水平连铸结晶器铜套失效分析
金属铸锻焊技术
Casting ·Forging ·Welding 《热加工工艺》2011年第40卷第1期上半月出版●失效分析●
水平连铸是国际上在上世纪70年代后期发展起来高效、节能的炼钢技术[1]，它与常规的立式和弧形连铸相比有许多优点。水平连铸机几乎可以连铸所有的特殊钢、高合金钢和非铁基合金。水平连铸机的三大关键技术；即分离环、结晶器和拉坯机构,结晶器是水平连铸生产中的最主要工艺装备[2-3]，特别是结晶器中的铜合金内套[4]（以下筒称铜套）是水平连铸生产线上关键的易耗件之一。它的质量和使用寿命对铸坯的质量、产量、生产效率、材料消耗以及劳动强度等均有很重要的影响[5]。江苏科技大学金属材料研究所曾于上世纪80年代末90年代初，参与国家冶金部对水平连铸结晶器铜套进行科技攻关，并在国内较早地为40多家钢厂、特钢厂提供结晶器中的铜合金内套。多年来，国内某钢管有限公司使用国内几家单位供应的特钢水平连铸结晶器铜套，使用寿命波动很大，寿命短的拉坯2炉次就要报废，更换新的结晶器铜套，而少数寿命高的可以用拉坯
10炉次以上。为了提高生产效率、降低材料消耗和生
产成本，应进一步提高铜套使用寿命。本文对用户提供的使用失效铜套进行分析，研究了铜套失效的机制和影响结晶器铜套寿命的原因及提高使用寿命的措施，为下一步进行新铜套的成分设计、生产加工工艺改进提供了理论与实验依据，从而能稳定地提高结晶器铜套使用寿命，提高企业的经济效益。
1宏观分析
本次实验结晶器铜套材料为CuCo2Be 合金，其
成分为（质量分数，%）：2.3～2.8Co ，0.35～0.65Be ，其他元素微量，余量Cu 。该结晶器铜套共连铸拉坯
2炉次，属非正常下线，下线原因主要是铜套内壁严
重划痕、掉块造成钢坯划伤，无法正常生产。下线后观察结晶器内壁发现问题较多：
(1)划痕沟槽，划痕严重，较深，有13条上下贯
串，细划痕也较多。
(2)在分离环边缘交接处，横向裂纹4条，长分
别为120、12、32和10mm 长，如图1所示。
(3)掉块2处：①靠近分离环处裂纹下方17mm 一处，面积约为33mm ×26mm ；②紧靠分离环
一处，面积为12mm ×6mm 。掉块处划痕严重，贯串且较深，如图2所示。
水平连铸结晶器铜套失效分析
王冀恒1，洪昌1，谢春生1,田汉普2
（1.江苏科技大学先进焊接技术省级重点实验室，江苏镇江212003；2.湖南省衡阳华菱连轧管有限公司，湖南衡阳
421001）
摘
要：通过宏观分析、金相检验、SEM 断口分析及力学性能测试等手段，对连铸钢坯炉次少的CuCo2Be 水平连铸
结晶器铜套进行失效分析。结果表明：晶界氧化夹杂和铸造、锻造造成的组织缺陷是引起结晶器铜套快速失效的主要原因。
关键词：水平连铸；结晶器；CuCo2Be 铜合金；失效分析中图分类号：TG146.1
文献标识码：A
文章编号：1001-3814(2011)01-0169-03
Failure Analysis on Copper Sleeve in Horizontal Continuous Casting Mould
WANG Jiheng 1，HONG Chang 1，XIE Chunsheng 1,TIAN Hanpu 2
(1.Provincial Key Lab of Advanced Welding Technology,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China ;2.Technology Center,Hengyang Hualing Steel Tube Co.,Ltd.,Hengyang 421001,China )
Abstract ：By means of macroscopic and microstructure examination,SEM fractography,mechanical properties testing and so on,the failure of CuCo2Be copper sleeve only used a few times was analyzed.The results show that oxide inclusion in grain boundary and structure defects from casting and forging process are the main reasons for failure of the copper sleeve.
