鋼錠的宏觀組織及應(yīng)用

1、遼寧工程技不大學(xué)金屬學(xué)與熱處理課程綜合訓(xùn)練（一）訓(xùn) 練題目鋼錠的宏觀組織及應(yīng)用作者姓名專業(yè)/班級(jí)成績(jī)?cè)u(píng)定：1、文字?jǐn)⑹觯?分）資料檢索得當(dāng)、論點(diǎn)論據(jù)充分、分析透徹（4分）得分:格式規(guī)范、圖表清晰（2分）得分:2、回答問(wèn)題情況（4分）1、止確 基本正確二匚錯(cuò)誤總得分:止確 基本止確 錯(cuò)誤總得分:止確基本正確誤 錯(cuò)總得分:止確基本止確誤 錯(cuò)總得分:止確基本止確誤 錯(cuò)總得分:鋼錠的宏觀組織及應(yīng)用遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院郵編123000摘要：鋼在冶煉后，除少數(shù)直接鑄成鑄件外， 絕大部分都要先鑄成鋼錠， 然后軋成各種鋼材，如板、棒、 管、帶材等。用于制造工具和某些機(jī)器零件時(shí)需要進(jìn)行熱處理，但更

2、多的情況是在熱軋狀態(tài)下直接使用?？梢?jiàn)鋼錠的宏觀組織與缺陷，不但直接影響其熱加工性能，而且對(duì)熱變形后鋼錠的熱性能有顯著影響。因此，鋼錠的宏觀組織特征是鋼的質(zhì)量的重要標(biāo)志之一。根據(jù)鋼中的含氧量和凝固時(shí)放出一氧化碳的程度，可將鋼錠分為鎮(zhèn)靜鋼、沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼三類。關(guān)鍵詞：沸騰鋼 鎮(zhèn)靜鋼 半鎮(zhèn)靜鋼 鑄錠三晶區(qū) 脫氧程度引言在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬是在鑄錠?；蜩T型中凝固的， 前者得到鑄錠，后者得到鑄件。 雖然他們的結(jié)晶過(guò)程均遵循著普遍規(guī)律，但是由于鑄錠或鑄件冷卻條件的復(fù)雜性，因而給 鑄態(tài)組織帶來(lái)很多特點(diǎn)。鑄態(tài)組織包括晶粒的大小，形狀和取向，合金元素和雜質(zhì)的分布 以及鑄錠中的缺陷等。對(duì)鑄件來(lái)說(shuō)鑄件組織直接影

3、響到它的力學(xué)性能和使用壽命；對(duì)鑄錠 來(lái)說(shuō)，鑄態(tài)組織不但影響到它的壓力加工性能，而且還影響到壓力加工后的金屬制品的組 織及性能。因此，應(yīng)該了解鑄錠的組織及其形成規(guī)律并設(shè)法改善鑄錠的組織。鋼在冶煉后，除少數(shù)直接鑄成鑄件外，絕大部分都要先鑄成鋼錠，然后軋成各種鋼材， 如板，棒，管，帶材等。用于制造工具和某些機(jī)器零件時(shí)需要進(jìn)行熱處理，但更多的情況 是在熱軋狀態(tài)下直接使用?？梢?jiàn)鋼錠的宏觀組織與缺陷，不但直接影響其熱加工性能，而 且對(duì)熱變形后鋼的性能有顯著影響。因此，鋼錠的宏觀組織特征是鋼的質(zhì)量的重要標(biāo)志。1沸騰鋼的生產(chǎn)原理理論基礎(chǔ)沸騰鋼是脫氧不完全的鋼。在冶煉末期僅添加少量的鋁進(jìn)行輕度脫氧，使相當(dāng)數(shù)量的

