定数值时，固相 颗粒才会发生塑性变形；仅经过一道次轧制，但轧件的力学性能已相当高.同时发现，浆料与轧 辊温差等因素将导致轧件产生表面裂纹：若轧件宽向上没有约束，一定会产生边裂 关键词半固态：固相率；流变轧制；偏析；力学性能；裂纹 分类号TG335 将钢铁材料的非枝晶半固态浆料直接与连 续轧制技术相结合，形成钢铁材料的半固态连 续轧制技术，即流变轧制，是不同于目前以枝晶 凝固为基础的任何形式的轧钢技术，它是以非 枝晶凝固为基础的一种崭新的轧制技术.它的 优势是：(1)半固态钢铁浆料的初生晶粒细小， 凝固收缩小，成分均匀，不存在偏析，制品性能 更优异、更均匀；(2)钢铁半固态浆料的初生固 相接近球状，变形抗力显著降低，成形能耗更 低，成形设备可以进一步小型化；(3)钢铁半固 态浆料的温度较低，部分凝固潜热已经释放，对 成形设备的热作用减小，提高了设备的使用寿 图1半固态流变浆料制备和直接轧制示意图 命；(4)钢铁半固态浆料直接成形可以大大地缩 1一电磁搅拌绕组，2一浇口，3一钢液，4喜杆， 短钢铁产品的生产流程，节约大量因反复加热、 5一半固态浆料，6一懂拌坩埚，7一水冷空心轧辊 冷却所消耗的能源和时间：(5)钢铁半固态浆料 Fig.1 Schematic diagram ofsemi-solid steels preparation 直接成形的成材率得到明显提高 and rheorolling 1.2 为了实现钢铁的半固态直接连续轧制，本 试验材料及工艺 试验对钢铁材料的半固态浆料直接轧制工艺及 试验以弹簧钢(60Si2Mn)和奥氏体不锈钢 轧制产品的组织和性能进行了研究 (1Cr18Ni9T)作为研究对象，其化学成分见表1. 试验工艺路线为：弹簧钢(60Si2Mn)和不锈 1试验方案 表12种半固态钢的化学成分（质量分数） Table 1 The chemical compositions of semi-solid 60Si2Mn 1.1试验装置 and 1CrI8Ni9Ti 吨 试验装置为自行设计的高熔点材料半固态 钢种 Si M Cr 浆料制备与直接轧制成形系统.该系统将高熔 60Si2Mn 0.61 1.83 0.70 点材料半固态浆料制备、输送与直接轧制成形 1Cr18Ni9Ti 0.10 ≤0.10≤2.00 17.43 合为一体，如图1所示. 钢种 Ni Ti P 60Si2Mn ≤0.03 ≤0.035 收稿日期2001-02-26宋仁伯男，31岁，博士 1Cr18Ni9Ti10.63 0.59 ≤0.03≤0.035 ★国家自然科学基金资助项目0N0.59995440)
第 2 3 卷 第 5期 2 0 1年 10 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Jo u r o a l o f U n恤” ity fo sc 招 n ce a . d l 】七c h . o l哪罗 B jei 恤 g M】L2 3 N o . 5 O C t 2 0 1 半 固态钢铁材料流变轧制的试验 宋仁伯 康永林 孙建林 赵爱民 毛卫 民 北京科技大学材料科学与工程学院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 利 用 自行设计 的半 固态 钢铁材料直接轧 制系统 对 弹簧钢 (6 05 论M n )与奥 氏体不 锈钢 ( I rC 1 8N ig T i) 进行 了半固态 浆料直接轧制 试验 . 结果 表明 : 半固态 浆料在 轧制过程 中 , 液 固相会 产生分 离 , 导致 液 固相偏析 , 影 响轧制 产品 的组 织及性能 ; 只有 当固相率达到一 定数值时 , 固相 颗粒才会发 生塑性 变形 ; 仅经 过一道 次轧制 , 但轧件 的力 学性能 已 相 当高 . 同时 发现 , 浆料 与轧 辊温 差等因素将导致轧件产生 表面裂 纹 ; 若轧件宽 向上没有 约束 , 一定 会产 生边裂 . 关健词 半固态 ; 固相率; 流 变轧制 ; 偏 析 ; 力学性 能 ; 裂纹 分 类号 T G 33 5 将钢铁 材料的非枝 晶半 固态浆料直接 与连 续 轧制技术相结合 , 形成钢铁 材料的半 固态连 续 轧制技术 , 即流变轧制 , 是不同于 目前 以枝 晶 凝 固为基础 的任何 形式 的轧钢技术 , 它是 以非 枝晶凝 固为基础 的一种崭新 的轧制 技术 . 