连铸理论及工艺-连铸理论.ppt

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1、偏析问题偏析问题金属凝固原理金属凝固原理 主要内容：1.凝固组织 2.偏析 宏观偏析 微观偏析 1.1.连铸坯的凝固组织结构连铸坯的凝固组织结构 连铸坯的铸态凝固组织通常是由三个区域组成的，即：l(1)边部是细小等轴激冷晶区，宽度在5mm左右。它是在100s左右的速度下迅速冷却形成的；l(2)相邻的是柱状晶区，它基本上是垂直于铸坯表面且向心部生长的；l(3)中心等轴晶区，并伴有不同程度的中心偏析和疏松。2.2.偏析偏析l在凝固过程中，连铸坯会发生各种各样缺陷。这些分布在铸坯表面和内部的缺陷损害了钢材的收得率。在严重时，它们还可能延长铸机停机时间，从而造成巨大的生产损失。因此，冶金工程师和铸机设

2、计者必须充分了解连铸坯缺陷的产生原因，进而采用有效的措施。1内部角裂；2侧面中间裂纹；3中心线裂纹；4中心线偏析；5疏松；6中间裂纹；7非金属夹杂物；8皮下鬼线；9缩孔；10中心星状裂纹对角线裂纹；11针孔；12半宏观偏析 偏析的类型偏析的类型l合金在凝固过程中有溶质的再分布，并且凝固过程往往未能扩散均匀，使凝固后的相的成分不均匀，这就是所谓的偏析现象。l在钢中，总有一定程度的偏析出现。它们可能是形成坚硬结构组成如马氏体或贝氏体的原因。偏析可分为微观偏析、宏观偏析两类，连铸坯中的宏观偏析主要表现为中心偏析。l造成溶质再分配的原因有：l(1)由于固相线和液相线之间的温度差而在凝固前沿的聚集；l(

3、2)在冷却到室温过程中的扩散；l(3)热处理 偏析：在结晶过程中发生化学成分的不均匀现偏析：在结晶过程中发生化学成分的不均匀现象称为象称为偏析偏析。根据偏析的分布特点可分为：。根据偏析的分布特点可分为：微观偏析微观偏析 晶内偏析晶内偏析 晶界偏析晶界偏析 宏观偏析宏观偏析 正常偏析正常偏析 逆偏析逆偏析 比重偏析比重偏析 (1)晶内偏析(枝晶偏析枝晶偏析)非平衡结晶中，枝晶与枝晶间先凝固与后凝固的固溶体中含溶质的量不同，从而形成晶粒内部的化学成分不均匀的现象。研究表明，合金以枝晶方式生长时，在整个晶粒有90%以上的熔体是以充填分枝之间的方式结晶的，即由枝晶的侧面结晶，枝晶的侧面生长往往接近于平

4、面方式。因此，各组元在枝干中心与其边缘之间的浓度分布可近似地用Scheil方程式或者非平衡杠杆定理进行描述。应指出的是，Scheil方程式是在假定固相无扩散而液相均匀混合的条件下推导出来的。当考虑到固相有扩散时，界面上固相的溶质浓度与其固相分数之间的关系可由下式描述：显微偏析显微偏析讨论：若K0与1偏离越远，或Ds越小，则偏析越严重。通常用 1-K0 值定性地衡量枝晶偏析的程度。越大，偏析就越严重。1-K0称为偏析系数。P、S、B、C等元素在Fe中的偏析系数分别为0.94、0.90、0.87、0.74，这几种元素往往容易在钢中产生偏析。晶内偏析的量化指标通常采用偏析比表示，所谓偏析比是指晶内最