4、 氧留在鋼液中。鋼液注入模錠后，鋼中的氧與碳發(fā)生反應(yīng)，析出大量的一氧化碳?xì)怏w，引 起鋼液的沸騰。鋼液凝固后，末排出的氣體在錠內(nèi)形成氣泡，補(bǔ)償了凝固收縮，所以沸騰 鋼錠的頭部沒(méi)有集中縮孔，軋制時(shí)的切頭率低，成材率高。1鑄錠三晶區(qū)的形成原理是沸騰鋼生產(chǎn)原理的理論基礎(chǔ)，如同1所示。鑄錠三晶區(qū)表層細(xì)品區(qū)當(dāng)高溫的金屬液體倒入鑄型后，結(jié)晶首先從型壁處開(kāi)始。這是由于溫度較低的模壁有強(qiáng)烈地吸熱和散熱作用，使靠近型壁的一薄層液體產(chǎn)生極大地過(guò)冷，加上模壁可以作為非 均勻形核的基底，因此在此一薄層液體中立即產(chǎn)生大量的晶核，并同時(shí)向各個(gè)方向生長(zhǎng)。 由于晶核數(shù)目很多，故鄰近的晶粒很快彼此相遇，不能繼續(xù)生長(zhǎng)，這樣便在靠近

5、模壁處形 成一很細(xì)的薄層等軸晶粒區(qū)。又稱為激冷區(qū)。柱狀晶區(qū)在表層細(xì)品區(qū)形成的同時(shí)，一方面模壁的溫度由于被液態(tài)金屬加熱而迅速升高，另一 方面由于金屬凝固后的收縮，使細(xì)晶區(qū)和型壁脫離，形成一空氣層，給液態(tài)金屬的繼續(xù)散 熱造成困難。止匕外，細(xì)品區(qū)的形成還釋放出了大量的結(jié)晶潛熱，也使型壁的溫度升離，上 述種種原因均使液態(tài)金屬冷卻減慢，溫度梯度變得平緩，這時(shí)開(kāi)始形成柱狀晶區(qū)。中心等軸晶區(qū)隨存柱狀晶的發(fā)展，經(jīng)過(guò)散熱，鑄錠中心部分的液態(tài)金屬全部降至熔點(diǎn)以下，再加上 液態(tài)金屬中雜質(zhì)等因素的作用，滿足了形核對(duì)過(guò)冷度的要求，于是在整個(gè)剩余液體中同時(shí) 形核。由于此時(shí)的散熱已經(jīng)失去了方向性，晶核在液體中可以自由生長(zhǎng)，

6、在各個(gè)方向上的 長(zhǎng)大速度差不多相等，因此即長(zhǎng)成了等軸晶。當(dāng)它們長(zhǎng)到與柱狀晶相遇，全部液體凝固完 畢后，即形成明顯的中心等軸晶區(qū)2。圖1鑄錠三晶區(qū)宏觀組織示意圖鑄錠組織的控制由于凝固條件的復(fù)雜性，純金屬的鑄錠在某些條件下只有柱狀晶區(qū)或只有等軸晶區(qū)， 不同鑄錠中各品區(qū)所占的比例往往不同。由于不同晶區(qū)具有不同性能，因此設(shè)法控制結(jié)晶 條件，使性能好的晶區(qū)所占比例盡可能大。鑄型冷卻能力鑄型及剛結(jié)晶的固體的導(dǎo)熱能力越大，越有利于柱狀晶的生成。生產(chǎn)上經(jīng)常采用導(dǎo)熱 性好與熱容量大的鑄型材料，增大鑄型的厚度及降低鑄型溫度等，以增大柱狀晶區(qū)。但是 對(duì)于較小尺寸的鑄件，如果鑄型的冷卻能力很大，以致使整個(gè)鑄件都在很大

