大型钢锭A偏析的形成机理及影响因素

亓俊杰 梁小平 姚雁文 任宏晋

(重庆大学材料科学与工程学院，重庆400044)

近年来中国重型装备制造业发展迅速，对于大型铸锻件的需求也很旺盛。特别是在代表大型铸锻件最高水平的核电设备方面，预计到2020年，核电占电力总装机容量的比例将由4%调高到8%以上。据此推算，将带动核电装备制造业7 000亿～7 500亿元的市场需求。但是，由于制造能力不足和技术滞后，导致货源紧张。这类产品所用钢材一般是由大型钢锭经过开坯、压延、锻造等加工过程生产的，其质量的好坏与钢锭的质量密切相关。要获得高质量的铸锻件，必须对钢锭中固有的质量缺陷如偏析、缩孔、夹杂等进行控制。A偏析是由合金凝固过程中局部区域内溶质富集所形成的一种通道型宏观偏析，其产生部位如图1所示，是钢锭中主要缺陷之一。偏析物及疏松导致偏析区的脆化，形成裂纹源[1]，会明显降低铸锭及铸件的力学性能，并且很难通过热处理等后续工艺消除。本文论述了国内外在大型钢锭凝固过程A偏析的形成机理及影响因素方面的研究成果，这些研究对于弄清A偏析形成及分布的规律，进而改善钢锭的质量具有重要意义。

图1 钢锭内A型和V型偏析产生部位示意图Figure 1 The sketch for A-segregation and V-segregation in ingot

1 A偏析的形成机理

近年来，人们对A偏析的形成机理进行了大量的实验与数值模拟研究。例如，Hellawell等[2、3]、Mori等[4]、Auburtin等[5]对通道偏析(A、V)的形成机理进行了实验研究。Yeo等[6]对圆柱形铸锭中通道偏析进行了实验研究。介万奇等[7]利用NH4Cl水溶液二维凝固的模拟铸锭，直接观察了A偏析的形成和扩展过程，分析了A型偏析的形成机理。Schneider等[8]研究了Pb-Sn合金侧向凝固过程通道偏析的形成。韩志强等[9]建立了描述合金凝固过程热、溶质对流和宏观偏析形成过程的数学模型，同时，基于固液两相区中温度和成分的耦合关系建立了固相分数场的更新方法，研究了二元Fe-C合金凝固过程中通道偏析的形成和发展过程。模拟结果表明，垂直定向凝固条件下通道偏析形成于液相线前沿附近，而不是两相区内部，这一结果很好地支持了文献中基于实验观察提出的通道偏析形成机理。马长文等[10]建立了双扩散作用下糊状区液相流动与溶质分布的数学模型，研究了二元组分铸锭中通道偏析的形成和发展，结果表明只有在溶质富集到一定程度后才会产生通道。曹海峰等[11]基于二元系凝固过程热溶质的传输行为，建立了描述A偏析形成及演化的数学模型，并研究了浮力数对A偏析形成位置及偏析程度的影响。研究结果表明：在糊状区中双扩散对流引起的密度变化，导致局部流动，形成偏析通道；在相同的凝固条件下，浮力数越小，A偏析的形成时间愈迟，偏析的程度也越小。高宇等[12]通过实验和数值模拟研究了Pb-Sn合金凝固过程的通道偏析，结果表明：铸锭侧向冷却时，糊状区中的富集溶质(Sn)由于密度小而向上运动，在表面形成“沟槽”偏析，在铸锭内部形成A型偏析。

对于A型偏析的形成机理，主要存在以下四种观点[13]：

(1)偏析钢液上浮说[14]。该学说认为，A型偏析是由于密度小的溶质浓化液在固液两相区内上升而引起的。例如，钢锭的残余熔体中富集着硫、磷、碳等溶质元素，其密度小、熔点低。该富集溶质的液体沿枝晶间上升，在其流经的区域，枝晶发生熔断，形成沟槽。残余液体沿沟槽继续上升，产生A型偏析。

(2)补缩渠道说。该学说认为，在柱晶结晶过程中，在柱晶的前方有循环液流，同时，在柱晶带中，后期有柱晶隧道堵塞(补充结晶时的体积收缩)液流。这补缩液流促使许多漂泊的晶体粘附在柱晶前端而将柱晶隧道堵塞。这样，使补缩液流改变方向从一些粘附晶体和柱晶之间通过，逐渐形成为长的补缩液流供应管道。它凝固较迟，是杂质和合金元素汇集的地方。凝固后，成为A型偏析。

(3)气泡迹线说。该学说认为，A型偏析带的形成是由于气泡升浮引起的。在钢锭凝固过程中，在正偏析的钢液中产生气泡并缓慢升浮，偏析钢液尾随上升，气泡升浮的迹线最后变成了A型偏析带。

(4)裂纹说。该学说认为，在钢锭凝固过程中，凝固层中形成了裂纹，为正偏析钢液所填充，于是形成了偏析带。

上述诸学说中，以偏析钢液上浮说较流行。目前，人们已经普遍接受“通道偏析是由枝晶间富集溶质流动所引起”的观点，但在通道偏析的形成位置及通道内部富集溶质的流动方向等问题上仍有分歧。

