大锻件 第4部分 锻造用钢锭及铸锭技术

第四部分锻造用钢锭及铸锭技术

一、 大型钢锭的组织结构及类型

1．大型钢锭的组织结构

z 激冷层：锭身表面的细小等轴晶区。厚度仅6~8mm ；因过冷度较大，凝固速 度快，无偏析；有夹渣、气孔等缺陷。

z 柱状晶区：位于激冷层内侧；由径向呈细长的柱状晶粒组成；由于树枝状 晶沿温度梯度最大的方向生长，该方向恰为径向，因此形成了柱状晶区；其

凝固速度较快，偏析较轻，夹杂物较少；厚度约50~120mm 。

z 分枝树枝晶区：从柱状晶区向内生长；主轴方向偏离柱状晶，倾斜，并出现 二次以上分枝；温差较小，固液两相区大，合金元素及杂质浓度较大。 z A 偏析区：枝状晶间存在残液，比锭内未凝固的钢液密度小，向上流动，形成A 偏析；在偏析区合金元素和杂质富集，存在较多的硫化物，易产生偏析裂纹。

z 等轴晶区：位于中心部位；温差很小，同时结晶，成等轴晶区。钢液粘稠， 固相彼此搭桥，残液下流形成V 偏析，疏松增多。

z 沉积锥区：位于等轴晶区的底端；由顶面下落的结晶雨、熔断的枝状晶形成的自由晶组成，显示负偏析；等轴的自由晶上附着大量夹杂物，其组织疏松，且夹杂浓度很大；应切除。

z 冒口区：最后凝固的顶部；因钢液的选择性结晶，使后凝固的部分含有大量

的低熔点物质，最后富集于上部中心区，其磷、硫类夹杂物多；若冒口保温不良，顶部先凝固，因无法补缩形成缩孔；质量最差，应予切除。

2． 大型钢锭的类型

z 普通钢锭

高径比：=+d

D H 2 1.8~2.5；通常，10吨以下的钢锭：2.1~2.3，10吨以上的钢锭：1.5~2；

锥度：=%100-D H

d 3~4% ； 横断面为8棱角形。大钢锭为16，24，32棱角。

z 短粗型钢锭

高径比： 0.5~2；

锥度： 8~12%。

高宽比减小，锥度加大有利于钢锭实现自下而上顺序凝固，易于钢水补缩，中心较密实；

有利于夹杂上浮，气体外溢，减少偏析；

锭身较短，钢水压力小，侧表面不易产生裂纹；

锥度大，易脱模；

可增加拔长锻比。

z 短冒口钢锭

对于中、低碳钢，中、低合金结构钢的大型空心锻件，可使用普通锭模，但采用短冒口，以减少冒口钢水。

z 细长型钢锭

高径比：大于3.5；

锥度：5~8%；

用于不需镦粗的轴类件，可减少火次，钢锭利用率达70~75%。

z 空心钢锭

用于锻造大型筒类、环类等空心锻件，对于容器制造具有重要意义； 在钢锭模内置入薄壁钢管，浇铸后形成空腔；

可显著提高钢锭利用率，大幅减少火次；

心部冷却速度明显提高，结构致密，偏析减轻。

国内已成功浇成150吨锭。

z多锥度钢锭

下部锥度大，中部次之，上部锥度小。内部较致密。

z电渣重熔钢锭

圆截面，小锥度；

高径比：约2.5；

钢水洁净，组织致密，结构合理；

钢锭利用率高；

国内已具备浇铸400吨级钢锭的能力。

二、铸锭工艺

1．钢水注入钢包，经脱氧后浇注成钢锭的炼钢工序。

2．铸锭中钢液发生的物理化学变化

z大气环境下浇注，钢液发生二次氧化，产生氧化物夹杂，吸入水蒸气、氢气。z钢液与耐火材料接触，形成外来夹杂。

z在钢锭模内完成液态到固态的转变。

z固态钢收缩。

3．普通铸锭法

z大气环境浇注。

z大型钢锭普遍采用上注法，钢液飞溅易产生表面气孔，钢锭表面凸凹不平。z德国梯森·亨利希冶金公司发明下注法，浇注过435吨钢锭，质量高。

z为防止二次氧化，可采用惰性气体保护。

4．真空铸锭法

z钢液通过中间包浇入置于真空室钢锭模的方法。z普通真空铸锭

z真空吹氩铸锭

z采用除气设备，在浇注中除气。

z避免了二次氧化，减少了非金属夹杂物。

z可利用真空条件下的碳氧反应，进行真空碳脱氧操作，对于低硅的NiCrMo、NiCrMoV钢意义重大，减少夹杂，显著改善偏析，钢锭质量明显提高。三、大型钢锭的缺陷

1．偏析

大锻件要求极少的缺陷和性能的均匀化，但铸锭的物理化学过程，特别是选择性结晶的结果，却使缺陷不可避免。不同元素于不同温度下在固液两相中的溶解度不同，由不同温度梯度形成的结晶差别，凝固过程中的收缩及各种化学反应过程等都将会引起偏析，即成分在宏观、微观区域的不均匀分布。

z A偏析

形貌与成分分布：

位于分枝树枝晶区和等轴晶区之间。与半径的比例关系，锭顶部为0.51~0.54，中部为0.38~0.42，底部为0.26~0.28。

纵断面上表现为不连续的八字形条纹，横断面上表现为以同心圆分布的斑点，斑点直径从几毫米到几十毫米。呈线状。

偏析外侧轮廓清晰平滑，内侧轮廓模糊粗糙。锭底部细小，顶部粗大。

扫描电镜观察发现。A偏析线内存在1微米左右的洞穴，密度明显降低。

偏析线处P 、Mn 、Si 、Mo 浓度远大于平均值，而其周围浓度低于平均值，成分偏析特征明显。

形成机理：

理论一：A 偏析应在凝固前沿形成，位于固液两相区，该处固相率为30%~35%，是准固相区和准液相区的界面。

理论二：富集溶质的钢液比原始钢液密度小，在凝固前沿上浮，形成偏析线。偏析线的斜度由上浮速度和凝固前沿推进的径向速度共同决定。

理论三：当以下热力学条件满足时，含碳量为0.7%的钢即形成A 偏析 75.81.1≤⋅R ε

ε---冷却速度；

R---凝固前沿的凝固速度。

显然，冷却和前沿凝固速度越低，上式越容易满足，A 偏析越容易产生。 影响因素：

化学成分对A 偏析的影响：

对于CrNiMo(V)钢，C 、S 、P 在偏析区富集，认为S 是引起偏析的主要原因，要减轻A 偏析，须将S 降至0.002%以下。

Mo 可抑制偏析发生，Mo 钢几乎无偏析。

低Si 钢因凝固前沿的固相率低，

枝晶间钢液的密度与原始钢液相差很小，不足以上浮形成偏析。反之，高Si 则易产生偏析。

凝固速度对A 偏析的影响：钢锭外表面凝固速度快，无偏析现象；随固相