它 的 优势是 : ( l) 半 固态钢铁浆 料的初生 晶粒 细小 , 凝 固收缩小 , 成分均匀 , 不存 在偏析 , 制 品性能 更优异 、 更均匀 ; ( 2 )钢铁 半固态浆料 的初生 固 相接近 球状 , 变形抗力显 著降低 , 成形能耗 更 低 , 成 形设备可 以进 一步小型 化 ; ( 3) 钢铁半 固 态浆料的温度较低 , 部分凝固潜 热已经释放 , 对 成形设备 的热作 用减小 , 提高 了设备 的使 用寿 命 ; ( 4) 钢铁半 固态浆料直接成形可 以大大地缩 短钢铁产品 的生产流程 , 节约大量因反复加热 、 冷却所消耗的能源和时间 ; ( 5) 钢铁半 固态浆料 直接成形 的成材率得到 明显提高 ” :.,l 为 了实现钢铁 的半 固态直接连续 轧制 , 本 试验对钢铁材 料的半 固态浆料直接轧制工艺及 轧制产 品的组 织和 性能进行 了研 究 . 触猫念泥 只 又 1 试验方案 L l 试验装 t 试验装置为 自行设 计的高熔点材料半固 态 浆料制备 与直接 轧制成形 系统 . 该 系统将 高熔 点材料半 固态浆料 制备 、 输送 与直接轧制成形 合为一体 , 如 图 1 所示 . 收稿 日期 2 0 1刁2一6 宋仁伯 男 , 31 岁 , 博 士 * 国家自然科学基金资 助项 目(N 0 . 5 9 95 4 0) 圈 1 半固态流 变桨 料制备 和直 接轧 制示意 圈 1一电磁搅 拌绕 组 , 2一浇 口 , 斗一 钢液 , 本- 密 杆 , 5 ~ es 半固态 桨料 , 6一搅拌增塌 , ,一水冷 空心 轧辊 F嗯 · 1 S c h e m a血 d is g , m o f se m i . so 加 ,概肠 P er p a ar it o n a n d r h eo or lil . g L Z 试验材料及工 艺 试验 以 弹簧钢 ( 6 05 论M l l ) 和奥 氏体不锈 钢 ( I C r 18N ig iT )作为研究对象 , 其化学成分见表 1 . 试验工艺路 线为 : 弹簧钢 ( 6 s0 iZ M n )和不 锈 裹 1 2 种 半 固态钢 的化 学成分 (质t 分 数) 几b l e 1 T b e c肚e m ic a l e o m P o s i t i o n s of se m i- so 如 60 5设 M n a n d I C r I SN 诊iT % 钢种 C 5 1 M n C r 6 0 5设M n 0 . 6 1 1 . 8 3 0 . 7 0 一 IC r l 8N i g iT 0 . 10 续 0 . 10 续 2 . 0 0 1 7 . 4 3 二吕吕吕哥 . 目吕吕目留吕吕吕公吕 钢种 N i iT S P 6 0 5论M n 一 I C r l 8N i g iT 10 . 6 3 续 0 . 0 3 簇 0 . 0 3 续 0 . 0 3 5 成 0 . 0 35 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2001. 05. 014
·440· 北京科技大学学报 2001年第5期 钢(1Cr18Ni9Ti)的热轧料一感应炉加热溶化一 时间是7min,而1Cr18Ni9T的搅拌时间是15 倒入流变器经电磁搅拌（搅拌功率15kW)一半 min.由于制备不锈钢半固态流变浆料的搅拌时 固态浆料(60Si2Mn1450℃，1Cr18Ni9Ti1430℃) 间长，浆料在凝固过程中，先结晶的奥氏体受到 一导流管（内部有加热保温装置）一→轧制（辊缝5 充分搅拌，固相率可达0.6，固相颗粒比较均匀 mm,轧辊温度50℃)一水淬. 地分散在液相中，而60Si2M血的固相率只有0.3， 固相颗粒大多以聚集状态存在.通过轧制后组 2结果与讨论 织（图2b,d)的比较可以发现：在轧制过程中，半 2.1半固态浆料轧制过程中的组织变化 固态浆料变形时会产生液固相分离，当固相率 从图2中的轧制前组织图a,c可以看出：与 低时，固相大多数留在轧件的中心，而液相流向 60Si2Mn弹簧钢半固态流变组织比较， 轧件的边部，固相颗粒基本上不发生塑性变形， 1Cr18Ni9Ti不锈钢半固态流变组织固相率更高， 仍然为球形；随着固相率的提高，固相颗粒的增 先结晶的奥氏体固相颗粒圆整度更好，尺寸较 多，固相颗粒才会发生塑性变形，晶粒被压扁拉 小.在半固态浆料制备过程中，60Si2Mn的搅拌 长，并且固液相的分布也比较均匀 图2半固态浆料轧制前后的显微组织(a,b轧制前后60Si2Mn;c,d轧制前后1Cr18Ni9T) Fig.2 The before and after microstructure of semi-solid slurries(a,b-60Si2Mn;c,d-1Cr18Ni9Ti) 2.2半固态浆料轧制产品的力学性能 率较低(f-03),球形晶粒少，轧制过程中组织成 为了便于比较，本试验把常规多道次轧制 分不均匀，晶粒粗大6”，并且仅经过一道次的变 条件下的轧制产品与半固态浆料轧制产品的力 形，因此轧后材料的抗拉强度和延伸率要明显 学性能进行了对比，试验在拉伸试验机和洛氏 低于常规热轧60Si2Mm,且表现为脆性断裂.