電磁水平連鑄1560合金的組織、溶質(zhì)元素分布及產(chǎn)品的性能

張 勤，孫光曦，雷佰鎖，常耀威，陳 定，崔建忠

（1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110004;2.國家鎳鈷新材料工程技術(shù)研究中心，蘭州 730100）

電磁水平連鑄1560合金的組織、溶質(zhì)元素分布及產(chǎn)品的性能

張 勤1，孫光曦2，雷佰鎖2，常耀威2，陳 定2，崔建忠1

（1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110004;2.國家鎳鈷新材料工程技術(shù)研究中心，蘭州 730100）

進(jìn)行了1560合金低頻電磁水平連鑄的生產(chǎn)實驗，成功地生產(chǎn)出了近終形的小斷面 （φ54 mm）1560合金圓形坯料，然后再通過軋制和冷拉來生產(chǎn)出合格的棒線材產(chǎn)品.此工藝取消了鑄坯鍛造以及鍛造前的退火等工序，從而縮短了工藝流程，大幅度提高了生產(chǎn)效率，提高了產(chǎn)品成材率.本文通過研究電磁場作用下水平連鑄1560合金的鑄態(tài)組織與最終產(chǎn)品性能，探討了此工藝對提高1560合金鑄坯質(zhì)量的影響因素和作用機理.

低頻電磁場;水平連鑄;1560鎳基合金;凝固組織;產(chǎn)品性能

在資源與能源供應(yīng)十分嚴(yán)峻的形勢下，如何在傳統(tǒng)高耗能、高污染的冶金行業(yè)，利用科技創(chuàng)新，突破原有技術(shù)瓶頸，采用短流程、近終成型的生產(chǎn)加工方法來替代原有的冗長生產(chǎn)工藝，制造出滿足社會需求的合格產(chǎn)品，日益受到社會各界的高度重視，現(xiàn)已逐漸上升為國家未來的發(fā)展戰(zhàn)略.

由于鎳基合金具有較高的高溫強度、斷裂力學(xué)性能、組織穩(wěn)定性，良好的抗氧化和抗腐蝕性，隨著科技和國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各種型號的鎳基合金產(chǎn)品不斷得到開發(fā)和利用［1］.1560合金作為應(yīng)用十分廣泛的電熱類鎳基合金，通常采用中頻爐冶煉→下注錠→鍛造→軋制→盤條→拉絲→成品的生產(chǎn)工藝.但是由于此工藝冗長繁雜，合金的可鍛性差以及可鍛溫度區(qū)間窄易發(fā)生鍛裂，鍛造過程中需要掐頭去尾以及鍛造后鑄坯表面角部裂紋嚴(yán)重需要打磨等原因，使得此類產(chǎn)品的成材率非常低.

在此背景下，為了避開鍛造工序給生產(chǎn)帶來的困難，以及所造成的產(chǎn)品成材率和勞動生產(chǎn)率低下等問題，本文進(jìn)行了1560合金的旋轉(zhuǎn)磁場、小斷面、水平連鑄的生產(chǎn)試驗，成功地生產(chǎn)出接近最終產(chǎn)品尺寸要求的小斷面1560鎳基合金圓形坯料（φ54 mm），然后再通過軋制和冷拉來生產(chǎn)出合格的最終產(chǎn)品.此工藝可以取消鑄坯鍛造以及鍛造前的退火等工序，從而縮短了工藝流程，大幅度提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品成材率（由模鑄的60%～75%提高到90%以上）.

本文通過研究電磁場作用下水平連鑄1560合金的鑄態(tài)組織與性能，嘗試性地探討了此工藝對提高1560合金鑄坯質(zhì)量的影響因素和作用機理.

1 實驗方法

以1560合金為研究對象.首先合金在1.5 t的中頻爐中進(jìn)行熔煉，相比于原有的下鑄工藝，由于工藝流程的改變和延長，出鋼溫度需要提高，增大了鋼液中微量元素的燒損和氧化物夾雜的增加，因此必須精確控制微量元素的加入量和加入方式.同時，適量增加冶煉期的渣量和瑩石量，提高渣的流動性，出鋼時要求渣鋼混出，避免鋼液吸氣氧化，以保證鑄坯化學(xué)成分符合質(zhì)量要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）:Ni 55.0～61.0;Cr 15.0～18.0;Si 0.75～1.60;C≤0.08;P≤0.020;S≤0.015;Mn≤0.60;Al≤0.50;Fe余量.合金熔煉后轉(zhuǎn)入到中間包，而后在HCC－60型連鑄機上通過變換旋轉(zhuǎn)磁場的各項參數(shù)進(jìn)行電磁水平連鑄工業(yè)化生產(chǎn)試驗，選擇最佳實驗條件的鑄坯，進(jìn)行軋制、拉拔等后續(xù)加工，并對最終產(chǎn)品的物理相關(guān)性能進(jìn)行了測試.連鑄機采用“拉－停－推－停”的準(zhǔn)正弦拉坯方式.