7、的過(guò)冷度下結(jié) 品，這時(shí)不但不能得到較大的柱狀晶區(qū)，反而促進(jìn)等軸晶區(qū)的發(fā)展，形核率增大。如采用 水冷結(jié)晶器迸行連續(xù)鑄錠時(shí)，就可以使鑄錠全部獲得細(xì)小的等軸晶粒。澆注溫度與澆注速度柱狀晶的長(zhǎng)度隨澆注溫度的提高而增加，當(dāng)澆注溫度達(dá)到一定值時(shí)，可以獲得完全的柱 狀晶區(qū)。這是由于澆注溫度或者澆注速度的提高，均將使溫度梯度增大，因而有利于柱狀 品區(qū)的發(fā)展。熔化溫度熔化溫度越高，液態(tài)金屬的過(guò)熱度越大，非金屬夾雜物越多，非均勻形核數(shù)目越少， 從而減少了柱狀前沿液體形核的可能性，有利于柱狀晶區(qū)的發(fā)展。對(duì)于鋼鐵等許多材料的 鑄錠和大部分鑄件來(lái)說(shuō)，一般都希望得到盡可能多的等軸晶。提高液態(tài)金屬中的形核率， 限制柱狀晶的

8、發(fā)展，細(xì)化晶粒是改善鑄錠組織，提高鑄件性能的重要途徑3。3沸騰鋼的宏觀組織及性能沸騰鋼是脫氧不完全的鋼。在冶煉末期僅添加少量的鋁進(jìn)行輕度脫氧，使相當(dāng)數(shù)量的 氧(wO=0.03%0.07%)留在鋼液中。鋼液注入錠模后，鋼中的氧與碳發(fā)生反應(yīng)，析出大 量的一氧化碳?xì)怏w，引起鋼液的沸騰。鋼液凝固后，未排出的氣體在錠內(nèi)形成氣泡，補(bǔ)償 了凝固收縮，所以沸騰鋼錠的頭部沒(méi)有集中縮孔，軋制時(shí)的切頭率低(3%5%),成材率高。沸騰鋼的宏觀組織沸騰鋼的使其宏觀組織具有與鎮(zhèn)靜鋼錠不同的特點(diǎn)。從表面至心部由五個(gè)帶組成：堅(jiān) 殼帶、蜂窩氣泡帶、中心堅(jiān)固帶、二次氣泡帶和錠心帶 山。如圖2所示。堅(jiān)殼帶堅(jiān)殼帶由致密細(xì)小的等軸晶粒

9、組成。由于受到模壁的激冷，模內(nèi)因沸騰而強(qiáng)烈循環(huán)的 鋼液把附在晶粒之間的氣泡帶走，從而形成無(wú)氣泡的堅(jiān)殼帶。通常要求堅(jiān)殼帶的厚度不小 于 15? 20mm。蜂窩氣泡帶蜂窩氣泡帶由分布在柱狀晶帶內(nèi)的長(zhǎng)形氣泡所構(gòu)成。在柱狀晶生長(zhǎng)過(guò)程中，由于選擇 結(jié)晶的結(jié)果，使碳氧富集于柱狀晶粒間的鋼液內(nèi)，繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)生成氣泡；在此同時(shí)，鋼圖2沸騰鋼錠宏觀組織示意圖1一頭部大氣泡2 堅(jiān)殼帶3一錠心帶4一中心堅(jiān)固帶5蜂窩氣泡帶6二次氣泡帶液溫度不斷下降，鋼中的氣體如氫、氮等不斷析出并向CO氣泡內(nèi)擴(kuò)散。這樣，隨著柱狀品的成長(zhǎng)，其中的氣泡也逐漸長(zhǎng)大，最后形成長(zhǎng)形氣泡。在一般情況下，蜂窩氣泡帶分布 在鋼錠下半部，這是因?yàn)殇撳V上

