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。
元 素 P S B C V 质量
分数
(％) 0.01～ 0.03 0.01～ 0.04 0.002～ 0.10 0.30～ 1.0 0.50～ 4.0 偏析
系数
|1-K 0|
0.94 0.90 0.87 0.74 0.62
枝晶偏析的大小可用枝晶偏析度Se ： max min
0C C Se C -=
C max －某组元在偏析区内的最高浓度
C min －某组元在偏析区内的最低浓度
C 0 －某组元的原始平均浓度
枝晶偏析比S R ：
R S =枝晶中最高溶质浓度枝晶中最低溶质浓度
表：几种元素在钢锭中的枝晶偏析度Se
元
素 S P C W V Mo Si Cr Mn Ni
冷却速度的影响
冷却速度V 0对枝晶偏析的影响是通过τ和s 体现的。
00011S S f C k C k α*??=- ?+??
2S D S τα=
曾认为，冷却速度愈大，枝晶偏析愈严重。由上述结果可知，这种看法是不全面的。增大冷却速度有时反而减轻枝晶偏析，甚至当冷却速度增大到某一临界值(106～108℃/s)时，不仅固相的扩散不能进行，液相中的扩散也被抑制，反而得到成分均匀的非晶态组织。
图3-6
图3-6为冷速对镁合金 (Mg-0.2Ca)中Ca 的枝晶偏析的影响。可以看出，即使冷却速度很小，S R 仍大于1，这表明铸锭中仍存在枝晶偏析，且随冷却速度的增大而增大。当冷却速度增大到某一值后，再继续增加冷却速度，枝晶偏析程度减轻。
图3-7碳对硫磷在铸锭中枝晶偏析的影响
某元素在铸件中的枝晶偏析程度因其它元素存在而又相当大的变化。例如，硫、磷在碳钢中的枝晶偏析程度与碳含量有关，如图3-7所示。
随着碳含量的增加，硫、磷在碳钢中的枝晶偏析程度明显增加。这可能是由于碳改变了硫、磷在钢中的分配系数和扩散系数的缘故。
晶内偏析是不平衡结晶的结果，在热力学上是不稳定的。如果采取一定的工艺措施，使溶质进行充分扩散，就能够消除晶内偏析。生产是那个常采用扩散退火或均匀化退火来消除晶内偏析。
Se 2.0 1.5 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0.15 0.05
3.2晶界偏析
在合金凝固过程中，溶质元素和非金属夹杂物富集于晶界，使晶界与晶内的化学成分出现差异，这种成分不均匀现象称为晶界偏析。晶界偏析的产生有两种情况。
两个晶粒并排生长，晶界平行于生长方向，由于表面张力平衡条件的要求，在晶界与液相交界的地方，会出现一个凹槽，深度可达10-8μm。此处有利于溶质原子的富集，凝固后就形成了晶界偏析，如图（a）所示。
（a）两个晶粒并排生长
两个晶粒彼此面对面生长，在固/液界面处溶质被排出（K0＜1），此外，其他低熔点的物质也会被排挤到固/液界面，即在它们之间富集大量溶质和低熔点物质；当两个晶粒相遇时形成晶界，最后凝固的晶界部分将含有较多的溶质和其它低熔点物质，从而造成晶界偏析，如图（b）所示
（b）两个晶粒面对面生长
3.3胞状偏析
固溶体合金凝固时，若成分过冷不大，晶体会呈胞状方式生长。胞状结构由一系列平行的棒状晶体所组成，沿凝固方向长大，呈六方断面。由于凝固过程中溶质再分配，当合金的平衡分配系数K0＜1时，六方断面的晶界处将富集溶质元素，如图3-8所示；当K0＞1时，六方断面晶界处的溶质会贫化。这种化学成分不均匀性称为胞状偏析。
图3-8 胞状生长时溶质分布示意图
3.4微观偏析的防止和消除
枝晶偏析是不平衡结晶的结果，在热力学上是不稳定的，如能设法使溶质原子进行充分
扩散即能消除枝晶偏析。把铸件加热到低于固相线100～200℃，长期保温，使溶质原子充分扩散，则可减轻或消除枝晶偏析。此即为均匀化退火。
图3-9为前文所示的Cu-Ni合金经均匀化退火后的组织及与之相对的特征X射线强度曲线，可以看出，枝晶偏析基本消除。
图3-9
均匀化退火时间取决于枝晶间距和扩散系数。所以凡能细化晶粒的措施，如提高冷却速度，加入晶粒细化剂等，减轻微观偏析，再通过均匀化退火处理，可消除。
对合金进行孕育处理或加入某些元素往往能使树枝状晶的尺寸或单位面积上的树枝状晶的数量发生变化，这将改变枝晶内的溶质分布。
但是晶界上存在的稳定化合物，如氮化物、硫化物和某些碳化物，即使采用均匀化退火往往也无能为力。因此，对于这些化合物所引起的晶界偏析，应该从减少合金中氮、硫的含量入手。
4宏观偏析
宏观成分偏析是铸锭，特别是合金铸锭和大型铸件生产中经常遇到的一种铸造缺陷。它的形成不仅取决于合金自身的结晶特点，而且与凝固过程中的传热、传质以及液相的流动方式密切相关。本世纪以来，随着钢铁工业和科技的飞速发展，人们对凝固中出现的各种宏观偏析现象进行了大量的、系统的研究。
在保证凝固前沿为平界面时，铸件内的宏观偏析可用Scheil方程近似的描述。但在实际生产条件下，保证凝固前沿为平面是困难的，往往存在两相区。此时，铸件生产宏观偏析的途径：1）在铸件凝固早期，固相或液相的沉浮；2）在固液两相区内液体沿枝晶间的流动。下面我们将就有关宏观偏析的问题进行讨论。
4.1正常偏析
当铸件(锭)凝固区域很窄时(逐层凝固)，固溶体初生晶生长成紧密排列的柱状晶，凝固前沿是平滑的或为短锯齿形，枝晶向液体的流动对宏观偏析的影响则降为次要地位，宏观偏析的产生主要与结晶过程中的溶质再分配有关。
随着凝固前沿向中心推进，“多余”的溶质原子(K0＜1)被排斥在周围的液体中。这部分液体的溶质浓度逐渐升高，后结晶的固相溶质浓度不断增加，导致铸件先凝固区域(铸件的外层)的溶质浓度低于后凝固区。 K0＞1的合金则与上述情况相反。按照异分结晶的规律，这是正常现象，故称正常偏析。
厚壁铸钢件中碳、磷、硫等溶质的分布规律：
铸件表面细晶粒区内，钢液来不及在宏观范围内选择结晶，其平均溶质浓度为C 0(原始平均浓度）。与细等轴晶区相连的柱状晶区，凝固由外向内依次进行，且凝固区域很窄，先凝固的部分溶质浓度较低，“多余”的溶质被排斥在周围的液体中，后结晶的固相溶质浓度随之升高，结晶开始温度则相应降低。当铸件中心部位的液体降至结晶温度时，生长出粗大的等轴晶。含溶质浓度较高的液体被阻滞在柱状晶区与等轴晶区之间，该处磷、硫、碳的含量较高。中心等轴晶区平均成分也为C 0 。
通过上述分析可知，铸件产生宏观偏析的规律与铸件的凝固特点密切相关。当铸件以逐层凝固方式凝固时，凝固前沿时平滑的或短锯齿形，溶质原子易于向垂直于凝固界面的液体内传输。此时，枝晶间液体的流动对宏观偏析的影响降至次要地位，凝固后的铸件内外层之间溶质浓度差大，正常偏析显著。
当铸件凝固区域较宽时，枝晶得到充分的发展，排出的溶质在枝晶间富集，且液体在枝晶间可以流动，从而使正常偏析减轻甚至完全消除。
正常偏析随着溶质偏析系数值得增大而增大。但对于偏析系数较大的合金，
当溶质含量
a 平衡结晶
b 固相无扩散液相只有扩散
c 固相无扩散液相均匀混合
d 液相部分扩散
较高时，铸件倾向体积凝固，反而减轻正常偏析或不产生正常偏析。
正常偏析的存在使铸件性能不均匀，随后的加工和热处理也难以根本消除，故应采取适当措施加以控制。
4.2逆偏析
铸锭和铸件凝固后，常常可以观察到与正偏析相反的情况，即铸锭的表面或底部含溶质元素较多，而中心部分或上部含溶质较少(K0＜1)。
Cu-Sn和Al-Cu合金是易于产生逆偏析的两种典型合金，Cu-Sn10％合金铸件表面含锡量有时高达20-25％。在灰铸铁件表面有时会出现磷共晶的汗点。
图4-1表示含Cu4.7％的铝合金铸件断面上产生逆偏析的情况，虚线表示原始成分，而实线表示铜的实际分布。
图4-1
逆偏析的形成有以下几方面的共同特点：
(1)结晶范围宽的固溶体型合金；
(2)铸件缓慢冷却时逆偏析程度增加；