5、高溶质浓度Cmax与最低溶质浓度Cmin之比值，即：SR=Cmax/Cmin SR值越大，表示偏析越严重。冷却速度对枝晶偏析也有重要的影响，在其他条件相同时，冷却速度越大，过冷越大，开始结晶的温度越低，原子的扩散能力越小，溶质扩散越不充分，枝晶偏析就越严重；但当冷却速度大到一定程度后，随着冷却速度的增加，枝晶偏析的程度反而有所减小，甚至消除。冷却速度对铸锭中冷却速度对铸锭中CaCa偏析的影响偏析的影响(1)Mg-Ca合金(2)Mg-Al-Ca合金 在许多情况下，晶粒内部偏析并不明显，而晶界偏析却十分明显。(2)晶界偏析 凝固时若晶界与长大方向平行，由于表面能表面能的要求，在晶界与界面相交之处会

6、产生沟槽，如图所示。存在组分过冷时，会在晶界沟槽处产生明显的偏析。另外，若界面前堆积溶质原子，在两个晶粒相碰时形成晶界，晶界收纳了较多的溶质原子，如图所示。预防与消除措施：晶内偏析是一种不平衡状态，如果能使溶质充分扩散即可消除。把铸件加热到低于固相线100200，长期保温，即进行扩散退火则可减轻或消除晶内偏析。1 1、晶界位置与晶粒生长方向平行、晶界位置与晶粒生长方向平行 两晶粒并排生长两个晶粒并排生长，晶界平行于生长方向，由于表面张力平衡条件的要求，在晶界与液相的接触处出现凹槽，深度可到10-8cm，此处有利于溶质原子的富集，凝固后就形成了晶界偏析。2 2、晶粒相碰形成的晶界偏析、晶粒相碰形

7、成的晶界偏析 两晶粒对面生长如图所示，两个晶粒相对生长，彼此相遇而形成晶界。两个晶粒结晶时所排出的溶质（k01）就富集在晶界上。这样，在最后凝固的晶界部分将含有较多的溶质和其他低熔点物质，从而造成晶界偏析。合金在凝固过程按柱状晶生长时，柱状晶界面之间有着明显的晶界偏析。晶界偏析的危害：晶界偏析与晶内偏析形成原因基本相同，都属于微观偏析，因此，它们的影响因素也基本一样。这类偏析除个别情况有益外（如改善耐磨性），一般都有害。它们会导致铸件的力学性能降低，特别是塑性和冲击韧性的降低，增加合金的热裂倾向，甚至使金属不易进行热加工 晶界偏析的预防和消除方法同晶内偏析所采用的措施相同，即细化晶粒和均匀化退

8、火。但是晶界上存在的稳定化合物，如氧化物、硫化物和某些碳化物，即使采用均匀化退火往往也无法消除，因此，对这些化合物引起的晶界偏析，应该从减少合金中的氧和硫的含量着手。减少显微偏析的措施：宏观偏析宏观偏析 宏观偏析宏观偏析，又称，又称长程偏析长程偏析或或区域偏析区域偏析，是指较大，是指较大尺寸范围内的化学成分不均匀现象。按其表现形式尺寸范围内的化学成分不均匀现象。按其表现形式可分为三种基本类型：可分为三种基本类型：正常偏析正常偏析（正偏析）（正偏析）逆偏析逆偏析 （负偏析）（负偏析）比重偏析比重偏析（重力偏析）（重力偏析）l 产生宏观偏析的原因：在铸件（锭）的结晶初期，由固相或液相的沉浮而引起区

9、域性的化学成分分布不均；在固-液两相区内液体沿枝晶的迁移运动而引起区域性化学成分分布不均。冷端未结晶液相中的溶质平均浓度高于热端（k01）。当枝晶之间的液相流动时，若从热端流向冷端，即从溶质含量较低的区域流向溶质含量较高的区域，使该区的固相平均成分降低，产生负偏析负偏析；反之，若液体由冷端流向热端，使其升高，则该处将形成正偏析正偏析。C0k0C0startend单向凝固时铸件内溶质的分布单向凝固时铸件内溶质的分布 平衡凝固 固体无扩散而液体有扩散 固体无扩散而液体完全混合 固体有若干扩散而液体部分混合 K01(一)正常偏析正常偏析 结论：在平衡凝固条件下，固相和液相中的溶质都可以得充分扩散，这