10、部的氣流較 大，業(yè)已形成的氣泡易被沖走之故。4中心堅(jiān)固帶當(dāng)澆注完畢，鋼錠頭部凝固封頂后，鋼錠內(nèi)部形成氣泡需 要克服的壓力突然增大，碳氧反應(yīng)受到抑制，氣泡停止生成。 這時(shí)，結(jié)晶過(guò)程仍繼續(xù)進(jìn)行，從而形成沒(méi)有氣泡的由柱狀晶粒 黜成的中心堅(jiān)固帶。二次氣泡帶由于結(jié)晶過(guò)程中碳氧濃度不斷積聚，晶粒的凝固收縮在柱 狀晶之間形成小空隙，促使碳氧反應(yīng)在此處重又發(fā)生，但生成 的氣泡已不能排出，按表面能最小原則呈圓形氣泡留在鋼錠內(nèi)， 形成二次氣泡帶。錠心帶錠心帶由粗大等鈾品所組成。在繼續(xù)結(jié)晶過(guò)程中， 碳氧濃度高的地方仍有碳氧反應(yīng)發(fā)生，生成許多分散的 小氣泡。這時(shí)，錠心溫度下降，鋼液粘度很大，氣泡便留在錠心帶，有的可能

11、上浮到鋼錠 上部匯集成較大的氣泡。沸騰鋼的性能優(yōu)點(diǎn)沸騰鋼由于有良好的沸騰作用，鋼錠可形成一個(gè)純凈、堅(jiān)實(shí)的外殼，故軋成的產(chǎn)品表 面質(zhì)量較好，特別適于制造薄板。并因含碳、硅量較低，有良好的焊接、冷彎和沖壓性能， 一些冷沖壓件如拖拉機(jī)箱、汽車殼體等均使用沸騰鋼。還用它軋制一般型鋼、中板、線材、 窄帶和管材。沸騰鋼鋼錠頭部沒(méi)有集中縮孔，軋制成坯后切頭率低，且消耗脫氧劑和耐火 材料少，故成本較低。大多數(shù)國(guó)家沸騰鋼的產(chǎn)量占模鑄鋼總產(chǎn)量的40%50%。不足沸騰鋼偏析嚴(yán)重、組織不致密、力學(xué)性能波動(dòng)較大，在軋材的不同部位抗拉強(qiáng)度和伸 長(zhǎng)率有明顯差別。其低溫沖擊性差，鋼板易于失效使韌性降低，故不適于制造對(duì)力學(xué)性能

12、要求較高的零部件。止匕外，為保證模內(nèi)正常沸騰，沸騰鋼碳含量不能超過(guò)0.28%,鈕含量不大于0.60%,硅含量不大于0.03%,因此只限于生產(chǎn)普通低碳鋼，使沸騰鋼的鋼種受到 很大限制。4鎮(zhèn)靜鋼的宏觀組織及性能鋼液在澆注前用鉆鐵、硅鐵和鋁進(jìn)行充分脫氧，使所含氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.01%（一般常在0.002%0.003%）,以至鋼液在凝固時(shí)不析出一氧化碳，得到成分比較均勻， 組織比較致密的鋼錠，這種鋼叫做鎮(zhèn)靜鋼。鎮(zhèn)騰鋼的宏觀組織圖3為鎮(zhèn)靜鋼錠縱剖面的宏觀組織示意圖。圖 4為20鋼圓坯上的中心縮松。由圖可 以看出，鎮(zhèn)靜鋼錠的宏觀組織與純金屬鑄錠基本相同，也是由表面細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和中 心等軸晶區(qū)所組成

