大型鋼錠A偏析的形成機理及影響因素

亓俊杰 梁小平 姚雁文 任宏晉

(重慶大學材料科學與工程學院，重慶400044)

近年來中國重型裝備制造業(yè)發(fā)展迅速，對于大型鑄鍛件的需求也很旺盛。特別是在代表大型鑄鍛件最高水平的核電設(shè)備方面，預計到2020年，核電占電力總裝機容量的比例將由4%調(diào)高到8%以上。據(jù)此推算，將帶動核電裝備制造業(yè)7 000億～7 500億元的市場需求。但是，由于制造能力不足和技術(shù)滯后，導致貨源緊張。這類產(chǎn)品所用鋼材一般是由大型鋼錠經(jīng)過開坯、壓延、鍛造等加工過程生產(chǎn)的，其質(zhì)量的好壞與鋼錠的質(zhì)量密切相關(guān)。要獲得高質(zhì)量的鑄鍛件，必須對鋼錠中固有的質(zhì)量缺陷如偏析、縮孔、夾雜等進行控制。A偏析是由合金凝固過程中局部區(qū)域內(nèi)溶質(zhì)富集所形成的一種通道型宏觀偏析，其產(chǎn)生部位如圖1所示，是鋼錠中主要缺陷之一。偏析物及疏松導致偏析區(qū)的脆化，形成裂紋源[1]，會明顯降低鑄錠及鑄件的力學性能，并且很難通過熱處理等后續(xù)工藝消除。本文論述了國內(nèi)外在大型鋼錠凝固過程A偏析的形成機理及影響因素方面的研究成果，這些研究對于弄清A偏析形成及分布的規(guī)律，進而改善鋼錠的質(zhì)量具有重要意義。

圖1 鋼錠內(nèi)A型和V型偏析產(chǎn)生部位示意圖Figure 1 The sketch for A-segregation and V-segregation in ingot

1 A偏析的形成機理

近年來，人們對A偏析的形成機理進行了大量的實驗與數(shù)值模擬研究。例如，Hellawell等[2、3]、Mori等[4]、Auburtin等[5]對通道偏析(A、V)的形成機理進行了實驗研究。Yeo等[6]對圓柱形鑄錠中通道偏析進行了實驗研究。介萬奇等[7]利用NH4Cl水溶液二維凝固的模擬鑄錠，直接觀察了A偏析的形成和擴展過程，分析了A型偏析的形成機理。Schneider等[8]研究了Pb-Sn合金側(cè)向凝固過程通道偏析的形成。韓志強等[9]建立了描述合金凝固過程熱、溶質(zhì)對流和宏觀偏析形成過程的數(shù)學模型，同時，基于固液兩相區(qū)中溫度和成分的耦合關(guān)系建立了固相分數(shù)場的更新方法，研究了二元Fe-C合金凝固過程中通道偏析的形成和發(fā)展過程。模擬結(jié)果表明，垂直定向凝固條件下通道偏析形成于液相線前沿附近，而不是兩相區(qū)內(nèi)部，這一結(jié)果很好地支持了文獻中基于實驗觀察提出的通道偏析形成機理。馬長文等[10]建立了雙擴散作用下糊狀區(qū)液相流動與溶質(zhì)分布的數(shù)學模型，研究了二元組分鑄錠中通道偏析的形成和發(fā)展，結(jié)果表明只有在溶質(zhì)富集到一定程度后才會產(chǎn)生通道。曹海峰等[11]基于二元系凝固過程熱溶質(zhì)的傳輸行為，建立了描述A偏析形成及演化的數(shù)學模型，并研究了浮力數(shù)對A偏析形成位置及偏析程度的影響。研究結(jié)果表明：在糊狀區(qū)中雙擴散對流引起的密度變化，導致局部流動，形成偏析通道；在相同的凝固條件下，浮力數(shù)越小，A偏析的形成時間愈遲，偏析的程度也越小。高宇等[12]通過實驗和數(shù)值模擬研究了Pb-Sn合金凝固過程的通道偏析，結(jié)果表明：鑄錠側(cè)向冷卻時，糊狀區(qū)中的富集溶質(zhì)(Sn)由于密度小而向上運動，在表面形成“溝槽”偏析，在鑄錠內(nèi)部形成A型偏析。