(3)枝晶粗大时易产生逆偏析；
(4)合金液含气量较高时易出现逆偏析。
上述共同特点联系起来，对逆偏析的形成原因可作如下解释：
宽结晶温度范围的固溶体型合金在缓慢凝固时易形成粗大的树枝晶，枝晶相互交错，枝晶间富集着低熔点的溶质，当铸件产生体收缩时，低熔点溶质将沿着树枝晶间向外移动。如果液态合金中溶解有较多的气体，在凝固过程中将助长逆偏析的形成。
4.3V型偏析和逆V型偏析
常出现在大型铸锭中，一般呈锥型，偏析带中含有较高的C以及P和S杂质。
形成机理：（1）固-液界面偏析元素的富集将阻碍结晶的生长，出现周期性结晶。
（2）由于结晶沉淀，在铸锭的下半部形成溶质浓度低于平均成分的负偏析区，上半部则形成高于平均成分的正偏析区。
影响偏析的因素：
降低铸锭的冷却速率，枝晶粗大，液体沿枝晶间的流动助力减小，促进溶质富集液相的流动，均会增大形成V形偏析和逆V形偏析的倾向。
4.4带状偏析
定义：区域偏析的一种特殊形式，指铸锭中某些局部区域的化学成分与其周围区域存在差异的现象。钢锭中的带状偏析按其分布特征，可分为Λ型偏析（倒V型偏析）和V型偏析两种。
带状偏析常出现在铸锭或厚壁铸件中，有时是连续的，有时则是间断的，偏析的带状总是和液-固界面相平行。
带状偏析的形成是由于固-液界面前沿液相中存在溶质富集层且晶体生长速度发生变化的缘故。
带状偏析成因：
溶质再分配＋成分过冷
图（a)中的固-液界面，在液体金属中的溶质扩散速率低于固体的生长速率时，产生溶质偏析（富集），固-液界面处的实际过冷度将下降。
图（b)由于固-液界面的过冷降低，固体生长受到限制，晶体在固-液界面前方过冷度较大的部位优先生长并且长出分枝，成为树枝状，溶质含量高的金属液将被树枝晶捕捉（包围）。
图（c）所示，固-液界面前沿过冷度又相对增大。由于液固界面的过冷降低，固体生长受到限制，晶体在固液界面前方过冷度较大的部位优先生长，并且长出分枝，成为树枝状，溶质含量高的金属液将被树枝晶捕捉（包围），在固液界面前沿的溶质浓度降低。
图（d)中枝晶继续成长将与邻近的枝晶连接在一起，形成平滑界面，固-液界面推进又会引起固-液界面的过冷度下降。
固液界面推进又会引起固液界面的过冷度下降，如图（e）和图（f）所示，结晶前沿的成长又会出现新的停滞。如此重复，在逐渐断面可能会出现数条带状偏析
图（g）所示，当固-液界面过冷度降低，固-液界面推进受到溶质偏析的阻碍时，由于界面前方的过冷度较大，从侧壁上可能产生新的晶粒并继续长大，从前方横切溶质农化带，也能形成带状偏析。
减少带状偏析方法：
带状偏析的形成不进与固液界面溶质富集而引起的过冷程度有关，而且受晶体成长速率变化的影响当固液界面前方有对流或搅拌时，由于溶质的均匀化，可阻止带状偏析的形成。
如果减少溶质的含量，采取孕育措施细化晶粒，加强固液界面前的对流和搅拌，都能够防止或减少带状偏析的形成。
断口附近纵向截取面上可看到近中心区有明显的带状组织偏析。图中黑色条状即组织偏析区。
4.5重力偏析
在铸锭中经常发现底部和顶部存在着明显的成分差异。这除了是由于沿垂直方向逐层凝固而产生的正常偏析外，在许多场合，是由于固、液两相之间或互不相溶的液相之间有的密度不同，在凝固过程中发生沉浮现象而造成的，故称重力偏析。
重力偏析产生在铸件凝固之前或刚刚开始凝固之际。绝大多数的合金，固相密度较液相大，所以初生晶总要下沉，所谓的“结晶雨”即指此而言，从而使铸锭上部和下部的化学成分不同。例如Cu-Pb合金，由于铜和铅的密度相差较大，液体存在分层现象，上部含Cu多，下部含Pb多，在浇注前即使搅拌，凝固后的铸件也会产生重力偏析。
铸件在凝固过程中，固液两相区内的液体存在密度差，在重力作用下，发生向上或向下流动，也形成重力偏析。例如，一断面均匀的Al-4.5％Cu合金铸件，水平浇注，一端设置冒口，如图所示。
铸件从另一端沿水平方向单向凝固，在凝固前沿的固液两相区内液体沿X轴方向存在温度、成分和密度差。靠近固相边界的流体含Cu量高，密度大，在重力作用下向下流动，导致重力偏析的产生。
在其它条件相同时，固液相之间或互不相溶的液体之间的密度差越大，则重力偏析越严重。因此，一些以W、Pb等重金属为溶质的合金或一些以铝镁等轻金属为溶质的合金，如何防止或减轻重力偏析是生产中的主要问题之一。加快结晶速度，机械搅拌液态金属可以减轻重力偏析。加入第三组元，形成高熔点、密度与液相相近的固相，先形成枝晶骨架，可阻止偏析相浮沉。例如，向Pb-Sn17％合金中加入1.5％Cu，首先形成CuPb骨架，即可减轻和消除比重偏析。
4.6宏观偏析的预防与消除
宏观偏析是由于铸件在凝固期间固相和液相的沉浮以及未凝固的液体在枝晶间的流动等造成的铸件各个部位间的化学成分不均匀的现象，是一种较长距离的偏析。通过均匀化退火很难完全消除。
防止对策：对于因密度差异所造成的重力偏析，可通过在熔炼时和浇注前充分搅匀合金熔液；尽量缩短合金熔液停放时间；加入某种合金元素，遏制比重偏析，铸件凝固时，强化冷却，加速凝固；合理控制铸件凝固方向等加以预防。对于区域偏析(正常偏析或逆偏析)，不能用均匀化扩散退火方法予以消除，因为偏析的溶质元素扩散距离过长而不能奏效，故应以预防为主。主要是铸件结构应理，避免有过度肥厚断面以免在此产生区域偏析，强化冷却，使铸件迅速凝固，添加合金元素，遏制偏析。
5引起偏析的原因
引起高温合金偏析的原因是多种多样的，既有外部原因，也有内部原因。外部原因包括原料的纯净度、熔炼工艺的合理选择、铸模的温度、铸锭的冷却速率、温度梯度和时间等等；内部原因包括合金成分、各个元素的特性、枝晶生长速率、晶体形核率、枝晶间距、液相的流动性等。对于不同合金，引起其偏析原因应是内外因素共同作用的结果。根据查到的资料，总结了引起高温合金偏析的因素。
5.1元素凝固特点
元素凝固本质：假设成分为C的二元合金，当温度降到T1开始结晶，在T2温度下结晶出现的晶体，当温度下降到T3时，在已有的成分α2的晶体上又长出一层成分为α3的晶体，由于温度下降时，扩散过程不能充分进行，所以晶体外层虽然是α3的成分而内层却是接近α2的成分，依次类推，这样冷却下来的结果，这就造成了晶内偏析，多元合金的枝晶偏析同二元合金的枝晶偏析形成机理是相同的。在非平衡凝固过程中原子在液相内部的扩散、固相内部的扩散及两相之间的扩散是相当慢的，在非平衡凝固条件下，各晶粒内部的成分都不是一致的，外层后结晶的部分含低熔点组元比较多，在合金凝固时，先凝固的枝晶干含高熔点的元素多，后凝固的枝晶间含低熔点的元素多。
晶内偏析的大小与分配系数K0有关，也即与液相线和固相线间的水平距离或成分
间隔有关。在上面所讨论的情况下，偏析的最大程度为：
C0-C=C0-K0C0=C0(1-K0)
式中，C0为原始成分；C为实际成分；K0为分配系数。当K0＜l时，K0值越小，则偏析越大；当K0＞l时，K0值越大，偏析也越大。
溶质原子的扩散能力对偏析程度也有影响，如果结晶的温度较高，溶质原子扩散能力又大，则偏析程度较小；反之，则偏析程度较大。
5.2熔炼工艺
(1)熔炼过程中，工艺的稳定性对宏观偏析的形成有重要影响。如在电渣重熔的某合金中，电流增大，导致熔速加快和熔池加深，偏析加重；若电流减少，导致熔化过程中断，当再开始熔化时，因局部温度变化也会导致偏析。
(2)冶炼工艺的合理选择对偏析也有重要影响，研究表明：三次熔炼要优于一次或二次熔炼，例如真空感应+电渣重熔+自耗重熔要比单独的电渣重熔或自耗重熔偏析要轻的多。
(3)熔炼工艺对合金的偏析也有影响，对合金采用不同的熔炼工艺，合金中产生的偏析产物含量是不同的。
5.3浇注过程中的外界条件
(1)外来浇铸过程中的杂质。由于某些原因，在浇铸过程中，一些杂质能够进入铸锭，从而形成形核核心，而此类杂质本身或富集某些元素或贫乏某些元素，从而导致偏析。
