亓俊杰 梁小平 姚雁文 任宏晉

(重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400044)

近年來(lái)中國(guó)重型裝備制造業(yè)發(fā)展迅速，對(duì)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(yù)計(jì)到2020年，核電占電力總裝機(jī)容量的比例將由4%調(diào)高到8%以上。據(jù)此推算，將帶動(dòng)核電裝備制造業(yè)7 000億～7 500億元的市場(chǎng)需求。但是，由于制造能力不足和技術(shù)滯后，導(dǎo)致貨源緊張。這類(lèi)產(chǎn)品所用鋼材一般是由大型鋼錠經(jīng)過(guò)開(kāi)坯、壓延、鍛造等加工過(guò)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(duì)鋼錠中固有的質(zhì)量缺陷如偏析、縮孔、夾雜等進(jìn)行控制。A偏析是由合金凝固過(guò)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(dǎo)致偏析區(qū)的脆化，形成裂紋源[1]，會(huì)明顯降低鑄錠及鑄件的力學(xué)性能，并且很難通過(guò)熱處理等后續(xù)工藝消除。本文論述了國(guó)內(nèi)外在大型鋼錠凝固過(guò)程A偏析的形成機(jī)理及影響因素方面的研究成果，這些研究對(duì)于弄清A偏析形成及分布的規(guī)律，進(jìn)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(jī)理

近年來(lái)，人們對(duì)A偏析的形成機(jī)理進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究。例如，Hellawell等[2、3]、Mori等[4]、Auburtin等[5]對(duì)通道偏析(A、V)的形成機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Yeo等[6]對(duì)圓柱形鑄錠中通道偏析進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。介萬(wàn)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(kuò)展過(guò)程，分析了A型偏析的形成機(jī)理。Schneider等[8]研究了Pb-Sn合金側(cè)向凝固過(guò)程通道偏析的形成。韓志強(qiáng)等[9]建立了描述合金凝固過(guò)程熱、溶質(zhì)對(duì)流和宏觀偏析形成過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)，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?jǐn)?shù)場(chǎng)的更新方法，研究了二元Fe-C合金凝固過(guò)程中通道偏析的形成和發(fā)展過(guò)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(xiàn)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(xiàn)中基于實(shí)驗(yàn)觀察提出的通道偏析形成機(jī)理。馬長(zhǎng)文等[10]建立了雙擴(kuò)散作用下糊狀區(qū)液相流動(dòng)與溶質(zhì)分布的數(shù)學(xué)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(huì)產(chǎn)生通道。曹海峰等[11]基于二元系凝固過(guò)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(xué)模型，并研究了浮力數(shù)對(duì)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(kuò)散對(duì)流引起的密度變化，導(dǎo)致局部流動(dòng)，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(shí)間愈遲，偏析的程度也越小。高宇等[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了Pb-Sn合金凝固過(guò)程的通道偏析，結(jié)果表明：鑄錠側(cè)向冷卻時(shí)，糊狀區(qū)中的富集溶質(zhì)(Sn)由于密度小而向上運(yùn)動(dòng)，在表面形成“溝槽”偏析，在鑄錠內(nèi)部形成A型偏析。

對(duì)于A型偏析的形成機(jī)理，主要存在以下四種觀點(diǎn)[13]：

(1)偏析鋼液上浮說(shuō)[14]。該學(xué)說(shuō)認(rèn)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(diǎn)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(bǔ)縮渠道說(shuō)。該學(xué)說(shuō)認(rèn)為，在柱晶結(jié)晶過(guò)程中，在柱晶的前方有循環(huán)液流，同時(shí)，在柱晶帶中，后期有柱晶隧道堵塞(補(bǔ)充結(jié)晶時(shí)的體積收縮)液流。這補(bǔ)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(bǔ)縮液流改變方向從一些粘附晶體和柱晶之間通過(guò)，逐漸形成為長(zhǎng)的補(bǔ)縮液流供應(yīng)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(xiàn)說(shuō)。該學(xué)說(shuō)認(rèn)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(guò)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(xiàn)最后變成了A型偏析帶。

(4)裂紋說(shuō)。該學(xué)說(shuō)認(rèn)為，在鋼錠凝固過(guò)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(xué)說(shuō)中，以偏析鋼液上浮說(shuō)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(dòng)所引起”的觀點(diǎn)，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(dòng)方向等問(wèn)題上仍有分歧。

2 A偏析的影響因素

2.1 凝固條件對(duì)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(dòng)是形成A型偏析的主要因素，F(xiàn)lemings[15]通過(guò)對(duì)兩相區(qū)“局部溶質(zhì)再分配”方程的分析得出，當(dāng)兩相區(qū)的冷卻速率ε、溫度梯度ΔT和液相流動(dòng)速度υ滿(mǎn)足：υ·ΔT/ε<-1時(shí)，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(xué)者研究凝固條件對(duì)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(guò)對(duì)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?jǐn)?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(jìn)速度與富質(zhì)液相的上浮速度的矢量和。(3)對(duì)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(xué)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(shí)間有關(guān)。當(dāng)富集溶質(zhì)在糊狀區(qū)的保持時(shí)間不超過(guò)180 min時(shí)，隨著保持時(shí)間的延長(zhǎng)，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(shí)間上模擬大鋼錠的凝固過(guò)程，控制鑄錠的軸向與徑向溫度梯度來(lái)分析對(duì)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(duì)A偏析的影響

對(duì)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(xué)形式表示。對(duì)于不同成分的鋼錠，人們也通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究。

圖2 富集溶質(zhì)在糊狀區(qū)中的保持時(shí)間對(duì)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(lài)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(xiàn)溫度，TL是液相線(xiàn)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(jìn)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(duì)鋼錠中A偏析嚴(yán)重程度的測(cè)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(zhǎng)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(duì)A偏析的影響

凝固組織對(duì)A偏析通道的數(shù)量、生長(zhǎng)方向及嚴(yán)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(duì)模擬大型鋼錠內(nèi)部液相對(duì)流與宏觀組織的Pb-5%Sn，NH4Cl-H2O鑄錠的A型偏析進(jìn)行了研究，研究結(jié)果如圖3所示。

當(dāng)β=0°時(shí)，枝晶陣垂直向上生長(zhǎng)，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(zhǎng)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(duì)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(yǔ)

綜上所述，對(duì)于大型鋼錠中A偏析的形成機(jī)理及影響因素，人們用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了大量研究。已有研究普遍認(rèn)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(dòng)；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(dòng)方向等問(wèn)題上仍有分歧。對(duì)于A偏析的形成機(jī)理還沒(méi)有定論，現(xiàn)有研究?jī)A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(dǎo)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(shí)際生產(chǎn)中A偏析還不能進(jìn)行有效控制，許多研究還在繼續(xù)。

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