10、时从铸件凝固的开始端到终止端，溶质分布是均匀的，无偏析现象发生，当固体内溶质无扩散或扩散不完全时，铸件中出现了严重偏析。正常偏析随着溶质偏析系数 1-K0 的增大而增大。但对于偏析系数较大的合金，当溶质含量较高时，合金倾向于体积凝固，正常偏析反而减轻，甚至不产生正常偏析。正常偏析的危害：正常偏析的危害：正常偏析使铸件性能不均匀，严重时会使铸件在使用中破坏。因此，应尽量减少这种偏析。减少正常偏析的措施：减少正常偏析的措施：这种偏析不能通过扩散退火来消除，只能采取一些适当的浇注工艺措施来加以控制，如降低浇注温度和加速铸件凝固等。铸件断面宏观偏析与合金的结晶特点有密切的关系，多数合金结晶后，铸件断面

11、往往形成三个结晶区：外层是细晶粒区，接着是柱状晶区，中心部分是粗等轴晶区。以厚壁铸钢件为例，C、S、P的偏析规律与铸钢的结晶特点有着内在联系，如图所示。厚壁铸钢件断面C、S、P偏析规律 与结晶特点的关系(二二)逆逆偏析偏析 所谓逆偏析是指在k01的合金中，铸件表面或底部含溶质元素较多，而中心部位或上部含溶质较少，这种现象恰好与正常偏析相反，故称为逆偏析。Cu-Sn合金和Al-Cu合金就是经常产生逆偏析的两种典型合金。浇注Cu-10%Sn合金时铸件表面有时会出现含Sn高达20%25%的锡汗。逆偏析的形成特点是：结晶温度范围宽的固溶体合金和粗大的树枝晶易产生逆偏析；缓慢冷却时逆偏析程度增加；若液态

12、合金中溶解有较多的气体，则在凝固过程中将促进逆偏析的形成。逆偏析的形成原因形成原因：结晶温度范围宽的固溶体合金，在缓慢凝固时易形成粗大的树枝晶，枝晶相互交错，枝晶间富集着低熔点相，当铸件产生收缩时，低熔点相将沿着树枝晶间向外移动。逆偏析的危害危害：铸件产生逆偏析将使力学性能和耐水压、气压性能降低，切削加工性能恶化。防止或减少逆偏析的措施：1.增大温度梯度，或向合金中添加晶粒细化剂，这将有助于抑制液体的晶间流动。2.减小液态金属在结晶过程中所受的压力，包括减少合金液的含气量。startendK01(三三)比重比重偏析偏析 由于重力作用而出现的化学成分不均匀现象，称为重力偏析或比重偏析，通常产生于

13、金属凝固前和刚刚开始凝固之际。当共存的液体和固体或互不相溶的液相之间存在密度差时，将会产生重力偏析。例如，Cu-Pb合金在液态时由于组元密度不同存在分层现象，上部为密度较小的Cu，下部为密度较大的Pb，在凝固前即使进行充分搅拌，凝固后也难免形成重力偏析。重力偏析的危害：重力偏析影响到铸件的使用和加工，严重时甚至会出现剥落现象。防止或减轻重力偏析，可采取以下措施：（1）增加铸件的冷却速度，缩短合金处于液相的时间，使初生相来不及上浮或下沉。（2）加入能阻碍初晶沉浮的合金元素。例如，在Cu-Pb合金中加少量Ni，能使Cu固溶体枝晶首先在液体中形成枝晶骨架，从而阻止Pb下沉。再如Pb-17%Sn合金中加入质量分数为1.5%的Cu，可形成CuPb骨架，也可减轻或消除重力偏析。（3）浇注前对液态合金进行充分搅拌，并尽量降低合金的浇注温度和浇注速度 表面夹杂、裂纹、缩松、缩孔等其他缺陷及其控制技术详见金属凝固原理及技术P290-304