(2)外界气体对浇铸溶质元素的影响。浇铸过程中，若大面积与空气接触，则会发生气体或元素的吸纳或逸出(也包括某些溶质元素的挥发)，从而使元素分布不均匀而产生偏析。
(3)浇铸过程中，液流速度也会对偏析产生一定的影响。
5.4合金成分的影响
高温合金由十几种元素组成的，由于本身特性以及它们含量的不同，它们对偏析的影响也不尽相同，主要表现在：
(1)扩大液固相温度区间。合金的凝固偏析与合金的凝固温度区间密切联系，通常凝固温度区间越大，合金的树枝状偏析越严重。
(2)合金成分对偏析的影响，高温合金中的十几种元素有正偏析元素，也有负偏析元素。这些元素的偏析除了与本身的特性有关外，还与元素在合金中的含量有关。元素含量不同，其偏析程度是不同的。
5.5铸造工艺参数对偏析的影响
(1)浇铸温度。研究表明：降低浇铸温度能够使晶粒细化，枝晶间距减小，从而元素的偏析减小。
(2)冷却速率。冷却速率越大，枝晶问距越小，枝晶分叉越少，从而减轻偏析。
(3)铸锭尺寸。无论对多大尺寸的铸锭，显微偏析总是存在的，一般来说，尺寸越小，偏析的程度越小。但是对宏观偏析而言，针对不同的合金，其铸锭在一定尺寸内不会出现，然而随着尺寸的增大，会出现宏观偏析，导致铸件的报废。
(4)温度梯度G L和生长速率V对偏析的影响。Hunt给出了一次枝晶间距公式：
γ=AG L-0.5V-0.25
式中，γ为一次枝晶间距；A为常数；G L为温度梯度；V为枝晶生长速率。从式中可以看出，温度梯度越大，生长速率越大，枝晶间距越小，偏析越少，如图5-1，我们可以看出，凝固
速率越大，枝晶间距越小。一些研究结果表明：随着凝固速率增大，固相扩散的不足程度增加，使枝晶偏析程度增大，但当凝固速率进一步增大时，枝晶偏析趋于减小。
图5-1凝固速率对枝晶间距的影响
5.6晶体取向对偏析的影响
中科院金属所用一种无铼第二代镍基单晶高温合金作为研究对象，观察元素的偏析与晶体取向的关系，结果表明：W，A1，Co的偏析比与取向无关，Ti，Cr的偏析程度按[001]-[011]-[111]次序降低，Ta和Mo的偏析情况受取向影响但无明确变化规律。如图5-2所示，不同方向的偏析比是不一样的。
图5-2晶体取向对偏析的影响
6偏析对力学性能的影响
一般而言，由于偏析的存在，不可避免对特殊钢的性能产生影响，特殊钢的性能指机械性能如拉伸强度、延伸率、截面收缩率、蠕变性能、持久性能等。前人的工作也分析了偏析对特殊钢性能的影响，但不是太全面，只是针对某些方面，众所周知，特殊钢的好坏主要取决于性能，因此有必要研究偏析对性能的影响。
6.1偏析对热加工性的影响
高温合金较差的热加工性主要体现在热加工温度范围窄，变形抗力大和塑性低三个方面。
热加工温度指的是合金变形的温度范围，一般来说，热加工温度范围越大，越有利于合金的加工。文献报道，合金中元素的偏析可导致热加工温度范围变窄。例如对于GH742合金来说，其合金化程度相当高，特别是Nb元素含量较多，虽然高合金化有利于合金的高温强度逐渐提高，但是合金的熔点降低，成分的不均匀性增大，降低固溶于基体中的Ti、Al、
Nb元素最终会导致变形抗力的降低，这样导致变形温度范围越来越窄，热加工抗力急剧增大，热加工塑性降低。这种恶劣的热加工性能已经成为材料进一步发展的障碍。
6.2偏析对合金强度的影响
由于合金偏析形成的δ相会对合金强度产生影响。事实证明，不仅晶粒大小而且晶内δ相的多少对性能也有直接的影响。不论δ相是针状还是短棒、颗粒状，当数量过多并且分布不均匀时，均起到软化作用，导致合金强度下降，塑性上升。当合金中无δ相时，也降低强度，并导致缺口敏感，只有当合金中含有适量的δ相，才能起到有利作用。δ相则降低合金的高温强度。因此合金的组织均匀性对合金的性能有极大的影响。
6.3对持久性能的影响
在合金铸锭的凝固过程中，枝晶间的Laves相周围析出针状δ相，δ相的偏析造成晶粒不均匀的粗细晶条带组织，由于粗细晶的力学行为不同，必然影响到材料的性能不均。6.4对缺口敏感性的影响
合金中偏析形成的Laves相和δ相是影响合金工艺、组织和性能的重要相。Laves相是脆性有害相，在成品中不允许存在；δ相是一个既有利又有害的相，它的形貌、数量和分布能起到控制合金晶粒组织、改善塑性、消除缺口敏感性的重要作用，但过多的δ相将激烈地降低合金的高温强度。因此，可以说合金材质的优劣在很大程度上取决于对δ相的控制。
6.5对冲击韧性的影响
一般认为，δ相、μ相等TCP相在晶界析出会降低高温合金的韧性，冲击韧性、塑性随晶粒尺寸的细化和均匀化而升高。研究认为晶界碳化物对合金的冲击韧性有影响，当晶界处存在分布不均匀且尺寸偏大的碳化物，浓度越高，合金的冲击韧性越低。虽然合理的热处理工艺对合金有害相的消除有帮助，但先天性的偏析如不消除，仍对合金的性能有影响。
大方坯轴承钢中心偏析的成因及预防措施 某钢特钢厂轴承钢生产流程为：50tUHPEAF(铁水热装比大于 50%)+50tLF+60tVD真空脱气+3机3流大方坯全弧形合金钢连铸机+铸坯入坑缓冷、部分连铸坯直接热送轧制成材。连铸机弧形半径为R11m/16m/32m，3点矫直，铸坯断面为180mm×220mm、260mm×300mm，采用全封闭无氧化保护浇注，结晶器液面自动控制，专用轴承钢结晶器保护渣保护浇注，二冷气雾冷却动态配水，结晶器+末端(M+F2EMS)复合式电磁搅拌，连铸坯重接部分切除、头尾坯优化等技术。连铸工艺生产轴承钢，铸坯表面质量良好，通过LF+VD真空处理和严格的无氧化保护浇注，钢中氧含量降低，平均氧的质量分数达到10×10-6以下，钢材热顶锻一次检验合格率达到100%。轴承钢生产中，中心碳偏析是其主要低倍缺陷。 中心偏析受钢水过热度、拉速、电磁搅拌、二冷区温度和连铸机的设备状况等因素影响。 连铸钢水的过热度对高碳铬轴承钢铸坯的质量有重要影响。因为高碳铬轴承钢固液两相区温度达到131℃，故中等过热度的钢液也有其柱状晶强烈增大趋势，在凝固后期由于连铸坯断面中心柱状树枝晶的搭桥而形成小钢锭的凝固结晶现象，铸坯产生中心偏析。过热度越低，中心偏析的评级越低。钢水中元素的偏析是随着凝固前沿的推移而逐渐产生的，影响偏析程度的主要因素为中间包钢水过热度和由过热度而决定的凝固前沿的温度梯度。在较高的温度梯度下，固液相线温差越大，使开始结晶和发生了结晶的固相成分差别愈大，体积收缩比也越大，偏析也愈严重。对轴承钢的低倍组织检验发现，在过热度较高的炉次产生中心增碳现象，该缺陷在钢材热酸蚀后的中心部位出现明显的黑色斑点。由于中间包钢水过热度的控制存在明显差异，导致连铸坯中心碳偏析存在较大差别。 拉速与连铸坯中心偏析评级有关。一般来讲，连铸坯的等轴晶区面积越大，中心偏析评级越低。降低拉速对铸坯质量有利，尤其是大方坯轴承钢，当铸坯在离开结晶器时，坯壳有足够的厚度以承受内部钢水的静压力，否则易产生鼓肚、致使枝晶间富集溶质的钢液向液相穴移动形成中心偏析。当断面和钢种一定时，
