電磁水平連鑄1560鎳基合金的組織與性能研究

張 勤,張俊凱,厲 英,崔建忠

(東北大學材料與冶金學院，遼寧 沈陽，110004)

1 實驗

1.1 實驗原料

本實驗所用原料為電解鎳、金屬鉻、結晶硅、金屬錳、硅鐵、純鐵和各種合金小料，并在1.5 t中頻感應爐中熔煉1560鎳基合金。合金熔煉時，將電解鎳、金屬鉻、硅鐵等主料先行放入感應爐中，放料時遵循下緊上松原則，物料熔化80%時及時蓋渣。脫氧精煉期溫度為1450 ℃，脫氧時間大于25 min，白渣保持時間大于20 min。渣白后,加入金屬錳，5 min后取樣并打鍛?？慑懶粤己煤?再依次加入結晶硅、純鐵以及各種合金小料。熔煉后的合金組成如表1所示。

表1 1560合金元素組成(wB/%)

1.2 實驗裝置

實驗所用裝置為HCC-60型水平連鑄裝置，如圖1所示。連鑄裝置的二冷區(qū)為自然冷卻，攪拌本體安置在結晶器出口和第一個導引輥之間，位置在一定范圍內可調。針對合金散熱快、成分密度差異大、鑄錠截面小及熔體流動阻力大等因素，實驗時通過特制的攪拌本體產生一電磁場。該旋轉電磁場可將磁感應強度范圍由0.027～0.053 T提高到0.0700～0.0715 T，這樣可以改善磁場的對稱性和磁場變化的連續(xù)性[2]。

1—中間包；2—滑動水口；3—結晶器；4—引導裝置；5—拉坯機；6—剪前輥道；7—升降裝置；8—等離子切割機；9—運輸輥道；10—鋼坯圖1 HCC-60型水平連鑄裝置示意圖

Fig.1SchematicofHCC-60typehorizontalcontinuouscastingmachine

1.3 檢測方法

采用EPMA-1610型電子探針對1560鎳基合金水平連鑄錠橫截面的Ni、Fe、Cr等元素分布進行測定，并按其最大偏析率η進行計算，η計算式為

(1)

式中：Ci為鑄錠芯部的溶質質量分數，%；Cj為距離鑄錠外表面1/5半徑處(過渡區(qū))的溶質質量分數，%；Ca為平均溶質質量分數，%。

2 結果與分析

2.1 電磁水平連鑄1560合金鑄錠鑄態(tài)組織分析

(a) 截面低倍鑄造組織 (b)芯部裂紋 (c)芯部縮孔和疏松

圖2常規(guī)水平連鑄1560鎳基合金截面凝固微觀組織

Fig.2Microstructureandcentraldefectsof1560alloyproducedbyconventionalhorizontalcontinuouscasting

(a) 截面低倍鑄造組織

(b)芯部高倍微觀組織

圖4為常規(guī)水平連鑄和電磁水平鑄造金屬液(1560鎳基合金)縱截面的流場云圖。由圖4(b)可看出，在電磁水平鑄造條件下，金屬熔體既有常規(guī)水平連鑄時的軸向運動，同時還有電磁力引發(fā)的沿周向和徑向強制對流運動。熔體的這種強制對流改善了液穴內部的換熱條件，加速了中心區(qū)域金屬熔體過熱度的消失，使得液穴變淺。圖5為施加電磁攪拌前后鑄坯的溫度場云圖。由圖5可看出，電磁水平連鑄技術消除芯部缺陷的原因可歸納為如下幾個方面：①熔體強制對流使結晶前沿初生枝晶二次臂機械斷裂或根部熔斷[3]成為異質形核核心，并促使結晶核心按等軸晶方式而非枝晶方式生長[4-5]，從而避免由于粗大的枝晶在鑄錠芯部區(qū)域因相互“搭橋”封閉未凝固熔體，難以補縮而產生的中心縮孔和中心疏松等缺陷[6]；②合金熔體流動性增強，提高了熔體自身對中心區(qū)域未凝固區(qū)域的補縮以及對裂紋源的“焊合”能力；③溶質元素偏析程度降低，溶質元素形成粗大金屬間化合物和晶界非平衡化合物數量減少而形成裂紋源的應力集中點；④電磁水平連鑄過程中由電磁場所引發(fā)的熔體強制對流在降低液穴內部溫度梯度的同時，促使邊緣凝固部分的溫度有所回升，降低了鑄錠橫向和縱向截面各部位的溫度差異以及由此在凝固過程中產生的鑄造應力和應變，從而降低了合金鑄錠在高溫脆性區(qū)因晶界液膜強度不足而產生熱裂紋源的可能性[7-13]。