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 電磁場對水平連鑄1560合金鑄錠心部組織的影響

在起始鑄造溫度1580℃，拉坯速度2.5m/min，拉坯頻率100次/min的條件下，固定電磁場頻率為30 Hz，依次變換電流強度 （其效果是改變所施加的電磁場強度）為0、100、200、300 A、進(jìn)行1560合金 （φ54 mm）圓形坯料的電磁水平連鑄.分別截取相應(yīng)條件下的鑄坯截面進(jìn)行打磨、拋光和腐蝕，其所對應(yīng)的鑄態(tài)組織如圖1所示，與此同時，對其中心等軸晶比例進(jìn)行測量和計算.從中可以看出，施加電磁攪拌前，合金的凝固組織全部是由針狀的粗大柱狀晶組成，這些柱狀晶由坯殼一直貫穿到鑄錠中心，并在心部彼此交接和搭橋;而施加電磁攪拌后，合金鑄錠心部由等軸晶組成，且中心等軸晶率隨著電流強度的增加而由未施加電磁場時的0，逐漸提到電流強度100A時的10.65%，200 A時的13.82%和300 A時的16.47%.

圖1 電磁水平連鑄1560合金（φ54 mm）的鑄態(tài)組織隨電磁場強度的變化規(guī)律Fig.1 Evolution o f as－cast structure of 1560 alloy produced by electromagnetic horizontal continuous casting w ith e lectrom agnetic field intensity

眾所周知，提高中心等軸晶率可以減弱合金凝固組織的方向性，從而改善合金在軋制和拉拔過程中的加工性能，為提高勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品成材率和改善產(chǎn)品質(zhì)量打下好的基礎(chǔ).

電磁場強度增大，電磁力對熔體的攪拌作用增強，液穴中結(jié)晶核心增多，結(jié)晶前沿的溫度和濃度過冷進(jìn)一步減小，對枝晶生長的抑制作用加強［5～8］.從而消除了常規(guī)水平連鑄過程中，鑄錠中心部位因樹晶骨架彼此搭接，封閉的未凝固熔體因得不到后續(xù)補充而生成中心疏松和中心縮孔等缺陷的前提條件.圖2（a）和（b）分別為施加電磁場前后1560鑄錠心部的組織結(jié)構(gòu)圖，從中可以看出電磁水平連鑄消除了常規(guī)鑄造過程中所經(jīng)常出現(xiàn)的心部缺陷，并減弱了合金凝固組織的方向性，從而為大幅度改善合金在軋制和拉拔過程中的加工性能，提高勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品成材率和改善產(chǎn)品質(zhì)量打下了良好的基礎(chǔ).

2.2 電磁場對水平連鑄1560合金鑄錠溶質(zhì)元素分布的影響

在常規(guī)水平連鑄1560合金過程中，溶質(zhì)元素的偏析是鑄態(tài)組織中常見的現(xiàn)象，它會對材料的性能產(chǎn)生明顯的不良影響，因此在各種工藝中我們都盡可能地減小成分偏析，把它對材料性能的不良影響降低到最低限度.

以施加和未施加電磁攪拌所獲得的水平連鑄1560合金鑄錠為研究對象.利用 CAMEBAXMICRO型電子探針對其鑄錠橫截面五分之一半徑處（簡稱過渡區(qū)）和心部的主要成分（Ni、Fe、Cr）分布進(jìn)行測定，并按下式對其最大偏析率η進(jìn)行計算，其結(jié)果如表1～表3所示.

圖2 水平連鑄1560合金（φ54 mm）的鑄錠心部的微觀組織結(jié)構(gòu)Fig.2 M icrostructure of centra l region of 1560 alloy produced by conventionalhorizontal continuous casting（φ54 mm）

式中wi是特定位置點i的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，wj是特定位置點j的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，wa是平均溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù).