齿轮钢大方坯宏观碳偏析及形成机制 许伟阳1,曹志刚1,3,颜慧成1,仇圣桃1,徐瑞军2,杨庚潮2,刘 建2,吴清明2 (1.钢铁研究总院连铸技术国家工程研究中心先进钢铁流程及材料国家重点实验室, 北京100083;2.湖南华菱湘潭钢铁有限公司,湖南湘潭411101;3.西安建筑科技大学 冶金工程学院,陕西西安710055) 摘 要:通过对华菱湘潭钢铁有限公司生产的断面尺寸为300mm×430mm的20CrM nTiH2大方坯进行碳成分分析和低倍组织检查,研究碳成分偏析与低倍组织的对应关系,探讨了偏析的形成机理。结果表明:柱状晶、CET区为正偏析,等轴晶区为负偏析,中心为正偏析,整个轴向呈“W”型分布,碳含量与低倍组织呈现明显的对应关系,说明碳偏析与凝固是密切相关的。 关键词:连铸;大方坯;碳宏观偏析;CET 中图分类号:T F777.2 文献标识码:B 文章编号:1002-1043(2011)05-0063-05 Macro-segregation in cast bloom of gear steel and its formation mechanism XU Wei-y ang1,CAO Zhi-gang1,3,YAN Hui-cheng1,QIU Sheng-tao1, XU Rui-jun2,YANG Geng-chao2,LIU Jian2,W U Qing-ming2 (1.The State Key Laboratory of Advanced Processes and Products for Iron and Steel,Natio nal Enginee ring Research Center of Continuous Casting Technology, Central Iron and Steel Research Institute,Beijing100081,China;2.H unan Xiangtan Iron and Steel Co.,Ltd.,Xiang tan411101,China;3.School of Me tallurgy Engineering,Xi’an University of A rchitecture&Technolo gy,Xi’an710055,China) Abstract:The present paper mainly researched on the carbon macro-seg regatio n and etched m acro structures of cast bloom of gear steel20CrM nTiH2pro duced by Xiangtan Steel with cross section of300mm×430m m in o rder to find out the relatio ns betw een the carbon macro-seg regatio n and etched macro structure and the form ation mechanism of carbo n macro-seg reg atio n.The results show that the segregation deg ree w as po sitiv e in co lum nar zone and columnar-to-equiaxed transition(CE T)boundaries,negative in e-quiax ed zone and positive again in the center o f cast bloom.The carbo n seg regation dis-tribution mo rpholog y turned o ut to be W style.The carbo n co ntent show s a clear rela-tion w ith the etched macrostructure and it indicates that carbon m acro-segrega tion is re-lated closely w ith solidification. Key words:continuous casting;blo om;carbon m acro-seg reg ation;CE T 钢中碳的偏析指数大,极易发生偏析,枝晶间碳微观偏析在后续轧钢热处理时能够减轻,但大尺寸范围的碳宏观偏析则无法得到改善[1],所以在连铸生产中必须对钢中碳元素的偏析进行有效控制,以减轻碳偏析对后续加工生产及成品质量的影响。 20CrM nTiH2钢对碳的均匀性要求很高,湘潭钢铁有限公司(以下简称湘钢)在初期生产中大规格圆钢低倍曾一度出现碳宏观偏析偏高现象,主要表现为横断面圆周方向上碳成分不均匀,加工成齿热处理后平直度偏差大,齿轮啮合不好。经过调研,发现是连铸坯的碳偏析引起的。本文 63 2011年 10月第27卷第5期 炼 钢 S teelmaking Oct.2011 Vol.27 No.5 作者简介:许伟阳(1988-),男,钢铁研究总院连铸技术国家工程研究中心,硕士生,从事连铸坯质量控制研究。
镇静钢锭的缺陷主要有缩孔、缩松、偏析、气泡等，简要介绍如下： ()一缩孔及缩孔残余 钢锭中也出现缩孔图4.28 和纯金属铸锭一样，钢液在凝固时要发生收縮，因此在凝固后的钢锭中就出现缩孔 缩孔处 缩孔处是钢锭最后凝固的地方，是偏析、夹杂物和缩松密集的区域 缩孔的处理 在开坯时，一定要将缩孔切除干净 缩孔残余及其危害 1.如果切头时未被除净，遗留下的残余部分，称为缩孔残余 2.缩孔残余的存在，在热加工时会引起严重的内部裂纹 影响缩孔的因素及措施： 除了浇注工艺和锭模设计因素外,含碳量对缩孔也有重要影响。随着含碳量的增加，钢液的凝固温度范围增大，因此其凝固收缩量也增大。高碳钢的缩孔比低碳钢要严重得多 高碳钢在浇注时最好使用体积较大的保温冒口 因此更要注意缩孔残余，浇注时最好使用体积较大的保温冒口 ()二?缩松 缩松是钢不致密性的表现 部位： 多出现于钢锭的上部和中部。
分布： 在横向切片上，缩松有的分布在整个截面，有的集中在中心。前者称为一般缩松，后者称为中心缩松 影响： 不同程度的缩松，对钢的塑性和韧性的影响程度也不同 处理： 一般情况下，经过压力加工可以使之得到改善。但若中心缩松严重，也可能由此使锻、轧件产生内部断裂 原因： 形成缩松的主要原因与纯金属铸锭的相同 气体和夹杂物： 当钢中含有较多的气体和夹杂物时，会增加缩松的严重程度。 ()三?偏析 偏析一般是无法避免的 偏析种类及影响： 其中的枝晶偏析可经高温塑性变形和扩散退火后消除,而区域偏析，主要是方框形偏析和点状偏析，则将影响钢材的质量 方框形偏析的性质： 方框形偏析是一种最常见的正偏析 方框型偏析的形态： 在经过酸浸的低倍组织切片上常可见到如图4.30，其特征是在钢材半径的一半处，大致呈方形，出现内外两个色泽不同的区域。
1， 2 热能工程
。过热度高，铸坯凝固前沿温度梯度大，保持定向传热的时间长，有利于柱状晶的生长，并可抑制等轴晶粒的形成。柱状晶发达会加重凝固过程的显微（枝晶）偏析，可导致尚未凝固的钢液杂质组元含量增加，加重中心偏析。 图1过热度对B类以上中心偏析比率的影响 如图1和图2所示，对铸坯硫印数据库进行统计，拉速为1.0m/min，铸坯尺寸为1450mm×230mm，相同冷却条件下，铸坯样本容量为99个，其中A类偏析2个，B类偏析76个，C类21个，所占比例依次为：2.0%，76.8%，21.2%，比较重的A类B类偏析共占78.8%。样本中的合格样品（B类0.5级以下）79个，合格率为79.8%。 图2钢水过热度对中心偏析合格率的影响 结果表明，随钢水过热度的增加，铸坯中心偏析程度增加。在所采用的浇铸条件下，当钢水过热度超过24℃后，铸坯中心偏析合格率急剧下降。 2.2拉速 拉速对铸坯中心偏析有重要影响，这是因为当拉速增加时，减少了钢水在结晶器内的停留时间，导致转移钢液过热量所需的时间增加，推迟了中心等轴晶的生产，有利柱状晶发展和轴向偏析。拉速增加，液相穴深度增大，更易形成凝固桥，造成中心偏析。 如图3所示，本研究统计了B类以上中心偏析出现的比率随拉速变化的规律。对硫印数据库整体进行统计，样本容量为318个，中心偏析A类3个，B类232个，C类83个，所占比例分别为0.9%，73.0%，26.1%。B类以上占73.9%。 图3拉速对B类以上中心偏析比率的影响 2.3辊道开口度 “鼓肚”理论认为，中心偏析的产生是由于铸坯在连铸过程中，凝固壳鼓肚或凝固收缩引起富集溶质残余液体流动，而使局部溶质聚集的结果。鼓肚与辊间距、辊子刚性、对中精度等有密切关系。鼓肚量与辊间距的4次方成正比，间距越大越容易鼓肚。另外，为减轻鼓肚，辊子要保持良好的刚性，防止变形，而且对中要好，要保持较高精度。缩小辊间距，特别是调整辊列系统的对中精度和保持夹辊的刚性,，对减轻鼓肚都十分有利。可见，辊子的开口度和对弧精度对中心偏析有很大影响。 经过计算，拉速为1m的铸坯的凝固终点在11～12段之间，约距结晶器弯月面21.9m。 2003年5月29日第11、12段的辊道开口度偏差值最小1.6mm，最大3.2mm。取数据库中前后７天的数据共12组进行分析，有11组合格，合格率为91.67%。2003年9月2日第11、12段的开口度偏差最小值1.6mm，最大值3.7mm。取数据库中前后7天的数据共20组进行分析，15组合格，合格率为75.00%。若取该日附近8组检验，5组合格，合格率为62.50%。分析可知，在凝固末端，辊道开口度控制精度偏差增大对中心偏析的改善不利，如图4所示。 图42003年9月2日辊道开口度变化 热能工程