對于A型偏析的形成機理，主要存在以下四種觀點[13]：

(1)偏析鋼液上浮說[14]。該學說認為，A型偏析是由于密度小的溶質(zhì)濃化液在固液兩相區(qū)內(nèi)上升而引起的。例如，鋼錠的殘余熔體中富集著硫、磷、碳等溶質(zhì)元素，其密度小、熔點低。該富集溶質(zhì)的液體沿枝晶間上升，在其流經(jīng)的區(qū)域，枝晶發(fā)生熔斷，形成溝槽。殘余液體沿溝槽繼續(xù)上升，產(chǎn)生A型偏析。

(2)補縮渠道說。該學說認為，在柱晶結(jié)晶過程中，在柱晶的前方有循環(huán)液流，同時，在柱晶帶中，后期有柱晶隧道堵塞(補充結(jié)晶時的體積收縮)液流。這補縮液流促使許多漂泊的晶體粘附在柱晶前端而將柱晶隧道堵塞。這樣，使補縮液流改變方向從一些粘附晶體和柱晶之間通過，逐漸形成為長的補縮液流供應管道。它凝固較遲，是雜質(zhì)和合金元素匯集的地方。凝固后，成為A型偏析。

(3)氣泡跡線說。該學說認為，A型偏析帶的形成是由于氣泡升浮引起的。在鋼錠凝固過程中，在正偏析的鋼液中產(chǎn)生氣泡并緩慢升浮，偏析鋼液尾隨上升，氣泡升浮的跡線最后變成了A型偏析帶。

(4)裂紋說。該學說認為，在鋼錠凝固過程中，凝固層中形成了裂紋，為正偏析鋼液所填充，于是形成了偏析帶。

上述諸學說中，以偏析鋼液上浮說較流行。目前，人們已經(jīng)普遍接受“通道偏析是由枝晶間富集溶質(zhì)流動所引起”的觀點，但在通道偏析的形成位置及通道內(nèi)部富集溶質(zhì)的流動方向等問題上仍有分歧。

2 A偏析的影響因素

2.1 凝固條件對A偏析的影響

根據(jù)現(xiàn)代凝固理論，液固兩相區(qū)枝晶間富集溶質(zhì)的液相流動是形成A型偏析的主要因素，F(xiàn)lemings[15]通過對兩相區(qū)“局部溶質(zhì)再分配”方程的分析得出，當兩相區(qū)的冷卻速率ε、溫度梯度ΔT和液相流動速度υ滿足：υ·ΔT/ε<-1時，形成A偏析。因此，鋼錠的凝固散熱條件是形成A偏析的主要原因之一，為此曾有許多學者研究凝固條件對A偏析形成的影響。

鈴木等[16]利用水平單向凝固的方式在14 kg小鋼錠中重現(xiàn)了A偏析，通過對冷卻及凝固速率的研究發(fā)現(xiàn)：(1)A偏析形成于凝固前沿固相分數(shù)為0.35左右的地方。(2)A偏析的傾斜程度取決于凝固界面的推進速度與富質(zhì)液相的上浮速度的矢量和。(3)對0.7%碳素鋼，形成A偏析的臨界條件可以用ε·R1.1≤8.75的數(shù)學形式表示。其中ε是冷卻速度(℃/min)，R是凝固前沿的凝固速度(mm/min)。(4)A偏析的橫斷面面積與富集溶質(zhì)在糊狀區(qū)的保持時間有關(guān)。當富集溶質(zhì)在糊狀區(qū)的保持時間不超過180 min時，隨著保持時間的延長，A偏析的橫斷面面積增大(圖2)。這一發(fā)現(xiàn)表明凝固枝晶發(fā)生了重熔。

喻秋平等[17]采用加熱保溫爐控制一定尺寸鋼錠的冷卻，在凝固時間上模擬大鋼錠的凝固過程，控制鑄錠的軸向與徑向溫度梯度來分析對A偏析的影響。研究發(fā)現(xiàn)：鋼錠中形成A偏析的傳熱條件不僅與凝固冷卻速度有關(guān)，而且取決于軸向溫度梯度GA與徑向溫度梯度GR之比。若比值GA/GR增大，形成較好的軸向順序凝固，則有利于A偏析的減輕。