Key words ：horizontal continuous casting;mould;CuCo2Be copper alloy;failure analysis
收稿日期：2010-07-14
作者简介：王冀恒（1978-），男，河北冀州人，讲师，硕士，主要从事特
种金属材料研究；电话：132********；
E-mail ：wangjiheng27@https://www.wendangku.net/doc/ed12942012.html,
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金属铸锻焊技术Casting ·Forging ·Welding 2011年1月
Hot Working Technology 2011,Vol.40,No.1
通过观测铜套掉块处SEM 照片，见图3，可见掉块处存在大量的沟槽，在沟槽起始端具有鳞片特征。通过进一步对掉块处放大观测，可见其掉块内存在窝坑，这种现象是典型的黏着磨损[6]造成的。出现铜套黏着磨损时，由于铜套本身材质问题，造成材料强度急剧下降，从而造成磨损破坏加剧。
2金相组织分析
铜套的金相组织分析表明，组织为α基体相上
分布两种不同的化合物相，一种是弥散分布的细小相，一个是较大的长条或块状化合物相。由图4可
见，灰色块状或条状化合物多，且分布不均匀，有的沿界分布，此会严重影响铜套的使用寿命。
铜套上还发现存在与径向有一定角度分布的裂纹，见图5，裂纹为直裂纹，由宏观照片可知裂纹扩展纹路沿着晶粒走向。由于铜套起始浇铸时采用铁模浇铸，形成径向分布的柱状晶，并且合金溶液中的氧化夹杂等沿柱状晶界分布，虽然后续热加工变形量大，但是在径向分布的氧化夹杂等无法消除，并且随热锻扩孔等工序使其走向与径向有一定偏离，材料在高温大气环境，空气中的氧原子或氮原子可能沿晶界扩散进入材料内部，并且在晶界偏析，造成沿
图1铜套横向裂纹
Fig.1Transverse crack in copper sleeve
图3铜套掉块处SEM 照片
Fig.3SEM of peeling in copper sleeve
2mm
50μm 10μm 500μm
75μm
(a)低倍
(b)高倍
(a)高倍
(b)低倍
图4铜套金相组织
Fig.4Microstructure of copper sleeve
图5铜套径向裂纹处
Fig.5Radial crack of copper sleeve
晶脆性，此称为晶界疫害。在拉坯过程中受拉力压力作用下，裂纹迅速沿夹杂扩展，并且在高温下被进一步氧化，从而促进铜套破坏。
3力学性能分析
对失效铜套纵向取试样，制备标准拉伸试样，进
行拉伸试验，测试力学性能。同时，对铜套端部和中间分别取样，进行组织观察，硬度、导电率分析。
结晶器铜套力学性能总体达到了性能指标要求，如表1，但是中间部位取样硬度比端头飞缘部位取样硬度偏低，这主要是由于飞缘部位在使用过程中，不与钢液接触，冷却条件好、冷却快，而中间部位直接与钢液接触，铜套内部温度较高，铜套长时间工
作，易产生时效软化及内部晶粒粗化造成软化，从而也会加速铜套的损伤。
4拉伸断口分析
4.1拉伸断口分析
材料为含铜量非常高的铜合金，通过表1也可
知道该类合金塑性较好，拉伸断口为典型的韧性断口，如图6（a ）。但是在局部发现了典型的解理断口
屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 伸长率
(%)断面收缩率
(%)硬度
(HB)导电率
(%IACS)627
819
17.6
24.6
241（端部）238（中部）
4545
表1铜套力学性能指标
Tab.1Mechanical properties of copper sleeve
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上半月出版
的形貌特征，如图6（b ），说明试样内部部分晶界可能由于氧化杂质较多，使局部材料塑性下降，造成这种断裂形貌特点。
4.2裂纹处断口分析
在铜套横向裂纹处取拉伸试样，其拉断后发现近1/3断面氧化夹杂物非常严重，如图7。
铜套在分离环下方边缘交接处的横向裂纹，在拉伸时，首先在裂纹处断裂，见图7，具有氧化色的裂纹扩展至试样中部，并且可以看到明显的分为两部分：深色的氧化层区和浅深色的氧化层区，两种氧化层区都具有明显的河川状条纹，为典型的穿晶脆性断裂。深色氧化层区应为长时间高温氧化所致，应
1mm
图6铜套断口形貌
Fig.6Fractography of copper sleeve
图7铜套裂纹处的拉伸断口
Fig.7Tensile fractography at crack
(a)韧性断口
(b)解理断口
为微裂纹经高温热处理氧化所致。而浅深色的氧化层区应为工作过程中受拉力作用致使原有裂纹进一步扩展并且氧化所致。故铜套可能由于热锻时不规范操作或者材质晶界氧化物杂质较多，锻造或者热处理产生的微裂纹，并且在热处理时进一步扩展形成较大的断裂面。断裂面在工作时进一步扩展并且氧化，同时由此造成铜套产生严重的刮损，并产生如图7裂纹下面的沟槽，致使铜套失效。
5原因分析总结
(1)组织为α相和弥散强化相构成。在基体上分
布两种不同的化合物相，化合物分布不均匀，有的沿晶界分布，是严重影响铜套使用寿命重要原因之一。
(2)结晶器铜套力学性能总体虽然达到了指标要
求，但是中间部位直接与钢液接触，铜套内部温度较高，长时间在高温下工作，易产生过时效及内部晶粒粗化造成软化，造成中间部位硬度总体上比端头飞缘部位取样硬度偏低，容易导致材料表面造成划伤失效。
(3)铜套材料的拉伸断口均为典型的韧性断
口，具有明显的等轴韧窝形貌。但试样由于晶界氧化杂质较多，使局部材料塑性下降，断口形貌中有典型的解理断口的形貌特征。
(4)其中造成过快失效的主要原因是：一晶界
氧化夹杂过多，使用过程中产生沿晶裂纹；二是铸造、锻造造成的化合物、夹杂物分布不匀、大小不一等组织缺陷；三是黏着磨损造成的。6改进措施
通过对5件铜套的失效机制的分析，认为在铜
套制造过程中一定要注意以下几点：
(1)合金成分设计要合理，严格注意合金成分
含量的控制。
(2)熔炼时尽量少或不使用容易使合金熔液氧
化夹杂变多的旧料等作为合金原料。
(3)浇铸时注意冷却时间设计，避免出现大量
的柱状晶。
(4)规范锻造工艺，避免锻造缺陷的产生。(5)为了提高材料的耐磨性能和抗黏着磨损的
能力，在允许的条件下可以考虑增加铜套内腔的表面强化工艺。参考文献：
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