减轻碳偏析的方法 高碳钢用于制作高强度的预应力钢丝和钢绞线，广泛应用于公路、铁路桥梁、海港码头、电站、大坝、工业民用建筑等领域，是一种高附加值产品，近年来，其需求量逐年攀升，所以高碳钢具有广泛的市场前景，而高碳钢在后续连续拉拔成单丝的过程中，压缩比可高达84%，这就要求原始的盘条成分化学均匀，钢的纯净度高，金属夹杂物含量低且无大型夹杂，连铸坯中心偏析和中心缩孔小，线材的表面质量好，不能有折叠、耳子等缺陷，组织性能均匀稳定等。应该控制连钢、精炼、连铸、轧制、拉拔等各个生产环节，综合优化工艺，减轻偏析。 1.0炼钢 生产工艺为：铁水预处理→转炉冶炼→LF炉精炼→喂丝→软吹→保护浇铸，炼钢过程主要控制连铸坯中心偏析、中心缩孔及夹杂物，从以下下面几个环节控制。 精炼部分： （1）成分控制，在铸坯结晶过程中，钢液中的溶质元素在固液相界上的溶解并未平衡移动，C、S、P等易偏析元素以柱状晶粒析出，排到尚未凝固的钢液中，随着结晶过程的进行，这些易偏析元素被富集到铸坯中心或者凝固末端区域，从而产生铸坯中心偏析。 由于出钢过程增碳量大，为达到LF精炼成分的目的，对钢中硅、
锰成分分别用硅铁和锰铁调整，用含碳合金球或碳芯线微调碳成分。硅是促进石墨化作用最强的合金元素，硅促进石墨化的能力，是镍的3倍，是铜的5倍。无论在液态或者固态的钢中，硅与铁结合的作用都比碳强。钢水中含有硅，就会使碳的溶解度降低。因此含硅量越高，碳含量相应的越低，就会有更多的碳被排挤出来。碳含量降低，铸坯碳偏析就会得到明显的改善。 （2）温度控制，由于高碳钢液相线温度低，因而其过程温度低，但是温度过低会造成化渣困难，所以要求LF炉第一次升温温度不能过低。 （3）夹杂物控制，为改变夹杂物的形态和分布，在钢水离开LF站之前，利用含钙包芯线对钢水进行钙处理，钙处理后，为保证夹杂物充分上浮，必须对钢包液进行较长时间的软吹氩，软吹氩时间要求不少于8min。 连铸部分： （1）浇注温度，浇注温度高，铸坯易产生柱状晶或者穿晶组织，造成中心疏松、缩孔和偏析加剧。浇铸温度高还会使得液芯变长，导致
关于偏析概念及分类 合金液在铸型中凝固以后，铸件断面各个部分，以及晶粒内部，往往有化学成分不均匀的现象，这就是偏析。 偏析是一种铸造缺陷。由于铸件各部分化学成分不一致，势必使其机械及物理性能也不一样，这样就会影响铸件的工作效果和使用寿命。因此，在铸造生产中，必须防止合金在凝固过程中产生偏析。 偏析可分为三种类型，即晶内偏析、区域偏析和比重偏析。对于某一种合金而言，所产生的偏析往往有一种主要型式，但有时，由于铸造条件的影响，几种偏析也可能同时出现。 一、晶内偏析 晶内偏析，又称树枝状晶偏析，简称枝晶偏析。其特征是同一个晶粒内，各部分化学成分不一致，并且往往在初晶轴线上含有熔点较高的成分多。如锡青铜在晶粒轴线上往往含铜较多，含锡较少，而枝晶边缘则相反，这就是晶内偏析。 铸件内产生晶内偏析，一般有二个先决条件，第一，合金的凝固有一定的温度范围；第二，合金结晶凝固过程中原子扩散速度小于结晶生长速度。一般的情况下，合金的凝固温度范围愈大，铸件结晶及冷却速度愈快，则原子扩散愈难于进行完全，晶内偏析现象愈严重。因此，晶内偏析多产生于凝固温度范围较大，能形成固熔体的合金中。 为了防止某些合金的晶内偏析，可以采取细化晶粒措施，以缩短原子扩散距离；或适当提高浇注温度，延缓冷却速度，以延长原子扩散时间但浇注温度不得过高，否则会造成氧化、吸气、晶粒粗大等弊病。当铸件内已存在晶内偏析时，可考虑采用长则间的扩散退火热处理，以求得到改善。 二、区域偏析 区域偏析，即在整个铸件断面上，各部分化学成分不一致的现象，它主要由于合金进行选择凝固所引起的。区域偏析可分为正向和逆向偏析正向偏析是熔点较低的成分或合金元素熔质集中在铸件的中心和上部，其含量从铸件边缘至中心逐渐增加。逆向偏析则相反，熔点较低的成分或合金元素熔质集聚在铸件边缘。
过热度与中心偏析之间的关系 过热度的计算需要知道中包温度，液相线温度。根据经验公式： 中包标准温度=液相线温度+中包标准过热度 而液相线温度 T L=1536.6-(90%[C]+8%[Si]+5%[Mn]+30%[P]+25%[S]+3[Al]+5%[Cu]+1.5% [Cr]+4%[Ni]+2%[Mo]+80%[N]+18%[Ti] 可以通过钢水中各个成分的含量确定来计算出液相线温度，然后根据连铸过程中中间包的温度，计算出中包过热度。 图1 过热度分布散点图 通过对武钢2010年7月至2011年3月的Q345B共计947炉钢水的中包过热度分析，得出以下结论：中包液相线温度均值为1503℃，中间包温度的均值为1531℃，中包过热度集中在20~40℃区间内，均值为28.25℃。存在7炉钢水过热度高于50℃，4炉钢水的过热度低于15℃。选取了其中过热度较高的炉次分析发现C026468（过热度60.77℃）根据液相线公式计算，其液相线温度为1480℃，与实际液相线平均温度相差较大，可认为是其成分不太稳定。而其中过热度较低的炉次C131758（过热度6.4℃）则是因为其中包温度（1518.25℃）过低。
图2 中心偏析级别与过热度关系图 取武钢三炼钢2010年7月至12月的中心偏析程度C1.0~C2.0的Q345B硫印坯共32块，其中C1.0共17块，C1.5共12块，C2.0共4块，作其与过热度之间的柱状关系图。从图中可以明显的看出C1.0级别的过热度均值为25.0763℃，C1.5级别的过热度均值为26.2884℃，C2.0级别的过热度均值为28.9316℃。随着中心偏析程度的提高，过热度呈增加的趋势。考虑到要降低中心偏析，必须尽可能的降低过热度，但是对于低碳钢，特别是含铝、铬、钛较高的钢种，钢液发粘，过热度会应该较高些。建议过热度应尽量控制在20℃~22℃。
