430铁素体不锈钢板坯组织分析

陈兴润

【摘 要】采用金相显微镜(OM)对430铁素体不锈钢板坯宏观组织和金相组织进行检测,采用X射线衍射(XRD)和差热分析的方法对板坯中物相进行分析,并用电子探针(EPMA)确定铸坯中元素分布.结果表明:430不锈钢铸坯试样在加热过程中发生了铁素体和奥氏体的相变,X射线衍射图谱中只有体心立方的α相峰位;430不锈钢板坯宏观组织由柱状晶和等轴晶组成;板坯金相组织由铁素体基体和长条状、块状的马氏体组成,存在成分偏析;柱状晶区金相组织中马氏体质量分数为30％,而等轴晶区金相组织中马氏体质量分数为14％.

【期刊名称】《冶金分析》

【年(卷),期】2015(035)004

【总页数】5页(P49-53)

【关键词】430铁素体不锈钢;板坯;宏观组织;金相组织;马氏体

【作 者】陈兴润

【作者单位】酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司,甘肃嘉峪关735100

【正文语种】中 文

不锈钢由于其出色的耐蚀性能被广泛应用于运输、家电、厨房、建筑、土木等各领域[1]。近年来镍资源的短缺问题，致使铁素体等节镍型不锈钢得到了飞速发展。430作为中铬铁素体不锈钢的代表，具有优良的耐全面腐蚀、耐氯化物应力腐蚀性能和冷成型性，因此广泛应用于建筑装饰、餐具、卫生器具、家庭用器具等领域[2-6]。

430铁素体不锈钢板坯组织直接影响后续产品的表面质量和力学性能。王贺利[7]通过分析430不锈钢连铸坯等轴晶比例偏低的影响因素，在电磁搅拌能力不足的情况下，改进工艺，使等轴晶比例由工艺改进前的15%～20%提高到工艺改进后的45%～50%，减少了铸坯横裂现象。常锷等[8]在430 铁素体不锈钢成分体系基础上，研究了成分的变化对430 铁素体不锈钢凝固结构的影响，得出含碳量越高，铸锭中的等轴晶比率越大的结论。以上研究只是考虑到430板坯组织中等轴晶率的影响，事实上430板坯金相组织中马氏体的含量高会导致裂纹的出现，而金相组织中晶粒尺寸又会影响到后续产品的力学性能。因此，本文采用金相显微镜(OM)结合X射线衍射仪(XRD)、差热分析及电子探针等手段对430铁素体不锈钢板坯低倍组织和金相组织进行系统检测分析，了解板坯轴晶率及不同部位的金相组织，以期为430铁素体不锈钢产品质量的改进提供参考。

1.1 实验材料

430铁素体不锈钢冶炼以高炉铁水为原料，经过铁水罐脱P、脱Si处理后，直接兑入氩氧脱碳转炉(AOD)进行脱C、脱S处理，后送到钢包精炼炉(LF) 进行精炼，当成分和温度达到要求后，将钢液运至连铸平台进行浇铸。连铸机为直弧型板坯连铸机，二冷区施加电磁搅拌，电流强度为3 700 A，转变时间30 s。430铁素体不锈钢板坯尺寸为：1 540 mm(宽度)×220 mm(厚度)。进行板坯组织分析的430铁素体不锈钢的化学成分见

表1所示。

1.2 实验方法

对430铁素体不锈钢连铸坯进行低倍组织侵蚀，侵蚀剂为氯化铁+盐酸(FeCl3+HCl)溶液，侵蚀后对低倍组织进行观察，并测量三角区长度。

将铸坯试样经预磨、抛光和经偏重亚硫酸钾+盐酸(K2S2O5+HCl)腐蚀液腐蚀后采用LEICA DMI 3000M金相显微镜(德国徕卡公司)对金相组织进行观察，并采用金相显微镜自带的软件对组织进行定量；显微硬度检测采用HXD-2000TMSC/LCD型显微硬度仪(上海泰明光学仪器厂)，试验力200 gf，保荷时间10 s，在样品厚度中心区域做维氏硬度测试；采用D8-Advance 型X射线衍射仪(德国BRUKER公司)鉴定430不锈钢铸坯和热轧板试样物相，衍射条件为Cu靶Kα线；采用DSC-TG分析仪(德国耐驰仪器制造有限公司)对430不锈钢铸坯试样加热过程的相变进行分析；采用电子探针仪(日本岛津公司)观察430铸坯试样的二次电子形貌像，并对表面的化学成分进行线扫描，分析Cr含量和C含量的分布。

2.1 综合热分析仪(DSC-TG)分析

图1为 430铁素体不锈钢铸坯试样的DSC-TG曲线。从图1中可以看出：430不锈钢DSC曲线中出现了两个较为明显的吸热峰，分别为686.1 ℃和931 ℃，说明在这两个温度发生了铁磁性转变或者相变。686.1 ℃通常为不锈钢的铁磁性转变温度(居里点)，而在931 ℃出现峰值，说明发生了铁素体和奥氏体之间的相变。从1 200 ℃开始直到实验