2 A偏析的影响因素

2.1 凝固条件对A偏析的影响

根据现代凝固理论，液固两相区枝晶间富集溶质的液相流动是形成A型偏析的主要因素，Flemings[15]通过对两相区“局部溶质再分配”方程的分析得出，当两相区的冷却速率ε、温度梯度ΔT和液相流动速度υ满足：υ·ΔT/ε<-1时，形成A偏析。因此，钢锭的凝固散热条件是形成A偏析的主要原因之一，为此曾有许多学者研究凝固条件对A偏析形成的影响。

铃木等[16]利用水平单向凝固的方式在14 kg小钢锭中重现了A偏析，通过对冷却及凝固速率的研究发现：(1)A偏析形成于凝固前沿固相分数为0.35左右的地方。(2)A偏析的倾斜程度取决于凝固界面的推进速度与富质液相的上浮速度的矢量和。(3)对0.7%碳素钢，形成A偏析的临界条件可以用ε·R1.1≤8.75的数学形式表示。其中ε是冷却速度(℃/min)，R是凝固前沿的凝固速度(mm/min)。(4)A偏析的横断面面积与富集溶质在糊状区的保持时间有关。当富集溶质在糊状区的保持时间不超过180 min时，随着保持时间的延长，A偏析的横断面面积增大(图2)。这一发现表明凝固枝晶发生了重熔。

喻秋平等[17]采用加热保温炉控制一定尺寸钢锭的冷却，在凝固时间上模拟大钢锭的凝固过程，控制铸锭的轴向与径向温度梯度来分析对A偏析的影响。研究发现：钢锭中形成A偏析的传热条件不仅与凝固冷却速度有关，而且取决于轴向温度梯度GA与径向温度梯度GR之比。若比值GA/GR增大，形成较好的轴向顺序凝固，则有利于A偏析的减轻。

2.2 合金成分对A偏析的影响

对于0.7%碳素钢，形成A偏析的临界条件可以用ε·R1.1≤8.75[16]的数学形式表示。对于不同成分的钢锭，人们也通过模拟实验进行了研究。

图2 富集溶质在糊状区中的保持时间对A偏析横断面面积的影响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偏析形成的临界条件(ε·R1.1)与钢成分的依赖关系，发现：低Si化可以降低其A偏析。在同一TL-TS(此处TS是固相线温度，TL是液相线温度)情况下，临界ε·R1.1的大小按照碳钢、含Cr钢、含Ni钢和低Si合金钢的顺序排列。Suzuki等[19]进一步研究指出：不同成分的钢中形成A偏析的条件为：ε·R1.1≤A，A为取决于钢成分的常数：

A=4.93×10-5(x+18.8)3.1

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

式中，CSi、CP、CS、CMo、CV分别为钢的合金成分。

显然，P、S、Si具有增大A偏析的倾向。而Mo、V具有减小A偏析的倾向，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的顺序排列。Haida[21]对钢锭中A偏析严重程度的测量表明：

NA=1.43H/D-0.42TP+12.7Δρ2.3

式中NA——铸锭纵断面上A偏析的总长度，cm/100cm2；

H/D——铸锭的高径比；

TP——铸锭的锥度；

ΔρL——枝晶间富集溶质与纯液相的密度差异，g/cm3。

2.3 凝固组织对A偏析的影响

凝固组织对A偏析通道的数量、生长方向及严重程度有显著影响。

沈厚发等[22]使用立体显微镜及深孔光纤投影仪对模拟大型钢锭内部液相对流与宏观组织的Pb-5%Sn，NH4Cl-H2O铸锭的A型偏析进行了研究，研究结果如图3所示。

当β=0°时，枝晶阵垂直向上生长，亦即通常所谓的定向凝固，这种情况下A偏析条带最易形成。枝晶阵倾角β增大，A偏析带数量N减少。至枝晶阵向下生长β=180°，A偏析完全消失。石田等[20]研究发现：随着二次枝晶间距的提高，A偏析程度增加；A偏析内成分浓度与分配系数、枝晶大小有关。

图3 一次枝晶阵倾斜角度β对A偏析带数量N的影响Figure 3 The influence of slope angle β of primary dendritic crystal on A-segregation amount N

3 结语

综上所述，对于大型钢锭中A偏析的形成机理及影响因素，人们用实验和数值模拟的方法进行了大量研究。已有研究普遍认为，形成A偏析的前提条件是枝晶间富集溶质沿枝晶间隙的流动；但在通道偏析的形成位置及通道内部富集溶质的流动方向等问题上仍有分歧。对于A偏析的形成机理还没有定论，现有研究倾向于钢液上浮理论，即：A偏析是由于密度小的溶质浓化液在固液两相区内上升而引起的。影响A偏析形成的因素包括冶金、导热及工艺条件等，其中凝固条件、合金成分及凝固组织是主要影响因素。目前，在实际生产中A偏析还不能进行有效控制，许多研究还在继续。

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