连铸坯树枝晶偏析分析与优化建议

树枝晶偏析在横向低倍试样上表现出树枝状（dendritic）组织。晶轴部分为钢液纯度较高的部分，晶轴间积聚合金元素及低熔点元素，特别是碳。树枝晶偏析不可避免，特别是钢液的浇注温度过高及冷却速度缓慢时，更助长了树枝晶的发展。热加工时，增大锻造比和压下量，能使树枝晶状组织破碎，长时间的高温扩散退火，可使成分偏析有所减少，如图2-17所示。

图2-17 GCr15SiMn连铸坯树枝晶偏析金相组织

钢在凝固过程中，由于液相和固相成分的不断改变，导致了结晶的不平衡。一般先凝固的含有较多的高熔点合金元素，后凝固的含有较多的低熔点合金元素，这种成分上的不均匀必然产生组织上的不均匀。而这种偏析的结果又常常导致树枝状组织的形成与分布，故又称树枝晶偏析或叫树枝状偏析。树枝状偏析既包括碳和合金元素的偏析，也包括杂质和气体元素的偏析。由于合金元素的扩散系数比碳原子的扩散系数要小很多，所以消除合金元素的树枝晶偏析比碳的均匀化要困难得多。合金元素的偏析影响固态相变，也影响固态相变后碳的分布。初生晶粒内夹杂物的分布与夹杂元素的偏析有关。一般说来，氧化物析出的较早，并多处于树枝干；硫化物析出的较晚，多处于枝晶间。气体元素的树枝晶偏析引起晶轴之间析出气泡。除此之外，显微缩孔也分布在枝晶之间。在热变形过程中，树枝状偏析容易被拉长，塑性夹杂物得到延伸，成堆分布的脆性夹杂物变成点链状，带状组织和力学性能的方向性就是由此而引起的。经过热压力加工后，希望树枝晶能够得到破碎，并且破碎得越彻底越好。(www.xing528.com)

影响树枝晶偏析的主要因素有钢的化学成分、凝固期间钢锭内部某点的冷却速度及该处晶体生长的方式。试验指出，当碳含量增加时，合金元素的偏析度增大。这一点在轴承钢上表现尤为突出，例如冶炼GCr15时，碳含量越靠近规格上限，碳化物不均匀性越严重。除碳外，钢中的其他元素也会对某一元素的树枝晶偏析产生影响。试验表明，硫能增加铬的树枝晶偏析。树枝晶偏析还与钢的冷却速度有关。当冷却速度减慢时，结晶的选择程度并不因冷却速度的改变而变化，但树枝晶偏析的程度却随冷却速度的减慢而变大。试验还说明，树枝晶偏析的程度不仅与冷却速度有关，还受晶体生长方式的影响。例如，在正常浇注的情况下，当钢的心部按等轴晶方式结晶时，偏析度远高于按柱状晶方式的结晶。不难得出，钢的浇注速度越小，冷却速度越快，越能避免粗大的初生晶粒的形成，树枝晶偏析的程度也就越小。除此之外，还需指出，凝固后对钢进行扩散退火更是减小树枝晶偏析的一项极其有力的措施。在生产上，扩散退火的目的不只是要达到钢中碳的均匀化，更主要的是要取得合金元素的相对均匀。这就是说，无论是在奥氏体状态还是在冷却以后，钢中碳的分布受合金元素的支配，没有合金元素的相对均匀化，就不会有碳的均匀化，也就难以消除以后因树枝晶偏析而造成的带状组织。扩散退火的效果取决于扩散加热的温度和保温时间，同时也和钢中显微偏析的状况有关。扩散退火既可在钢锭上进行，也可在铸坯上进行，而如何选择制定合适的扩散退火方案，应根据生产过程中的许多具体因素来考虑。

钢体积收缩的结果使钢产生了缩孔和疏松。影响钢体积收缩的因素主要是碳和合金元素含量。偏析量为正值叫正偏析，负值叫负偏析。

树枝晶偏析是液态金属在冷却时，晶核以树枝晶的形式长大，在树枝晶的局部区域溶质浓度不一致的现象。也有学者将显微偏析分为三种：①晶内偏析，该情况取决于浇注时的冷却速度、偏析元素的扩散能力和固相线倾斜度等，可以通过退火将偏析消除；②区域性偏析，即在较大范围内化学成分不均匀的现象，退火无法将该情况消除，这种偏析与浇注温度、浇注速度等有关；③重力偏析：合金凝固时析出的初晶与余下的液体存在较大的密度差，最终导致材料出现分层、化学成分不均匀的情况，可采用降低浇注温度、加大冷却速度、加入微量元素等措施加以改进。