(a) 常規(guī)水平鑄造

(b)電磁水平鑄造

Fig.4Flowfieldpicturesofthealloyproducedbyconventionalandbyelectromagnetichorizontalcontinuouscasting

(a) 常規(guī)水平鑄造

(b)電磁水平連鑄

Fig.5Temperaturefieldpicturesoftheconventionalandelectromagnetichorizontalcontinuouscasting

2.2 電磁水平連鑄1560鎳基合金溶質元素分布

通過測量和式(1)計算表明，電磁水平連鑄可均勻溶質元素在鑄錠凝固組織內部的分布，降低溶質元素的偏析程度，將常規(guī)水平鑄造時元素的最大偏析率由鎳為10.20%、鐵為22.87%、鉻為10.83%分別降低至鎳為4.86%、鐵為18.82%和鉻為4.59%。

電磁水平連鑄降低溶質元素偏析程度的原因大致有以下幾個方面：①電磁力引發(fā)合金熔體圍繞注流截面中心作旋轉流動，減輕了因為先期形成的固態(tài)晶核與未凝固熔體密度的不同發(fā)生上浮或下沉以及各溶質元素密度差異所導致的密度偏析；②熔體強制對流使得初生枝晶二次臂機械斷裂或根部熔斷，在增加液穴中固態(tài)異質形核核心的同時，降低了結晶前沿未凝固熔體中的溫度梯度和濃度梯度，促使晶核按等軸晶方式生長[14-15]。這不僅在一定程度上降低了溶質元素在晶內的微觀偏析程度，而且避免了因枝晶臂互相“搭橋”封閉富集溶質元素的未凝固熔體所導致的溶質元素在晶界的宏觀偏析；③熔體強制對流大大減少了晶間未凝固熔體中溶質元素的富集程度，從而降低晶界非平衡化合物析出的可能性，起到抑制溶質元素偏析的作用；④熔體強制對流加速釋放了液穴內部合金熔體的過熱，增大合金熔體的非平衡凝固程度，從而強化溶質元素晶內的固溶。這不僅降低溶質元素正偏析和反偏析程度，而且也降低了溶質元素因偏聚作用形成粗大金屬間化合物的時間和可能性，從而減弱了溶質元素的偏析程度[16-18]。

2.3 電流強度對鑄坯硬度的影響

在1560鎳基合金鑄錠橫截面范圍內對其韋氏硬度進行測定，經多次測量后取平均值，其結果如表2所示。由表2可看出，隨著攪拌電流強度的增加，1560鎳基合金圓形鑄錠試樣的維氏硬度逐漸減小，鑄錠的可加工性能相應增強。

表21560鎳基合金連鑄錠硬度與電磁場強度的關系

Table2Relationshipbetweenthehardnessof1560Ni-basedalloyandtheelectromagneticfieldintensity

/A/Hz(Hv)00151100301272003012130030109

3 產品性能

表3 1560鎳基合金棒線材的性能指標

4 結論

(1)電磁水平連鑄工藝不僅取消傳統(tǒng)工藝中的鑄坯退火、鍛造及打磨等工序，而且還克服了合金可鍛溫度區(qū)間窄、可鍛性差、鍛造過程中需掐頭去尾等因素的影響，在縮短工藝流程的同時,其產品成材率也由傳統(tǒng)工藝時的70%提升到90%以上。

(2)電磁水平連鑄可降低鑄錠凝固組織的方向性，使鑄錠芯部由常規(guī)水平連鑄時彼此搭接的柱狀晶變成細小的等軸晶，并隨著電磁場強度的增加，中心等軸晶率也相應增至電流強度為300 A(磁感應強度為0.06T)時的16.47%。