因 硬度计上进行.测得的试验数据如表2所示. 此需要进行后步工序的加工，细化晶粒，均匀组 从拉伸试验结果来看，半固态60Si2Mn轧 织，获得良好的力学性能，才能达到产品质量的 后的各项性能指标均不如常规轧材.从前面组 要求.而半固态1Cr18Ni9Ti轧件的拉伸屈服强 织分析可知，由于60Si2M血半固态浆料的固相 度与抗拉强度相当高，虽然只轧制一道次，但所 表2 试验数据 Table 2 Experimental data 钢号 试样 o,/MPa a/MPa 6% HRB 常规多道次轧制样 994.4 13.20 97.8 60Si2Mn 半固态」道次轧制样 680.3 9.56 70.8 常规多道次轧制样 500 790 40 56.6 ICrI8Ni9Ti 半固态1道次轧制样 480 1022 40 85.0
VoL23 No.5 宋仁伯等：半固态钢铁材料流变轧制的实验研究 ·441· 得到的力学性能要普遍高于普通轧制状态下的 有提高：(2)由于半固态轧制产品的边部和中部 1Cr18Ni9Ti的力学性能，表现出良好的塑性.这 组织分布的差异，在力学性能上表现出明显的 可能与高的固相率(6=0.6)有关，其球形晶粒多， 不同；(3)在轧制过程中，如果轧件与轧辊的温差 组织成分均匀.从变形机理分析，它的变形是一 很大，会导致轧件的表面产生裂纹.同时，若在 个从塑性变形到超塑性变形的过程，但变形机 轧件的宽度方向上没有约束，定会产生边裂，因 理尚有待进一步深入研究. 此对轧件的侧封是必要的 表面硬度试验结果（表2）表明：在轧制过程 参考文献 中，由于半固态浆料固液相的偏析，使轧件中心 1谢水生，黄声宏，半固态金属加工技术及其应用.北 和表面处组织分布不均匀，表面处有大量细小 京：冶金工业出版社，1999.3 枝品，这会导致轧件表面硬度偏低，且使半固态 2 Kattamis T Z,Peccone T J.Rheology of Semi-Solid 轧件表面硬度分布不均匀. Al-4.5%Cu-1.5%Mg Alloy.Material Science Engineer- 23半固态浆料轧制产品的表面质量 ing,1991,131A:265 (1)表面裂纹.半固态浆料的轧制温度在 3 Turng L S,Wang KK.Rheological Behavior and Model- 1400℃左右，轧辊为空心辊，中间通水冷却.轧 ing of Semi-solid Sn-15%Pb Alloy.Journal of Materials Science.1991,26:2173 辊紧靠近保温装置的下端口，由于热辐射，轧辊 4 Quaak C J,Horsten MG,Kool W H.Rheological Behavior 表面温度比水温略高.轧后轧件可以看到表面 of Partially Solidified Aluminum Matrix Composites.Ma- 有许多不规则的细小裂纹.初步认为，当轧辊与 terials Science Engineering,1994,183A:247 浆料接触时，浆料处于急冷状态，产生很大的热 5 Geindreau C,Auriault J L.Inv Estigation of the Viscoplas- 应力，而没有后续加工，致使表面裂纹的出现. tic Behavior of Alloys in the Semi-solid State by Homo- (2)边裂.在轧制过程中，浆料在宽度方向 genization.Mechanics of Materials,1999,31:535 6 Yu Y B,Song P Y,Kim SS,Lee J H.Possibility of Im- 上没有约束限制，处于自由宽展状态，浆料的变 proving Tensile Strength of Semi-solid Processed A356 形量又很大，可达60%，大部分液相会流向轧件 Alloy by a Post Heat Treatment at an Extremely High 的宽度方向上；当变形速率较大时，液相来不及 Temperature.Scripta Materialia,1999,41(7):767 补充，边部留下孔洞，产生应力集中，形成裂纹. 7 Ferriante M,Freitas E de.Rheology and Microstructure 若浆料的固相率较低，液相较多时，会出现“流 Development