表1 1560合金在不同凝固條件下Ni的分布及其最大偏析率（%）Table 1 Nidistributing in 1560 alloy so lidified w ith different Conditions（%）

表2 1560合金在不同凝固條件下Fe的分布及其最大偏析率（%）Table 2 Fe distributing in 1560 alloy solidified w ith different Conditions（%）

表3 1560合金在不同凝固條件下Cr的分布及其最大偏析率（%）Table 3 Cr distributing in 1560 a lloy solidified w ith different conditions（%）

從表1～3中可以看出，施加電磁攪拌后，1560合金鑄坯中Ni、Fe、Cr等元素的最大偏析率（%）分別由 10.20、22.87、10.83 降低至 4.86、18.82、4.59.我們認(rèn)為電磁水平連鑄坯中溶質(zhì)元素偏析程度的降低，主要是由于電磁攪拌力促使金屬液體圍繞注流截面中心作旋轉(zhuǎn)流動，使液穴中溫度場和溶質(zhì)元素的分布更加均勻，減少了晶核界面處溫度梯度和成分過冷，降低了晶間熔體溶質(zhì)元素的富集程度，抑制了金屬間化合物和晶界非平衡化合物的析出.與此同時還避免了溶質(zhì)元素因為相對密度不同以及游離晶粒和剩余熔體之間密度不同而發(fā)生上浮或下沉所造成的密度偏析［9～10］.

2.3 產(chǎn)品的性能檢測

本文所論述的1560合金棒線材電磁水平連鑄生產(chǎn)新工藝能否替代原有工藝，其所生產(chǎn)出的1560合金最終產(chǎn)品是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量要求無疑是最重要的衡量指標(biāo).因此我們將電磁攪拌條件下所生產(chǎn)出的φ54 mm水平連鑄1560合金圓坯，經(jīng)過進(jìn)一步的軋制和拉拔，生產(chǎn)出了各種不同型號的線材和絲材產(chǎn)品，并對其一些相關(guān)物理性能（電阻率、每米電阻值、每歐表面積、每米質(zhì)量）做了檢測，結(jié)果分別如表4和表5所示.

表4 電磁水平連鑄1560合金絲材的物理性能Table 4 Some relative physical properties of1560 alloy wires produced by electromagnetic horizontal continuous casting

表5 水平連鑄1560合金快速壽命（h）Table 5 The accelerated life test of 1560 alloy w ires p roduced by electromagnetic horizonta l continuous casting（h）

從表4和5中可以看出產(chǎn)品性能完全符合GB/T1234的標(biāo)準(zhǔn).此外對產(chǎn)品的化學(xué)成分、表面質(zhì)量、工藝性能、加工性能等各項指標(biāo)也分別做了考察和評估，這些指標(biāo)也均滿足產(chǎn)品的質(zhì)量要求.因此采用此種工藝進(jìn)行1560鎳基合金線材和絲材的生產(chǎn)是可行的.

3 結(jié)論

（1）電磁水平連鑄1560合金過程中，微觀組織的非枝晶化程度提高，鑄錠中心等軸晶比例增加;消除了常規(guī)水平連鑄過程中所經(jīng)常出現(xiàn)的中心縮孔和疏松等鑄造缺陷.

（2）電磁水平連鑄1560合金鑄錠過程中，電磁攪拌力促使金屬液體圍繞注流截面中心作旋轉(zhuǎn)流動，使液穴中溫度場和溶質(zhì)元素的分布更加均勻，顯著減低了溶質(zhì)元素的偏析程度.

（3）由電磁水平連鑄坯經(jīng)軋制與拉拔所生產(chǎn)出的1560合金棒線材各項指標(biāo)和性能，均滿足國家的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，此工藝可行.

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Structure and solutes distribution of 1560 alloy ingot produced by low frequency electromagnetic horizontal continuous casting

ZHANG Q in1，SUN Guang-xi2，LEIBai-suo2，CHANG Yao-wei2，CHEN Ding2，CUIJian-zhong1
（1.School of Materialsand M etallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004，China;2.State Engineering Research Center of N ickel and Cobalt New Materials，Lanzhou 730100，China）

φ54 mm small crosssection round ingotof1560 nickel－based alloy ingotwasproduced successfully by low frequency electromagnetic horizontal continuous casting，a seriesofw ire and rod productsweremade by further rolling and cold draw ing processw ith thisnear net shaped ingot.This technique shorten the production processby elim inating annealing and forging operation，which can greatly enhance the productive efficiency and production yield ofmaking w ire and rod of 1560 alloy.In this paper，by studying the as－ cast structure of ingot and property tests of final products，a interpretation and explanation was tried tomade on influencing factorsand mechanism of this technique for improving the quality of 1560 ingot.

low frequency electromagnetic field;horizontal continuous casting;1560 nickel－based alloy;as－cast structure;property

TG 249.7，TG 111.4

A

1671-6620（2011）04-0283-05

2011-09-19.

東北大學(xué)留學(xué)回國人員資助基金

張勤 （1970—），男，內(nèi)蒙古和林縣人，東北大學(xué)副教授，E－mail:zhangq@smm.neu.edu.cn;崔建忠 （1950—），男，黑龍江雙城人，東北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.