偏析相关 合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象称为偏析。焊接熔池一次结晶过程中，由于冷却速度快，已凝固的焊缝金属中化学成分来不及扩散，造成分布不均，产生偏析。 根据铸锭的范围，偏析分为两大类： 1. 显微偏析。 2. 区域偏析（宏观偏析） 显微偏析指发生在一个或几个晶粒之内，包括枝晶偏析、晶间偏析、晶界偏析和胞状偏析。 宏观偏析则发生在铸锭宏观范围内这一部分和那一部分之间。可分为正常偏析、反常偏析、比重偏析三类。 晶内偏析：该情况取决于浇铸时的冷却速度,偏析元素扩散能力和固相线倾斜度等.可以通过退火将偏析消除;. 区域性偏析：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,这种偏析与浇温、浇速等有关；比重偏析：合金凝固时析出的初晶与余下的液体存在较大的比重差，最终导致材料出现分层、化学成分不均匀的情况。可采用降低浇温加大冷却速度，加入微量元素形成比重适当等。 扩散退火能消除偏析,均匀化学成分; 扩散退火又称均匀化退火，是将钢锭、铸件或锻坯加热至略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。其主要作用和目的是消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的成分偏析，使成分和组织均匀化。 扩散退火加热温度高、保温时间长，所以加工效率低、成本高，也容易产生粗晶、氧化、脱碳等缺陷。因此，扩散退火只是用于一些优质合金钢及偏析较严重的合金钢铸件及钢锭，并且扩散退火后可以进行一次完全退火或正火，以细化晶粒、消除缺陷。 成分偏析需要重熔才能够消除。 组织偏析需要长时间奥氏体化（即均匀化退火）
1、一般严重偏析很难消除，但是对于个别的，如碳化物聚集等，可以通过压缩比和正火进行改善。（其实在均热坑延长加热时间就是扩散退火的过程）高温扩散、塑性加工可以在后期减轻偏析。 2、晶界偏析和晶内偏析都是微观偏析。晶界偏析是由于溶质原子富集在最后凝固区域造成的（k大于0的情况）。受溶质含量，结晶速度等的影响。这类偏析可以用均匀化退火（扩散退火）消除。 3、偏析一般是无法避免的，其中的枝晶偏析可经高温塑性变形和扩散退火后消除，而区域偏析主要是方框形偏析和点状偏析，无法消除，将影响钢板质量、甚至导致钢板报废！ 3、扩散退火（均匀化退火0，其目的是消除晶内偏析，使成分均匀化，扩散退火的实质是使钢在奥氏体中进行充分扩散。所以扩散退火的温度高、时间长。扩散退火加热温度选择在Ac3或Acm以上150~300℃，保温时间通常是根据钢件最大截而厚度按经验公式来计算，一般不超过15h。保温后随炉冷却,冷至350℃以下可以出炉（必须指出的是经扩散退火后，奥氏体晶粒十分粗大，因此必须进行一次完全退火或正火处理．以细化晶粒，消除过热缺陷。）。 4、还应该注意的是偏析区因碳、硫和磷等元素的富集而脆化，在热处理过程中由相变时间不同产生较大的组织应力而容易引起开裂。偏析裂纹一般沿偏析带开裂。这就是说我们要限制热处理升温速度。 结论：偏析是很容易发生裂纹的，如果是S，P等杂质元素的偏析，一般在晶结偏析，使晶界脆化，产生沿晶裂纹，如果是带状组织偏析，产生很大的组织应力，很容易产生裂纹。对偏析不大，可以正火加以改善，严重的要扩散退火，再加以正火细化晶粒。对于很严重的，要锻造加以改善
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
影响高碳钢连铸小方坯中心偏析的因素 卢盛意 (北京科技大学,北京100083) 摘 要 介绍了英国4家钢厂为了减少高碳钢连铸小方坯中心偏析所采取的措施的试验结果。 Factors affecti n g cen tra l segrega ti on of h i gh carbon steel b illets LU Shengyi (University of Science and Technol ogy Beijing,Beijing100083) ABSTRACT Experi m ental results in f our B ritish steel companies are intr oduced t o decrease the central segregati on of high carbon steel billets.Fact ors affecting the central segregati on of high carbon steel billets are analyzed. 1 前言 10年前,高碳钢很少用于连铸小方坯生产。1997年以前轮胎钢丝等容易偏析的高碳钢几乎都用连铸大方坯来生产。因为大方坯的浇注温度低,有利于形成等轴晶结构,又因为大方坯在轧制时的压缩量大,这二者都有利于减少偏析。但用连铸小方坯来生产高碳钢时,生产成本低。1997年英国4家钢厂(Scunthor pe,Sidenor,Is pat-HS W,I Jmuiden)共同研究了影响连铸小方坯高碳钢中心偏析的因素。这些因素包括:钢水过热温度、二次冷却强度、电磁搅拌(E MS)、热轻压缩(TSR)、机械轻压缩(MSR)、浇注方法、小方坯尺寸、拉速等[1]。 2 钢水过热温度 过热度低,使等轴晶结构百分比高,对减少偏析有利。过热度高,在铸坯内产生“一个个小钢锭”(m ini-ingotis m)的结构,使机械性能不一致,在拔丝时容易断头。如果小方坯柱状晶结构的宽度大于55%时,将明显形成“一个个小钢锭”的结构。[2] Is pat-HS W的120mm2、125mm2、130mm2三类小方坯的试验数据表明碳和硫的偏析与过热度有显著的关系。过热度愈低,偏析也愈低。特别是当过热度低于25℃时,偏析指数几乎随过热度降低直线下降。所以,如有可能,应当将过热度降低到25℃以下。 I Jmuiden厂的120mm2小方坯的碳偏析与过热度无关,然而140mm2小方坯在过热度低时,碳的偏析减少,该厂的数据表明,过热度应当低于30℃。 Scunthor pe厂的120mm2小方坯与I Jmuiden厂一样,碳和硫的偏析与过热度无关。但140mm2和180mm2小方坯的碳和硫的偏析与过热度有关。因此,该厂建议过热度应当低于25℃。 在中间罐内喂入芯线(例如<9mm的芯线)可以降低中间罐内钢水的过热度。在喂入芯线时,中间罐内钢水高度应保持在400mm以上。 3 二次冷却 高碳钢通常用“弱冷”(s oft cooling),因为弱冷可以减少表面裂纹和内部裂纹。但“强冷”(hard cooling)可以使中心缩孔变小,因而可以改善偏析。这是因为与低碳钢相比,高碳钢小方坯的柱状晶长[3],因而中心宏观偏析严重。例如,在拔丝时容易断头。为了减少高碳钢连铸小方坯的中心偏析,有两种截然相反的方案(弱冷却和强冷却[4、5]),见表1。 表1 减少中心偏析的两种方案 冷却方式浇注 温度 二冷 比水量 二冷区 长度 小方坯的 铸态组织 宏观 偏析 浇注时 水口堵塞 铸坯面上的 氧化铁皮 弱冷却低低长(5个区)球形小难以避免 加速生成(由于铸坯表面的温度高) 强冷却高高(2.5倍)短(4个区)穿晶小可以避免 减慢生成(由于铸坯表面的温度低) 注:(1)钢的含碳量为0.55%～0.85%,小方坯尺寸为105mm×105mm; (2)强冷却只适用于断面小的高碳钢小方坯。