of a Al-4%Cu Alloy in the Semi-solid state. Materials Science and Engineering,1999,271A:172 汤”现象，但开裂的倾向小，边部比较圆整 8 Choi Jaechan,Park Hyungjin,Kim Byungmin.The Influ- 3结论 ence of Induction Heating on the Microstructure of A356 for Semi-solid Forging.Journal of Materials Processing (1)通过试验研究发现，随着半固态浆料固 Technology,1999,87:46 相率的提高，轧件的组织均匀性及力学性能都 Experimental Study on Semi-solid Steels for Rheorolling SONG Renbo,KANG Yonglin,SUN Jianlin,ZHAO Aimin,MAO Weimin Materials Science and Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT The experimental study on the familiar 60Si2Mn and 1Cr18Ni9Ti materials for rheorolling in the semi-solid state using the directly rolling system designed by oneself has done.Experimental results show that the segregation of liquid occurs when the semi-solid slurry is rolled,which influence the microstructure and mechanical properties of workpiece under room temperature.The globular solid particles don't present plastic deformation unless high solid fraction.At the same time,the mechanical properties of workpiece is good while the semi-solid slurry is rolled a pass and no other treatment.Surface cracks found on the surface of workpiece are caused by temperature difference between the slurry and the roller or other factors.And it is necessary to restrict the flow of the slurry in the width direction during rolling for avoiding edge cracks. KEY WORDS semi-solid;solid fraction;rheorolling;segregation;mechanical property;crack
V七2L 3 N o . 5 宋 仁伯等 : 半固态钢 铁材 料流变 轧制 的实 验研 究 . 4 1 . 得到的力学性 能要普遍 高于普 通轧制状态下 的 I C r 1N8 gi iT 的力学性 能 , 表现 出 良好 的塑 性 . 这 可 能与高 的固 相率伏二 0 . 6) 有关 , 其球形 晶粒多 , 组织成分均匀 . 从变形机理分析 , 它的变形是一 个从塑性 变形到超 塑性 变形 的过程 , 但变形机 理 尚有 待进一步深 入研究 . 表面 硬度试验结 果( 表 2) 表明 : 在轧制过程 中 , 由于 半 固 态浆料 固液相 的偏 析 , 使轧件 中心 和表 面处 组织分布 不均匀 , 表 面 处有大量细小 枝 晶 , 这会 导致轧件表面硬度偏低 , 且使半固态 轧件 表面硬度分 布不均匀 . .2 3 半固态浆料轧制产 品的表面质t ( l) 表面 裂纹 . 半 固态 浆料 的轧制 温度在 14 0 0℃ 左 右 , 轧辊为空 心 辊 , 中间通 水 冷却 . 轧 辊 紧靠近保温装置 的下 端 口 , 由于热辐射 , 轧辊 表面温度 比水 温略高 . 轧后轧件可 以看 到表面 有许 多不 规则 的细 小裂纹 . 