(3)隨著攪拌電流強度的增加，1560鎳基合金圓形電磁鑄錠試樣的維氏硬度逐漸減小，鑄錠的可加工性能相應增強。

(4)電磁水平連鑄可均勻溶質元素在鑄錠凝固組織內部的分布，降低溶質元素的偏析程度，將常規(guī)水平鑄造時元素最大偏析率由鎳為10.20%、鐵為22.87%、鉻為10.83%分別降低至鎳為4.86%、鐵為18.82%和鉻為4.59%。

(5)電磁水平連鑄使合金熔體補縮能力增強，有助于避免形成中心縮孔和疏松等鑄造缺陷；此外，電磁鑄錠中作為應力集中點的粗大金屬間化合物和晶界非平衡化合物的數量減少，鑄錠各部位因溫度差異在凝固過程中產生的鑄造應力和應變減小，從而使鑄錠產生熱裂紋的可能性降低。

[1] 張勤, 孫光曦, 雷佰鎖，等. 電磁水平連鑄1560合金的組織、溶質元素分布及產品的性能[J]. 材料與冶金學報，2011,10(4)：283-287.

[2] 于小華. 水平連鑄凝固末端旋轉電磁攪拌過程的數值模擬[D]. 沈陽：東北大學，2006.

[3] Smeuledrs R J, Mischgosky F H, Frankena H J. Casting in an electromagnetic field[J]. Journal of Crystal Growth, 1986, 76: 151-158.

[4] 張景新, 張奎, 劉國鈞,等. 電磁攪拌制備半固態(tài)材料非枝晶組織的形成機制[J].中國有色金屬學報, 2000,10(4): 511-515.

[5] 邢書明, 馬靜, 陳維視,等.半固態(tài)亞共晶鋁硅合金非枝晶固相的形成與演變[J]. 中國有色金屬學報,1999, 9(S1): 270-274.

[6] 周堯和, 胡壯麒, 介萬奇. 凝固技術[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1998：231-232.

[7] 曹志強,李廷舉,張紅亮,等. 7050鋁合金軟接觸連鑄扁錠裂紋抑制原因分析[J].稀有金屬材料與工程， 2010,39(12):2221-2226.

[8] 呂國偉,蘇彥慶,畢維生,等. 壁鋁合金件行波磁場鑄造的缺陷分析及控制[J]. 鑄造技術,2010(12):1693-1697.

[9] 韓志強, 蔡開科. 連鑄坯內裂紋形成條件的評述[J]. 鋼鐵研究學報, 2001, 13(1): 68-71.

[10]劉馳, 李慶春. 鋁銅合金準固態(tài)力學行為和凝固過程應力應變及熱裂紋數值模擬[J]. 鑄造, 1998(9):28-31.

[11]Metz S A. Fundamental study of hot tearing[J]. AFS Trans, 1970, 78:453-458.

[12]Clyne T W, Wolf M, Kurz W. Effect of melt composition on solidification cracking of steel with particular reference to continuous casting[J]. Metall Trans, 1982, 13B: 259-263.

[13]Flemings M C. Hot tearing in cast metals[J]. AFS Trans, 1969, 77: 329-332.

[14]Cui Jianzhong, Zhang Zhiqiang,Le Qichi. DC casting of light alloys under magnetic fields[J].Transactions of Nonferrous Metal Society of China, 2010,11:2046-2051.

[15]郭世杰, 薛冠霞, 劉金炎,等. 電磁軟接觸鑄造7050高強鋁合金扁錠的組織和力學性能[J]. 中國有色金屬學報, 2010, 20(7): 1282-1289.

[16]Walker J S.Bridgman crystal growth with a strong,low-frequency,rotating magnetic field[J].Journal of Crystal Growth,1998,192:318-327.

[17]Huang S C, Ghkesmann M E. The influence of micro-scale solute diffusion and dendrite coarsening upon surface macro-segregation[J]. Acta Met, 1981, 29: 717-722.

[18]Ridder S P, Kou S, Mehrabian R. Effect of fluid flow on macro-segregation in axi-symmetric ingots[J]. Metallurgical and Materials Transactions, 1987, 12B: 435-447.