特殊钢中的偏析问题

特殊钢中的偏析问题

1绪论

1.1特殊钢的定义

对特殊钢尚无统一的定义和概念，一般认为特殊钢是指具有特殊的化学成分（合金化）、采用特殊的工艺生产、具备特殊的组织和性能、能够满足特殊需要的钢类。

1.2特殊钢的特点及分类

特点：与普通钢相比，特殊钢具有更高的强度和韧性、物理性能、化学性能、生物相容性和工艺性能。

分类：我国将特殊钢分成优质碳素钢、合金钢、高合金钢（合金元素大于10％）三大类，其中合金钢和高合金钢占特殊钢产量的70％，主要钢种有特殊碳素结构钢、碳素工具钢、碳素弹簧钢、合金弹簧钢、合金结构钢、滚珠轴承钢、合金工具钢、高合金工具钢、高速工具钢、不锈钢、耐热钢，以及高温合金、精密合金、电热合金等。

1.3特殊钢的发展现状

1949年前，中国年产特殊钢仅5000吨左右。1952年特殊钢产量约为3.5万吨，其中合金钢2.5万吨。经过30年的建设，1982年特殊钢产量占全国钢产量的7％。1952～1982年，特殊钢产量平均每年递增15％，其中合金钢递增14％。按1981年产量计，各类特殊钢种的构成比例是:碳素结构钢占15.3％、碳素工具钢占4.3％、合金结构钢占41％、合金工具钢占3.8％、高速工具钢占1.5％、弹簧钢占17％、滚珠轴承钢占 15％、不锈耐酸钢、耐热钢占2％、其他钢种占0.1％。在特殊钢的加工方面，可以生产10000多个规格的特殊钢材，板、管、丝、带、型、盘饼、环等品种基本齐全，合金结构钢、高速工具钢、轴承钢及其制品已经有少量出口。

到1982年，特殊钢生产布局已经展开。为了提高特殊钢产品质量，许多企业采取了先进的检验手段，建立了全面质量管理体系，高速工具钢、滚珠轴承钢、钎子钢、不锈钢冷轧板、小口径地质钢管等产品，已经分别达到或接近国际先进水平。

2偏析概述

铸件(锭)中化学成分不均匀的现象称为偏析。由于金属凝固过程中的选分结晶，导致晶体中的偏析是不可避免的。

2.1偏析问题的产生

在工业上，几乎所有金属都要经过由液态到固态的凝固过程。当合金凝固时，由

于发生溶质的重新分配，先凝固的部分与后凝固的部分成分不同，就产生了溶质的偏

析现象。偏析问题在高温合金中具有普遍性，尤其在合金化程度较高，锭型较大的条

件下更容易发生。

2.2偏析的分类

偏析分为两种：

(1)微观偏析—晶粒尺寸范围（包括晶界）里的化学成分不均匀现象。微观偏析：晶内偏析（枝晶偏析），晶界偏析。

(2)宏观偏析—铸坯整个断面上化学成分不均匀现象。宏观偏析：正偏析，逆偏析，V 型偏析和逆V型偏析，带状偏析，重力偏析。

偏析也可根据铸件各部位的溶质浓度C S与合金原始平均浓度C0的偏离情况分类。凡C S ＞C0者，称为正偏析，C S＜C0者，称为负偏析。这种分类不仅适用于微观偏析也适用于宏观偏析。

2.3偏析对钢的质量的影响

偏析是铸件的主要缺陷之一。偏析对铸件质量影响很大，主要表现在以下几个方面：

(1)微观偏析使晶粒范围内的物理和化学性能产生差异，影响铸件的力学性能。有时使铸件难于加工。

(2)晶界偏析往往有更大的危害性，由于偏析使得低熔点共晶容易集中在晶粒边界，即增加铸件在收缩过程中产生热裂的倾向性，又能降低铸件的塑性。

(3)宏观偏析使铸件各部分的理学性能和物理性能产生很大差异，影响铸件的使用寿命和工作效果。

3微观偏析

微观偏析按其形式分为胞状偏析、枝晶偏析和晶界偏析。它们的表现形式虽不同，但形成的机理是相似的，都是合金在结晶过程中溶质再分配的必然结果。

3.1晶内偏析（枝晶偏析）

晶内偏析产生于具有结晶温度范围，能形成固溶体的合金中，在铸造条件下，当合金冷却较快时，将形成不平衡结晶。

现在用图3-1说明固溶体合金C0成分的不平衡结晶过程。

图3-1

图3-2、图3-3分别表示含30％Cu的Ni-Cu固溶体合金在凝固时固溶体中无扩散和有若干扩散时的晶体中心成分、表面成分以及平均成分随温度的变化。

图3-2

图3-3

在实际铸造条件下，由于冷却速度快，固相中的溶质还未充分扩散，液体温度降低，固液界面向前推进，又结晶出新成分的晶粒外层，致使每个晶粒内部的成分存在差异。

这种存在于晶粒内部的成分不均匀性，称为晶内偏析。由于固溶体合金多按枝晶方式生长，先结晶的枝干和后结晶的分枝的成分也存在差异，而且分枝本身(内外层)、分枝与分枝间的成分是不均匀的，故也称枝晶偏析。

Ni-Cu 合金的铸态组织（SEM ）

铸钢组织也呈树枝状，其中先结晶的枝杆中心含碳量较低，后结晶出的分枝含碳量较高，枝晶间含碳量更高，树枝晶中这种化学成分不均匀的现象，称为枝晶偏析，因为他属于一个晶粒范围的成分不均匀，所以也称为晶内偏析。

图3-4表示用电子探针所测定低合金钢溶液中生成的树枝状晶各截面得溶质等浓度线。从中可以清楚看出溶质在一次分枝、二次分枝以及晶内的分部。

图3-4

枝晶偏析的描述：当不考虑固相中的扩散时，用Scheil 方程式描述：

01

00(1)k S S C k C f -*=-

应该指出的是，Scheil 方程是在假定固相没有溶质扩散的条件下导出的，是一种极端情况。实际上，特别是在高熔点合金中，如碳、氮这些原子半径较小的元素在奥氏体中扩散往往是不可忽视的。

图3-5表示Cu-Sn8％合金单相凝固时铸态组织中Sn 在枝晶横截面分布的等浓度线。已知Cu-Sn 合金的平衡分配系数K 0=0.36，如不考虑溶质在固相中的扩散，枝干中心Sn 的浓度应为K 0C 0=2.9％小于6％。这说明溶质原子在固相中的扩散是不可忽视的。

图3-5

当考虑固相中有扩散、液相均匀混合时描述为：

00011S S f C k C k α*⎛⎫=- ⎪+⎝⎭

2S D S τ

α=

D S －溶质在固相中的扩散系数

τ－局部凝固时间

S －枝晶间距一半

由此可知，枝晶偏析的产生主要决定于：①溶质元素的分配系数K 0和扩散系数D S ，②冷却条件τ和枝晶间距。

各种元素在不同合金系中的分配系数K 0和扩散系数D S 是不同的，因此，枝晶偏析程度也不同。分配系数K 0愈小(K 0＜1时)或K 0愈大(K 0 ＞1时)，或扩散系数D S 愈小，则枝晶偏析愈严重。因此，可用l1- K 0l 定性地衡量枝晶偏析的程度。 l1-K 0l 愈大，枝晶偏析愈严重， l1-K 0l 称为偏析系数。

几种元素在铁中的K 0和l1-K 0l 示于下表。可以看出碳钢中，S 、P 、C 是最易产生枝晶偏析的元素。