初 步认为 , 当轧辊与 浆料接触时 , 浆料处于 急冷状态 , 产生很大的 热 应力 , 而没有后续加 工 , 致使表 面裂纹 的出现 . ( 2 )边 裂 . 在轧制过程 中 , 浆料在 宽度 方 向 上没有约束 限制 , 处于 自由宽展状态 , 浆料 的变 形量 又很大 , 可 达 60 % , 大部分液相会流 向轧件 的宽度方 向上 ; 当变形速率较 大时 , 液相 来不 及 补充 , 边部 留下孔洞 , 产生 应力集 中 , 形成裂纹 . 若浆料 的固相 率较低 , 液 相较多时 , 会 出现 “ 流 汤 ” 现象 , 但开裂 的倾 向小 , 边部 比较 圆整 ` .s] 3 结论 ( l) 通过试验研究发现 , 随着半 固态浆料 固 相率 的提高 , 轧件 的组织 均匀性及力 学性能都 有提高 ; (2 )由于 半 固态轧制产品 的边部和 中部 组织 分布的 差异 , 在力学性 能上 表现 出 明显 的 不 同; (3) 在轧制过程 中 , 如果轧件 与轧辊的温差 很 大 , 会导致轧件 的表面 产生裂纹 . 同时 , 若在 轧件 的宽度方 向上没有 约束 , 定会产生边裂 , 因 此对 轧件的侧封是 必要 的 . 参 考 文 献 1 谢水 生 , 黄 声宏 . 半固态 金属 加工技 术及其应 用 , 北 京 : 冶金工 业 出版 社 , 1 9 9 . 3 2 aK t aj nr i s T Z , P e e e o n e T J . Rhe o l o gy o f s e m i 一 S o li d A I 一 4 . 5% C u 一 1 . 5% M g A ll o y . M aet ir a l S c i e n e e E n g i n e e r - i n g , 19 9 1 , 1 3 1A : 26 5 3 Tu m g L S , 叭伯n g K K . hR e o l o g i e a l B e hva i o r an d M o d e l - i n g o f S e m i 一 s o lid S n 一 1 5% Pb A l l o y . J o u nr a l o f M aet ir a l s S e i e n e e , 19 9 1 , 2 6 : 2 1 7 3 4 Q u a ak C J , H o r s t e n M G , K o o l W H . Rh e o l o g i e a l B e hva i o r o f P art i a lly S o l id iif e d A lum in u m M a tr 议 C o m P o s iet s . M a - t e ir a l s S e i e n e e E n g i n e e inr g , 199 4 , 1 83 A : 24 7 5 eG ind r e a u C , A ur i a u it J L . nI v E st i gat io n o f ht e V i s c 0 P las - ti e B e h a v i o r o f A l loy s i n ht e S e m i 一 s o lid Sat t e by H o m o - g e n iaz t i o n . Me e h an i e s o f M a t e r i a l s , 1 9 9 9 , 3 1 : 5 3 5 6 uY Y B , S o ng P Y, Ki m S S , L e e J H . P o s s i bi li ty o f ln - P r o v in g eT n s i l e S tre n ght o f S e m i 一 s o l id P r o e e s s e d A 3 5 6 A ll o y by a P o s t H e a t T r e a it n e n t at an E x t r e m e ly H i g h eT m P e r atu r e . S e r i atP M at e r i a li a , 19 9 9 , 4 1 (7 ) : 7 6 7 7 F e ir an t e M , F re i t a s E d e . hR e o l o gy an d M i e or s tru e n 叮 e D e v e loP m e n t o f a A I 一 4% C u A l l o y i n ht e s e m i 一s o li d s t a t e . M ate ir a l s S e i e n e e an d E n g i