高錳孿晶誘導鋼宏觀偏析研究

陳永建，莊昌凌，蘭方杰，陳建磊，郭召祥，周濤

(1 貴州大學材料與冶金學院，貴州 貴陽 550025)

近些年來，隨著汽車工業的快速發展，人們越來越重視汽車的節能環保和安全性能。降低汽車能耗，不僅能節約能源也能減少排放，在諸多措施中，減少車體重量對降油耗效果明顯。使用高強度的汽車用鋼可以減少汽車鋼板的厚度實現減重，所以現代汽車材料中高強鋼所占比重不斷增加。

人們要求新一代汽車用鋼既保證鋼板高強度的同時還要有優良的塑性。其中，近些年研發出來的孿晶誘導塑性鋼具有高強度而且具有優良的塑性、韌性和成形性能，同時抗撞擊吸收能高，這符合人們對汽車用鋼節能環保，舒適安全的設計要求[1-2]。目前國內對于孿晶誘導塑性鋼偏析方面的研究很少，這不利于該鋼種產品的質量控制，對此進行深入研究具有重要意義。

1 實驗方法

利用感應爐冶煉30kg的孿晶誘導塑性鋼，原料分別是純鐵、電解錳、硅鐵與金屬鋁等，冶煉的孿晶誘導塑性鋼化學成分如表1所示。

表1 冶煉孿晶誘導塑性鋼化學成分，wt%

實驗室冶煉的鑄錠按照圖1所示進行切割，在鑄錠上部、中部、下部分別從中心到邊部進行取樣，一共制備得到9個尺寸為10mm＊10mm＊ 10mm的金相樣品。金相樣品通過打磨、拋光后用4%的硝酸乙醇溶液進行侵蝕，利用光學顯微鏡觀察凝固組織微觀形貌。打磨拋光后的樣品利用掃描電鏡和能譜儀進一步分析其形貌和成分研究其宏觀偏析。

2 實驗結果與討論

2.1 鑄錠凝固組織微觀形貌

在金相顯微鏡下觀察樣品的凝固組織微觀形貌，結果如下圖2所示。

在金相顯微鏡下可以清晰觀察到樣品凝固后形成大量的樹枝晶，可以看到大量樹枝晶生長并沒有明顯的方向性，表明鑄錠在緩慢凝固過程中除邊部以外，大多以糊狀凝固的形式進行。樹枝晶之間可以看到大片空白區域，該區域的形成與富集溶質的液相凝固有關，相關的差別導致了溶質濃度不一致，造成了宏觀偏析現象。

圖2 光學顯微鏡下樣品的凝固組織

圖1 鑄錠切割取樣示意圖

2.2 鑄錠宏觀偏析分析結果

宏觀偏析與凝固過程中溶質再分配有關，溶質原子在凝固過程在固液相之間重新分配，用平衡分配系數K0表示：

其中Cα和CL為固相和液相的平衡濃度。溶質元素的擴散能力對偏析程度有影響，溶質擴散能力越大則偏析程度就越小。偏析程度可以用偏析率表示，偏析率越大，偏析程度也越大。

其中Cmax和Cmin 分別是該元素在偏析區域的最高濃度和最低濃度；C0是該元素的原始平均濃度；

2.2.1 硅元素在鑄錠中的宏觀偏析

由圖3可知鑄錠中硅元素的含量分布結果，在鑄錠中部和下部的中心（內部）處的硅元素含量低，隨著從內部到外部取樣（取樣位置1到3），硅含量逐步升高，鑄錠中部和下部的偏析率都是9.2%。而鑄錠上部中心（內部）處的硅元素含量明顯要比鑄錠中部和下部高，但是鑄錠上部在邊緣（外部）的硅元素含量反而要比鑄錠中部和下部低，鑄錠上部的偏析率是11.7%，這表明硅元素在凝固末期有較為明顯的溶質流動和富集現象。

2.2.2 鋁元素在鑄錠中的宏觀偏析

圖3 鑄錠中硅元素含量分布結果

圖4 鑄錠中鋁元素含量分布結果

圖5 鑄錠中錳元素含量分布結果

圖4是鑄錠中鋁元素含量分布結果，從圖中曲線可知鑄錠上部、中部和下部由內往外取樣得到的偏析規律類似，鋁元素含量均是先降低再升高。無論是中心還是邊緣處，鑄錠下部的鋁元素含量最高，而且偏析率高達9.0%。這遠比鑄錠上部、中部的6.5%和3.7%的偏析率要高。從分析結果看，鋁元素在較大范圍的偏析程度要比硅元素低，危害會減輕不少。

2.2.3 錳元素在鑄錠中的宏觀偏析

從圖5可見鑄錠中錳元素含量分布結果，在最后凝固的鑄錠上部中心（內部）區域，錳元素含量要比鑄錠中部和下部都要高。但是錳含量偏析程度最大的區域卻位于鑄錠中部，其偏析率是9.7%，要比鑄錠上部和鑄錠下部5%和5.3%的偏析率大。雖然錳元素相對而言偏析率不高，但是孿晶誘導塑性鋼中錳含量高達25%以上，所以同樣需要考慮錳偏析造成的質量影響。

2.2.4 宏觀偏析形成機理與改善措施

鑄錠不同區域之間濃度的差異構成了宏觀偏析，關于宏觀偏析形成的原因，大量研究認為與凝固過程液相的相對運動有關[3-4]。在本研究中，孿晶誘導塑性鋼具有高錳、高硅、高鋁的成分特點，在鑄錠凝固過程中，隨著液相逐漸轉變成固相，伴隨著不可避免的凝固收縮，形成負壓導致枝晶間富集溶質元素液相的流動，從而形成中心偏析或者V型偏析，本研究中硅元素和錳元素在最后凝固的鑄錠上部中心（內部）處的正偏析正好說明這一點。而鋁元素的偏析行為可能與鋁系夾雜物的下沉有關，孿晶誘導塑性鋼的鋁含量高達3%以上，十分容易形成鋁系夾雜物，形成的鋁系夾雜物在重力的作用下或者在鋼液的對流下沉積，從而造成鑄錠底部（鑄錠下部）無論是中心（內部）還是外部的鋁含量顯著增高，造成鑄錠下部正偏析，這剛好解釋了本研究中鋁元素的偏析現象。

宏觀偏析的出現對鑄錠的性能有不良的影響，造成產品質量不合格。由于宏觀偏析是長距離偏析，通過均勻化退火很難完全消除，可以采取的改善方法主要是細化晶粒，增加等軸晶率等，具體的措施有低過熱度澆注、添加形核劑、電磁攪拌或者超聲鑄造等，不過單一的方法難以完全消除宏觀偏析，一般需要多種方法共同使用實現鑄錠質量的改善。

3 結論

（1）對鑄錠不同部位取樣結果表明，在最后凝固的鑄錠上部中心處的硅元素和錳元素含量明顯要比鑄錠中部和下部高，偏析率分別是達到11.7%和5%，硅元素和錳元素在凝固末期有較為明顯的溶質流動和富集現象，這與凝固收縮形成負壓導致枝晶間富集溶質液相的流動有關。

（2）鑄錠中鋁元素在鑄錠上部、中部和下部由內往外具有類似的偏析規律，鑄錠下部的鋁元素含量最高，而且偏析率高達9.0%，鋁元素的偏析行為可能與鋁系夾雜物的下沉有關。

（3）鑄錠中的宏觀偏析是長距離偏析，難以通過單一的方式完全消除，可以考慮多種改善措施共同使用，實現鑄錠質量的改善。