2.2 合金成分對A偏析的影響

對于0.7%碳素鋼，形成A偏析的臨界條件可以用ε·R1.1≤8.75[16]的數(shù)學形式表示。對于不同成分的鋼錠，人們也通過模擬實驗進行了研究。

圖2 富集溶質(zhì)在糊狀區(qū)中的保持時間對A偏析橫斷面面積的影響Figure 2 The influence of holding time of gathering solute in solid-liquid area on cross-section area of A-segregation

Yamada等[18]研究了A偏析形成的臨界條件(ε·R1.1)與鋼成分的依賴關(guān)系，發(fā)現(xiàn)：低Si化可以降低其A偏析。在同一TL-TS(此處TS是固相線溫度，TL是液相線溫度)情況下，臨界ε·R1.1的大小按照碳鋼、含Cr鋼、含Ni鋼和低Si合金鋼的順序排列。Suzuki等[19]進一步研究指出：不同成分的鋼中形成A偏析的條件為：ε·R1.1≤A，A為取決于鋼成分的常數(shù)：

A=4.93×10-5(x+18.8)3.1

此處x=28.9CSi+235.2CP+805.8CS-9.2CMo-38.2CV

式中，CSi、CP、CS、CMo、CV分別為鋼的合金成分。

顯然，P、S、Si具有增大A偏析的傾向。而Mo、V具有減小A偏析的傾向，并且V比Mo的作用大。

石田等[20]的研究表明：Mo、V、W均可抑制A偏析的形成，抑制作用的大小按W、Mo、V的順序排列。Haida[21]對鋼錠中A偏析嚴重程度的測量表明：

NA=1.43H/D-0.42TP+12.7Δρ2.3

式中NA——鑄錠縱斷面上A偏析的總長度，cm/100cm2；

H/D——鑄錠的高徑比；

TP——鑄錠的錐度；

ΔρL——枝晶間富集溶質(zhì)與純液相的密度差異，g/cm3。

2.3 凝固組織對A偏析的影響

凝固組織對A偏析通道的數(shù)量、生長方向及嚴重程度有顯著影響。

沈厚發(fā)等[22]使用立體顯微鏡及深孔光纖投影儀對模擬大型鋼錠內(nèi)部液相對流與宏觀組織的Pb-5%Sn，NH4Cl-H2O鑄錠的A型偏析進行了研究，研究結(jié)果如圖3所示。

當β=0°時，枝晶陣垂直向上生長，亦即通常所謂的定向凝固，這種情況下A偏析條帶最易形成。枝晶陣傾角β增大，A偏析帶數(shù)量N減少。至枝晶陣向下生長β=180°，A偏析完全消失。石田等[20]研究發(fā)現(xiàn)：隨著二次枝晶間距的提高，A偏析程度增加；A偏析內(nèi)成分濃度與分配系數(shù)、枝晶大小有關(guān)。

圖3 一次枝晶陣傾斜角度β對A偏析帶數(shù)量N的影響Figure 3 The influence of slope angle β of primary dendritic crystal on A-segregation amount N

3 結(jié)語

綜上所述，對于大型鋼錠中A偏析的形成機理及影響因素，人們用實驗和數(shù)值模擬的方法進行了大量研究。已有研究普遍認為，形成A偏析的前提條件是枝晶間富集溶質(zhì)沿枝晶間隙的流動；但在通道偏析的形成位置及通道內(nèi)部富集溶質(zhì)的流動方向等問題上仍有分歧。對于A偏析的形成機理還沒有定論，現(xiàn)有研究傾向于鋼液上浮理論，即：A偏析是由于密度小的溶質(zhì)濃化液在固液兩相區(qū)內(nèi)上升而引起的。影響A偏析形成的因素包括冶金、導熱及工藝條件等，其中凝固條件、合金成分及凝固組織是主要影響因素。目前，在實際生產(chǎn)中A偏析還不能進行有效控制，許多研究還在繼續(xù)。

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