n e e n n g , 19 99 , 2 7 l A : 17 2 8 C h o i j a e e h an , P ar k yH u n 自i n , K 而 B yU n gln i n . hT e l n fl u - e n e e o f l n d u c ti o n H e a t in g o n ht e M i e or s utr e t u er o f A 3 5 6 for S enr i 一 s o lid F o笔 ing . J o u r n a l o f M at e ir a l s Por e e s s in g eT c hn o l o gy, 19 9 9 , 87 : 4 6 E x P e r im e n t a l S t u d y o n S e m i 一 s o l i d S t e e l s of r R h e o r o l il n g S 口刀G R e n ob , 犬注N G oY州in , S 〔力V iJ a nl in , 刀例 O A im in , 人翻 O 肠 im in M at ier aj s S e i e n e e an d E明in e e n n g S e h o o l , U S T B e ij in g , B e ij in g 10 0 0 8 3 . C h in a A B S T R A C T Th e e xP e ir m e nat l s ut 勿 o n ht e 细11 iliar 6 0 S iZM n an d I C r l 8N i g iT m at e ir a l s for ht e or o llin g in het s e m i 一 s o lid s at et u s i n g ht e d ier e t l y or lling s y s t e m d e s ign e d 勿 o n e s e lf h a s d on e . E x Pe r而e nat l er s ul st hs ow 小鱿 ht e s e gr e g iat o n o f liq ul d o e e ur s w h e n ht e s e m i 一 s o lid s l u r r y 1 5 or ll e d , w h i e h i n fl u e cn e ht e m i cor s utr c tL 叮 e a n d m e e h耐 e a l Por Pe irt e s o f w o r冲 i e e e un d e r r o o m et m Pe r a t u r e . hT e g lob ul ar s o lid P叭i e l e s d o n , t rP e s e nt Pl a s it e de fo n n at i o n un l e s s hi hg s o lid far e t i o n . A t ht e s am e t加e , ht e m ec h an i e a l P r o Pe rt i e s o f w o r kP iec e 1 5 g o o d w hi l e ht e s e m i 一 s o lid s 1 L川yr 1 5 or ll e d a P a s s an d n o o ht er etr a it n e in . S u r fa e e e ar e ks fo un d o n ht e s ur fa e e o f w o 比甲i e c e ar e e a us e d b y t e m P e r a ut r e d ifl 笼r e cn e b e wt e e n ht e s l l l n 了 an d ht e r o ll e r o r o ht e r fa e tor s . iA l d it 1 5 en e e s s ayr ot r e istr ct ht e fl ow o f ht e s l u n y i n ht e w i hdt d ier e t i o n d u r in g r o llin g fo r va o i idn g e dg e e ar e ks . K E Y W O R D S s e m i 一 s o lid : s o lid far e t fo n ; r h e o or llin g : s e gr e g at ion : m e e h an i e a l rP op e yrt : e ar e k