连铸坯中心偏析控制技术的发展 1电磁搅拌技术 电磁搅拌技术是20世纪60年代开发的一种电磁冶金技术，其实质是借助电磁力的作用，强化铸坯液相穴中钢水的运动，从而改善钢水凝固过程中的流动、传热和迁移过程，达到改善铸坯质量的目的。电磁搅拌按安装位置有：结晶器电磁搅拌(M-EMS)、二冷区电磁搅拌(S-EMS)、凝固末端电磁搅拌(F-EMS)、结晶器及足辊区电磁搅拌(MI-EMS)，为了生产的需要还可以将其任意组合来使用。搅拌形式有：旋转型、直线型、螺旋型。使用电磁搅拌技术，特别是结晶器电磁搅拌和二冷区电磁搅拌，可以显著增加连铸坯的等轴晶率，等轴晶率的提高有利于减少连铸坯的“晶桥”现象，从而减轻铸坯中心偏析。 实际生产中，对于铸坯凝固末端电磁搅拌技术，由于安装位置一定，而浇注钢种、拉坯速度等工艺参数发生变化，使得最佳的搅拌区位置偏离设备的位置，电磁搅拌效果差；同时，在该区域如果搅拌强度过于强烈，会导致铸坯液相穴中的轻相物质(如碳元素)向中心集聚，导致中心偏析更为严重。为此，可以采用长距离的弱搅拌方法或采用行波磁场型的F-EMS技术，使钢水在较大范围内进行上下交换，以改善中心偏析。 另外，冶金工作者还开发出一种水口注流电磁搅拌技术，在浸入式水口对钢液进行电磁搅拌，水口外壁通气冷却，为强化冷却效果，水口外壁开有许多凹槽。该技术中，既能保证钢水温降较大，实现低过热度浇注，又可防止水口堵塞。试验结果表明，该技术可以起到很好地控制铸坯中心偏析的作用。 2 低过热度浇注技术 连铸过程中，采用低过热度浇注时，钢水过冷度减小，临界形核半径变小，形核率高，晶核数量多，铸坯等轴晶率大幅度提高，有利于抑制晶桥的产生及铸坯凝固末端枝晶间钢液的不合理流动。但是，钢水过热度较低时，水口易堵塞，而且钢中夹杂物不易上浮。对于钢液中的夹杂物不易上浮问题，可以采用二次精炼手段及中间包冶金技术，提高钢液纯净度。对于钢水低温浇注时温度波动带来的浇注困难，冶金工作者开发出了中间包等离子加热技术及中间包电磁感应加热技术，可以保持钢液浇注温度的稳定。 3 结晶器插入钢带技术 O. V. Nosochenko和O. B. Isaev等人采用在板坯连铸结晶器插入钢带的技术来控制铸坯中心偏析。其基本原理是在结晶器内插入厚度为1.5mm厚的钢带，将钢带作为冷却剂，利用钢带的吸热和熔化，降低结晶器内钢水的过热度，实现提高铸坯等轴晶率，减小中心偏析程度的目的，同时还可实现微合金化。 该研究表明，钢带的碳含量在0.25%～0.40%时比较合适，应用的实际浇注钢种也多些，这是因为碳含量低于0.1%时，钢带强度亦低，熔点高，会导致结晶器内出现较多的较大未熔碎钢片，给浇注及铸坯质量带来不利影响。 受插入钢带宽度的影响，这一技术用在板坯连铸中较为合适，对方坯连铸而言，因断面尺寸小，应用这一技术存在空间不足的局限性；
2007年炉外精炼年会论文集211 高碳钢连铸坯偏析问题的分析与探讨 曾四宝1,2)李洪波1,2)包燕平1)刘建华1)韩丽娜1) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院; 2）济南钢铁集团石横特殊钢厂 摘要本文针对石横特殊钢厂R9m连铸机生产SWRH82B、GCr15等高碳钢连铸坯的偏析问 题，分析讨论了钢水过热度、拉速、二次冷却强度和组合式电磁搅拌对连铸坯碳偏析影响，并对 中心碳偏析问题提出了改善措施。 关键词偏析;钢水过热度;二次冷却强度;拉速;电磁搅拌 1 前言 对高碳钢来说，由于碳含量较高造成导热性差、凝固区间大，连铸坯本身容易产生偏析、疏松和缩孔等缺陷。当前轴承钢连铸坯的控制水平普遍要求碳中心偏析指数≤1.15；钢帘线钢对碳偏析有更严格的要求，一般碳中心偏析指数≤1.05，否则在拉丝和扭转过程中容易引起断裂。最近十几年来，随着钢水二次精炼、保护浇注、二次冷却、电磁搅拌和轻压下等技术的发展，高碳钢连铸技术也相应得到发展。实际上，影响高碳钢连铸坯偏析的因素很多，如钢液过热度、二冷参数、拉速及电磁搅拌方式等。关于钢液过热度对偏析的影响，国内外冶金工作者进行过大量的研究，得出了明确的结论，即随着过热度的降低，连铸坯的偏析逐渐减轻。但是关于电磁搅拌和二冷水量等对偏析的影响目前还有争议。 通过统计分析石横特殊钢厂2006年3~9月份的生产情况和工艺变化情况，探讨了高碳钢(如SWRH82B、GCr15)连铸坯碳偏析的产生原因以及公司进一步改善碳偏析的途径，为工艺和装备优化、改进提供依据。 2 连铸机基本参数 流数：4流; 铸机半径：R9000/17500mm; 流间距：1250mm; 结晶器长度：850mm; 浇铸断面：150mm×150mm; 最大拉速：2.8m/min; 电磁搅拌方式：M + F—EMS; 二次冷却方式：足辊水冷0段+气雾冷却1、2、3段; 浇铸钢种：碳结钢20#、45#、40Cr、ML10~35，20CrMo、 高碳钢70#、80#、72A、82B、GCr15 焊条钢H08A、H08Mn2SiA等。 3 试生产数据和结果分析 从2006年3月份开始，针对高碳钢(如SWRH82B、GCr15)连铸坯碳偏析的问题，就钢液过热度、二冷参数、拉速及电磁搅拌方式等内容进行了调整，可以从以下几个方面进行对比分析：一是中间包钢液过热度、拉速、二冷强度对比；二是搅拌强度和搅拌方式对比。 3.1 中间包温度对偏析的影响 众所周知，中间包温度越高，钢液过热度越大，钢液的凝固时间越长，选分结晶时间越长，P、S、C元素的偏析倾向越严重。一旦遇到高过热度钢液，即使降低拉速也难以使偏析合格。从最近几个月SWRH82B的温度控制情况如下（见图1）：
高强钢连铸板坯中心偏析的分析及改善措施 发表时间：2018-10-01T18:25:45.747Z 来源：《基层建设》2018年第24期作者：于波 [导读] 摘要：高强度钢一般含有高碳含量和锰质量分数。 河钢集团承德钢铁股份有限公司板带事业部河北省承德市 067000 摘要：高强度钢一般含有高碳含量和锰质量分数。连铸坯在凝固过程中容易形成碳、锰等元素的枝晶偏析，导致中厚板中心出现严重的带状组织缺陷。带钢结构对钢板的力学性能、成形性和断裂性能有着重要的影响。对于冷轧钢板，带钢结构的存在会使材料表现出很强的各向异性能，导致材料在深加工过程中发生不均匀变形，即沿板宽方向的纵向纤维拉伸不一致，导致二次变形。即使是在应力集中时裂纹的萌生也会影响最终产品的性能。如何减少和消除连铸坯在凝固过程中产生的偏析，是连铸生产亟待解决的问题。基于此，本文对高强钢连铸板坯中心偏析的分析及改善措施进行分析。 关键词：连铸坯；中心偏析；改善措施 1连铸坯中心偏析的成因 导致连铸坯出现中心偏析的原因主要包括两个方面，一方面是枝晶搭桥形成了小钢锭，另一方面是发生了铸坯鼓肚的问题。在连铸坯凝固过程中，液芯末端会存在一个固液两相混合组成的糊状区。凝固过程中，钢液会收缩向坯壳和拉坯方向，最终形成小孔。位于弯月面的钢液受到地心引力会注入到收缩形成的孔洞当中，通过这种方式可以有效防止疏松和偏析问题的出现。上述为理想状态，但是在实际铸造过程中，由于出现了小钢锭，钢液难以及时形成収缩孔或者难以注入收缩控制红，最终导致偏析问题出现在铸坯中心部位。通过偏析问题出现的过程分析可知，拉坯方向液芯中心线附近的钢液会在钢液凝固过程中出现一定的变化，前沿温度梯度不同是造成凝固波动的主要原因。 2板坯中心偏析的形成机制及控制措施 对板坯偏析的形成机理进行了大量的研究。可以看出，板坯的中心偏析是由凝固过程中溶质元素的分离和结晶和凝固结束附近富集的偏析元素的液流引起的。凝固结束时的钢液流动是由壳体的鼓包和凝固过程中钢液的体积收缩引起的。板坯的中心偏析与钢成分、热性能、几何形状、工艺参数和设备条件密切相关。不同冷却条件下坯料枝晶间的应力对坯料的中心偏析也有重要影响。因此，根据不同的情况，我们需要分析中心偏析的原因。在生产过程中，关键是控制铸坯芯部钢液的不合理流动，促进溶质元素在固-液界面上迁移的各种因素都会加剧偏析，以及促进S输运的各种因素。固体中的OLUT元素将改善偏析。基于上述中心偏析机理，目前控制连铸坯中心偏析的主要思路如下： (1)提高钢液洁净度。凝固过程中，钢液的选分结晶现象不可避免，但是通过提高钢液洁净度，减少易偏析杂质元素(如S、P)的质量分数，一定程度上可以减轻铸坯中心偏析程度。实际生产过程中，可通过二次精炼手段、中间包冶金及浸入式水口设备参数和工艺参数的优化来提高钢液纯净度。 (2)提高铸坯等轴晶比率。等轴晶比率提高，可以抑制柱状晶的发展，防止铸坯枝晶搭桥。由这一思路开发出控制铸坯中心偏析的技术主要有:电磁搅拌、低过热度浇注、结晶器插入钢带、钢水旋流加入及加成核剂等技术。 (3)抑制凝固末端枝晶间富集溶质残余母液的流动，可以改善高碳钢的中心偏析。相应的控制技术主要有:机械轻压下、热轻压下、连续锻压、静磁场技术等。 3控制应用 3.1铸坯保温缓冷 在横截面带钢结构的钢板中，热装和热转移轧制方坯可能存在偏析。