电磁水平连铸1560镍基合金的组织与性能研究

张 勤,张俊凯,厉 英,崔建忠

(东北大学材料与冶金学院，辽宁 沈阳，110004)

1 实验

1.1 实验原料

本实验所用原料为电解镍、金属铬、结晶硅、金属锰、硅铁、纯铁和各种合金小料，并在1.5 t中频感应炉中熔炼1560镍基合金。合金熔炼时，将电解镍、金属铬、硅铁等主料先行放入感应炉中，放料时遵循下紧上松原则，物料熔化80%时及时盖渣。脱氧精炼期温度为1450 ℃，脱氧时间大于25 min，白渣保持时间大于20 min。渣白后,加入金属锰，5 min后取样并打锻。可锻性良好后,再依次加入结晶硅、纯铁以及各种合金小料。熔炼后的合金组成如表1所示。

表1 1560合金元素组成(wB/%)

1.2 实验装置

实验所用装置为HCC-60型水平连铸装置，如图1所示。连铸装置的二冷区为自然冷却，搅拌本体安置在结晶器出口和第一个导引辊之间，位置在一定范围内可调。针对合金散热快、成分密度差异大、铸锭截面小及熔体流动阻力大等因素，实验时通过特制的搅拌本体产生一电磁场。该旋转电磁场可将磁感应强度范围由0.027～0.053 T提高到0.0700～0.0715 T，这样可以改善磁场的对称性和磁场变化的连续性[2]。

1—中间包；2—滑动水口；3—结晶器；4—引导装置；5—拉坯机；6—剪前辊道；7—升降装置；8—等离子切割机；9—运输辊道；10—钢坯图1 HCC-60型水平连铸装置示意图

Fig.1SchematicofHCC-60typehorizontalcontinuouscastingmachine

1.3 检测方法

采用EPMA-1610型电子探针对1560镍基合金水平连铸锭横截面的Ni、Fe、Cr等元素分布进行测定，并按其最大偏析率η进行计算，η计算式为

(1)

式中：Ci为铸锭芯部的溶质质量分数，%；Cj为距离铸锭外表面1/5半径处(过渡区)的溶质质量分数，%；Ca为平均溶质质量分数，%。

2 结果与分析

2.1 电磁水平连铸1560合金铸锭铸态组织分析

(a) 截面低倍铸造组织 (b)芯部裂纹 (c)芯部缩孔和疏松

图2常规水平连铸1560镍基合金截面凝固微观组织

Fig.2Microstructureandcentraldefectsof1560alloyproducedbyconventionalhorizontalcontinuouscasting

(a) 截面低倍铸造组织

(b)芯部高倍微观组织

图4为常规水平连铸和电磁水平铸造金属液(1560镍基合金)纵截面的流场云图。由图4(b)可看出，在电磁水平铸造条件下，金属熔体既有常规水平连铸时的轴向运动，同时还有电磁力引发的沿周向和径向强制对流运动。熔体的这种强制对流改善了液穴内部的换热条件，加速了中心区域金属熔体过热度的消失，使得液穴变浅。图5为施加电磁搅拌前后铸坯的温度场云图。由图5可看出，电磁水平连铸技术消除芯部缺陷的原因可归纳为如下几个方面：①熔体强制对流使结晶前沿初生枝晶二次臂机械断裂或根部熔断[3]成为异质形核核心，并促使结晶核心按等轴晶方式而非枝晶方式生长[4-5]，从而避免由于粗大的枝晶在铸锭芯部区域因相互“搭桥”封闭未凝固熔体，难以补缩而产生的中心缩孔和中心疏松等缺陷[6]；②合金熔体流动性增强，提高了熔体自身对中心区域未凝固区域的补缩以及对裂纹源的“焊合”能力；③溶质元素偏析程度降低，溶质元素形成粗大金属间化合物和晶界非平衡化合物数量减少而形成裂纹源的应力集中点；④电磁水平连铸过程中由电磁场所引发的熔体强制对流在降低液穴内部温度梯度的同时，促使边缘凝固部分的温度有所回升，降低了铸锭横向和纵向截面各部位的温度差异以及由此在凝固过程中产生的铸造应力和应变，从而降低了合金铸锭在高温脆性区因晶界液膜强度不足而产生热裂纹源的可能性[7-13]。