结束温度1 400 ℃，样品依然持续吸热，说明其后可能发生与吸热相关的变化，如样品熔融等。

2.2 X射线衍射物相分析

图2为 430铁素体不锈钢试样的X射线衍射(XRD)图谱。从图2(a)中可以看出：430铸坯试样中只有体心立方的α相峰位，但衍射峰宽化，因此峰的宽化应为铁素体和马氏体的衍射峰叠加的结果。铁素体为体心立方晶体结构，马氏体也为体心立方晶体结构。图2(b)为430热轧板试样的XRD图谱，主要衍射峰也为α-Fe，但是衍射峰不像铸态试样的XRD峰那样宽化，为单一的铁素体衍射峰。

2.3 低倍组织

图3为430铁素体连铸板坯的组织照片。施加电磁搅拌后，430板坯低倍组织由柱状晶和等轴晶组成，三角区长度为110 mm，如图3(a)所示；边部柱状晶粗大，以长条状向内延伸，如图3(b)所示；心部等轴晶粒细小，分布均匀，组织致密，如图3(c)所示。

2.4 铸坯金相组织

分别选取430铁素体不锈钢连铸坯柱状晶区和等轴晶区的试样，对试样金相组织进行观察，如图4所示。从图4(a)中可以看出：柱状晶区金相组织由铁素体基体和长条状、块状的黑色晶粒组成，铁素体晶粒尺寸都超过50 μm。从图4(b)中可以看出：等轴晶区金相组织跟柱状晶区一样，也是由铁素体基体和长条状、块状的黑色晶粒组成，铁素体晶粒尺寸细小，尺寸小于50 μm。用显微硬度仪检测铁素体基体和黑色晶粒的显微硬度，

基体为160 HV0.2，长条状、块状的黑色晶粒为570 HV0.2，因此根据晶粒形貌和硬度值，可以推断出430铁素体不锈钢铸坯中长条状、块状的黑色晶粒为马氏体。用光学显微镜自带的定量软件对组织进行定量，柱状晶区金相组织中马氏体质量分数平均值为30.0%，而等轴晶区金相组织中马氏体质量分数平均值为14.0%。

2.5 铸坯试样元素分布

采用电子探针对Cr、C、B、Si、P、S等6种元素进行了线扫描(图5)，分析了铁素体基体和马氏体中6种元素的分布，尤其是Cr和C的分布。从图5中可以看出：铁素体基体和黑色马氏体组织中Cr、C两种元素的波动完全不一样，黑色马氏体区域Cr含量低、C含量高，而铁素体基体区域Cr含量高、C含量低，说明铸坯试样中存在明显的成分偏析。

图6为Fe-Cr二元平衡相图，根据430铁素体不锈钢的Cr含量可以推断出其连铸过程的相变。理论上讲，其凝固时不发生α→γ的相变，一直保持铁素体的组织结构[8]。但是，从430铁素体不锈钢板坯试样DSC-TG分析结果来看，试样在加热冷却过程中发生了铁素体和奥氏体的相变。因此，根据DSC-TG分析结果，430铁素体不锈钢连铸凝固过程的相变过程为：随着温度降低，液相完全转化为铁素体，温度继续降低部分铁素体转化为奥氏体，由于连铸冷却快，奥氏体在冷却过程中全部转化为了马氏体，铸坯试样的金相组织为铁素体和马氏体。由430铁素体不锈钢连铸坯的金相组织和XRD物相分析都可以验证，板坯柱状晶区和等轴晶区金相组织都由铁素体基体和长条状、块状的马氏体组成，XRD图谱中只有体心立方的α相峰位，铁素体和马氏体的衍射峰叠加导致衍射峰的宽化。

在铁素体不锈钢中，奥氏体的形成能力可用奥氏体势(γpot)来解释，如式(1)所示。

γpot=288 w(C)-54 w(Si)+7.5 w(Mn)+22 w(Ni)-18.75 w(Cr)+350 w(N)

式中：w为各元素的质量分数。

根据430铁素体不锈钢铸坯中元素分布及公式(1)可以得出：Cr含量低、C含量高的区域奥氏体势大，而Cr含量高、C含量低的区域奥氏体势小。连铸过程存在相变的主要原因为：凝固过程冷却速度较快，存在成分偏析，奥氏体势大的区域会在高温下发生奥氏体相变，在随后的冷却过程中全部转化为马氏体。柱状晶区金相组织中马氏体含量高于等轴晶区，分析原因为由于连铸过程施加了电磁搅拌，等轴晶区成分偏析明显要低于柱状晶区。

430铁素体不锈钢在连铸过程施加电磁搅拌后，剧烈的搅拌导致钢水中温度梯度相对减小，抑制了柱状晶的生长，此外电磁力破碎已经凝固的树枝晶，形成游离的晶核并增殖，使低倍组织中等轴晶率提高[9-11]，因此430板坯低倍组织由柱状晶和等轴晶组成。

(1)430不锈钢铸坯试样在加热过程中发生了铁素体和奥氏体的相变，XRD图谱中只有体心立方的α相峰位。

(2)施加电磁搅拌后，430板坯低倍组织由柱状晶和等轴晶组成，三角区长度为110 mm，边部柱状晶粗大，心部等轴晶粒细小、分布均匀、组织致密。

(3)430铁素体不锈钢板坯金相组织由铁素体基体和长条状、块状的马氏体组成。等

轴晶区铁素体晶粒尺寸细小，马氏体含量明显低于柱状晶区。

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