板条结构越明显，元素偏析越严重。为了避免这一问题，可以在连铸坯脱线后采取保温措施，将其置于封闭空间一段时间内，避免吹风，并在中心偏析时保证钢坯温度缓慢而不是迅速下降。在元素完全扩散到发送阶段之后。钢中Mn元素经长时间冷处理后，可有效地减少枝晶偏析。在保温和缓慢冷却的过程中，碳原子会均匀扩散，有效地控制了碳和锰的偏析，保证轧制后不会发生偏析。 3.2规范连铸机的辊缝标定操作控制辊缝精度 众所周知，板坯连铸机扇形截面辊缝控制的精度和稳定性是连铸板坯内部质量取得良好效果的前提。如果板坯连铸机的实际辊缝值与风机截面的目标值偏差过大，则连铸坯凝固结束时铸坯中心的体积收缩不能得到有效的补偿，造成铸坯的偏析、气孔和中心裂纹缺陷。如果板坯在工作过程中的机械应力过大，就会产生角向横向裂纹、中间裂纹等裂纹缺陷。但是，由于高温、磨损、变形等诸多因素的影响，连铸机风机段的实际辊缝值会发生一定程度的变化，从而产生一定的偏离目标辊缝值，如： (1)铸造机轧辊生产线在生产过程中复杂的热负荷和机械载荷(轻下压、矫直等)容易引起轧辊磨损、弯曲等，约1.5毫米 (2)轴承与轴承座之间的固有间隙在扇形段的在线循环中也将逐渐增大，从0.1mm到0.3mm不等。 (3)风机截面上、下机架之间的连杆在圆筒载荷作用下发生弹性变形，变形随连杆尺寸和气缸压力的变化而变化，约为0.5~1.0mm。 目前，经过长期的实践和摸索，总结出了一套连铸机风机截面辊缝的维护和操作规范，以保证连铸机连铸过程中在线辊缝控制的准确性。 通过对连铸机风机段的定期补偿和校核，以消除风机截面上下机架间连杆的弹性变形对辊缝偏差的影响，将不同压力下拉杆的形状变量作为扇形段拉杆的补偿值输入连铸机参数控制系统。 采用手持式辊缝计、在线辊缝计和定距块对连铸机风机段实际辊缝与目标辊缝之间的偏差进行周期性标定，以消除连铸机风机段夹紧缸位移传感器的系统误差。 为消除传动辊大间隙对整个辊缝的影响，优化了连铸机风机段驱动辊间隙的标定和控制方法。 3.3轻压下技术 所谓的轻压下技术主要是将一定的压力施加在连铸坯凝固末端从而将铸坯凝固末端的体积收缩进行一定程度的抵消，从而控制凝固收缩，避免钢水在流动过程中发生聚集的问题，进而达到中心偏析控制的目的。轻压下技术根据外力施加的不同可以分为两种类型，分别为机械应力轻压下和热应力轻压下。热应力轻压下主要利用的是热应力，在末端施加强冷，高度冷却铸坯表面凝固末端未知，从而促使凝固坯壳受冷收缩对内部产生一定的压力。此种方法具有一定的局限性，容易受到断面尺寸和钢种的影响，所以如果铸坯过大那么不适合采用
连铸圆坯成分偏析分析及控制措施 为掌握大断面连铸圆坯的成份偏析情况，为后续生产提供指导，技术中心与质检科对铸造一车间8月10日生产的φ350mmQ345B、9月9日生产的φ400mm35钢连铸坯进行了取样，分析了铸坯化学成份及存在的成分偏析问题，提出了相应的预防控制措施。现将分析结果汇报如下： 1、连铸坯成分分析 1.1、φ350mmQ345B取样及成份分析 1.1.1、成份分析 取样炉号：ZD14108083。钢种：Q345B。生产日期：2014年8月10日。 对连铸坯按照图1的点位进行取样分析，分析结果见表1。 表1 φ350mm Q345B连铸坯成分分析结果 备注：成品成分为中间包钢水样成分分析结果。
图1 φ350mm Q345连铸坯成分分析点分布 1.1.2、偏析度分析 偏析度计算：Cc/C0＝[（1#+2#+3#+4#+5#+6#+7#+8#+9#）/9]/5#。 碳偏析度：上下＝0.164/0.13=1.262，左右＝0.16/0.13=1.231； 硅偏析度：上下＝0.279/0.27=1.033，左右＝0.27/0.27=1.000； 锰偏析度：上下＝1.288/1.21=1.064；左右＝1.26/1.21＝1.041； 磷偏析度：上下＝0.0103/0.009=1.144；左右＝0.009/0.009＝1.000； 硫偏析度：上下＝0.004/0.0019=2.105；左右＝0.004/0.0021＝1.905。 1.1.3、偏析规律 从偏析分析结果看，此炉φ350mmQ345B连铸坯成份偏析存在以下规律： ⑴、偏析度从大到小依次为硫、碳、磷、锰、硅，偏析最大元素为硫元素。成份偏析中，C的最大偏差为+0.06%，Si的最大偏差为+0.02%，Mn的最大偏差为+0.19%，P的最大偏差为+0.005%，S的最大偏差为+0.003%，其中C、Si、Mn、P元素为负偏析，S元素为正偏析， ⑵、成分偏析的部位主要是二分之一半径及铸坯中心部位，即2、3、5、7、8、c、 e、g点，外其他部位的成分比较接近，且能代表整个铸坯的平均成分。 由于硫磷含量低，其偏析可以不考虑，该钢种应重点解决铸坯二分之一半径处及铸坯中心部位的碳、锰偏析问题。 1.2、φ400mm35#钢取样及成份分析
偏析 编辑 合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象称为偏析。焊接熔池一次结晶过程中，由于冷却速度快，已凝固的焊缝金属中化学成分来不及扩散，造成分布不均，产生偏析。 目录 1基本概念 2金属学上的词语 3焊缝中的偏析现象 ?显微偏析 ?区域偏析 ?层状偏析 1基本概念编辑 合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象称为偏析。焊接熔池一次结晶过程中，由于冷却速度快，已凝固的焊缝金属中化学成分来不及扩散，造成分布不均，产生偏析。 2金属学上的词语编辑 根据铸锭的范围，偏析分为三大类： 1. 显微偏析。 2. 区域偏析（宏观偏析） 3.通道偏析（channel segregation） 其中， 显微偏析指发生在一个或几个晶粒之内，包括枝晶偏析、晶间偏析、晶界偏析和胞状偏析。 宏观偏析则发生在铸锭宏观范围内这一部分和那一部分之间。可分为正常偏析、反常偏析、比重偏析三类。 晶内偏析：该情况取决于浇铸时的冷却速度,偏析元素扩散能力和固相线倾斜度等.可以通过退火将偏析消除;. 区域性偏析：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,这种偏析与浇温、浇速等有关；比重偏
析：合金凝固时析出的初晶与余下的液体存在较大的比重差，最终导致材料出现分层、化学成分不均匀的情况。可采用降低浇温加大冷却速度，加入微量元素形成比重适当等。 通道偏析：凝固时，浓度较大的液态对流引起的偏析。溶质和浓度梯度影响了液态的密度。 你可以判断出现偏析的种类，并针对性的采取一些措施。 3焊缝中的偏析现象编辑 焊缝中的偏析现象有以下三种： 显微偏析 熔池一次结晶时，最先结晶的结晶中心金属最纯，后结晶部分含其它合金元素和杂质略高，最后结晶部分，即结晶的外端和前缘所含其它合金元素和杂质最高。在一个柱状晶粒内部和晶粒之间的化学成分分布不均现象称为显微偏析。 区域偏析 熔池一次结晶时，由于柱状晶体的不断长大和推移，会把杂质“赶”向熔池中心，使熔池中心的杂质含量比其它部位多，这种现象称为区域偏析。 焊缝的断面形状对区域偏析的分布影响很大。窄而深的焊缝，各柱状晶的交界在其焊缝的中心，因此焊缝中心聚集有较多的杂质。这种焊缝在其中心部位极易产生热裂纹。宽而浅的焊缝，杂质则聚集在焊缝的上部，这种焊缝具有较高的抗热裂能力。 层状偏析 熔池在一次结晶的过程中，要不断地放出结晶潜热，当结晶潜热达到一定数值时，熔池的结晶就出现暂时的停顿。 以后随着熔池的散热，结晶又重新开始，形成周期性的结晶，伴随着出现结晶前沿液体金属中杂质浓度的周期变动，产生周期性的偏析称为层状偏析。层状偏析集中了一些有害元素，因此缺陷往往出现在层状偏析中。由层状偏析所造成的气孔。