(a) 常规水平铸造

(b)电磁水平铸造

Fig.4Flowfieldpicturesofthealloyproducedbyconventionalandbyelectromagnetichorizontalcontinuouscasting

(a) 常规水平铸造

(b)电磁水平连铸

Fig.5Temperaturefieldpicturesoftheconventionalandelectromagnetichorizontalcontinuouscasting

2.2 电磁水平连铸1560镍基合金溶质元素分布

通过测量和式(1)计算表明，电磁水平连铸可均匀溶质元素在铸锭凝固组织内部的分布，降低溶质元素的偏析程度，将常规水平铸造时元素的最大偏析率由镍为10.20%、铁为22.87%、铬为10.83%分别降低至镍为4.86%、铁为18.82%和铬为4.59%。

电磁水平连铸降低溶质元素偏析程度的原因大致有以下几个方面：①电磁力引发合金熔体围绕注流截面中心作旋转流动，减轻了因为先期形成的固态晶核与未凝固熔体密度的不同发生上浮或下沉以及各溶质元素密度差异所导致的密度偏析；②熔体强制对流使得初生枝晶二次臂机械断裂或根部熔断，在增加液穴中固态异质形核核心的同时，降低了结晶前沿未凝固熔体中的温度梯度和浓度梯度，促使晶核按等轴晶方式生长[14-15]。这不仅在一定程度上降低了溶质元素在晶内的微观偏析程度，而且避免了因枝晶臂互相“搭桥”封闭富集溶质元素的未凝固熔体所导致的溶质元素在晶界的宏观偏析；③熔体强制对流大大减少了晶间未凝固熔体中溶质元素的富集程度，从而降低晶界非平衡化合物析出的可能性，起到抑制溶质元素偏析的作用；④熔体强制对流加速释放了液穴内部合金熔体的过热，增大合金熔体的非平衡凝固程度，从而强化溶质元素晶内的固溶。这不仅降低溶质元素正偏析和反偏析程度，而且也降低了溶质元素因偏聚作用形成粗大金属间化合物的时间和可能性，从而减弱了溶质元素的偏析程度[16-18]。

2.3 电流强度对铸坯硬度的影响

在1560镍基合金铸锭横截面范围内对其韦氏硬度进行测定，经多次测量后取平均值，其结果如表2所示。由表2可看出，随着搅拌电流强度的增加，1560镍基合金圆形铸锭试样的维氏硬度逐渐减小，铸锭的可加工性能相应增强。

表21560镍基合金连铸锭硬度与电磁场强度的关系

Table2Relationshipbetweenthehardnessof1560Ni-basedalloyandtheelectromagneticfieldintensity

/A/Hz(Hv)00151100301272003012130030109

3 产品性能

表3 1560镍基合金棒线材的性能指标

4 结论

(1)电磁水平连铸工艺不仅取消传统工艺中的铸坯退火、锻造及打磨等工序，而且还克服了合金可锻温度区间窄、可锻性差、锻造过程中需掐头去尾等因素的影响，在缩短工艺流程的同时,其产品成材率也由传统工艺时的70%提升到90%以上。

(2)电磁水平连铸可降低铸锭凝固组织的方向性，使铸锭芯部由常规水平连铸时彼此搭接的柱状晶变成细小的等轴晶，并随着电磁场强度的增加，中心等轴晶率也相应增至电流强度为300 A(磁感应强度为0.06T)时的16.47%。

(3)随着搅拌电流强度的增加，1560镍基合金圆形电磁铸锭试样的维氏硬度逐渐减小，铸锭的可加工性能相应增强。

(4)电磁水平连铸可均匀溶质元素在铸锭凝固组织内部的分布，降低溶质元素的偏析程度，将常规水平铸造时元素最大偏析率由镍为10.20%、铁为22.87%、铬为10.83%分别降低至镍为4.86%、铁为18.82%和铬为4.59%。

(5)电磁水平连铸使合金熔体补缩能力增强，有助于避免形成中心缩孔和疏松等铸造缺陷；此外，电磁铸锭中作为应力集中点的粗大金属间化合物和晶界非平衡化合物的数量减少，铸锭各部位因温度差异在凝固过程中产生的铸造应力和应变减小，从而使铸锭产生热裂纹的可能性降低。

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