13、。所不同的是，在鎮(zhèn)靜鋼錠的下部還有一個(gè)由等軸晶粒組成的致密的沉 積錐體，這是鎮(zhèn)靜鋼的組織特點(diǎn)。圖3鎮(zhèn)靜鋼錠宏觀組織示意圖4 20鋼圓坯上的中心縮松1一縮孔2一氣泡 3縮松4表面細(xì)晶粒區(qū)5柱狀晶粒區(qū)6中心等軸晶粒區(qū)7下部錐體表面細(xì)小的等軸晶帶也叫激冷層。鋼錠表面層鋼液過(guò)冷度大，并因粗糙模壁的作用，形成大量晶核，在迅 速凝固時(shí)成為細(xì)小的等軸晶柱狀晶帶隨激冷層外殼的形成，模壁逐漸加熱。由于凝固殼收縮，鋼錠與模壁脫離產(chǎn)生空隙， 晶體向鋼錠內(nèi)部定向生長(zhǎng)，形成方向垂直于模壁，略向上傾的柱狀晶帶。中心等軸晶帶隨鋼液溫度降低，柱狀晶的結(jié)晶速度減慢，在錠心部位形成孤立的晶核，長(zhǎng)大成為中 心不規(guī)則的等軸晶帶。球形

14、等軸晶帶由于自然對(duì)流使密度稍大于鋼液的大量等軸枝晶成結(jié)晶雨，沉積于鋼錠底部，阻止了 柱狀晶的生長(zhǎng)，而形成球形等軸晶帶，也叫做沉積錐。鎮(zhèn)靜鋼在錠模內(nèi)凝固過(guò)程中，由于選分結(jié)晶的作用，使樹(shù)枝晶間的流體富集溶質(zhì)元素， 產(chǎn)生流動(dòng)而導(dǎo)致區(qū)域溶質(zhì)元素分布的不均勻性。人們把這種化學(xué)成分的不均勻性叫鋼錠的 宏觀偏析或低倍偏析。一般在其鋼錠縱斷面上有錠心上部的 A型和V型正偏析和鋼錠下部 圓錐處的負(fù)偏析5 0鎮(zhèn)靜鋼的性能優(yōu)點(diǎn)鎮(zhèn)靜鋼鋼錠組織較致密，而且只有輕度的偏析，成分也較均勻，故全部合金鋼、大部 分低合金鋼和許多碳素鋼用鎮(zhèn)靜鋼生產(chǎn)，以制造厚板、高級(jí)管材、硬線、鋼軌、車軸等對(duì) 力學(xué)性能要求較高的鋼材。不足但因其鋼

15、錠頭部有縮孔，開(kāi)坯時(shí)切頭損失大，成坯率低。同時(shí)它耗用脫氧劑和耐火材 料較多，故鋼錠成本較高。止匕外，其表面質(zhì)量往往不如沸騰鋼。5半鎮(zhèn)靜鋼的宏觀組織及性能脫氧程度較鎮(zhèn)靜鋼弱，但比沸騰鋼強(qiáng)的碳素鋼。鋼水在澆注前的氧含量接近或稍高 于與碳氧平衡時(shí)的氧含量。當(dāng)其凝固時(shí)，一般只排出少量的氣體，在模內(nèi)進(jìn)行短時(shí)間的微 弱沸騰。這種鋼錠中氣泡的體積與鋼液的冷凝收縮大致相等，為此也稱為“平衡鋼”。實(shí) 際上，現(xiàn)代半鎮(zhèn)靜鋼的發(fā)展已超出其原有含義，凡切頭率比鎮(zhèn)靜鋼鋼錠低，偏析較沸騰鋼 鋼錠少，介于二者之間的各種鋼錠，都可認(rèn)為是半鎮(zhèn)靜鋼，如外沸內(nèi)鎮(zhèn)鋼錠等。5.1半鎮(zhèn)靜鋼的宏觀組織半鎮(zhèn)靜鋼鋼錠的結(jié)構(gòu)，有激冷帶、柱狀晶帶和

16、錠心等軸晶帶。但由于脫氧程度、氣體放 出量的多少、位置和時(shí)間的不同，形成在鋼錠內(nèi)部的氣孔大小和分布均不相同的結(jié)構(gòu)。見(jiàn) 圖5.1。在正常脫氧情況下，排出氣體量使鋼錠內(nèi)生成的氣泡基本抵消了鋼液的冷凝收縮。 其下部結(jié)構(gòu)比較致密，沒(méi)有蜂窩氣泡，而上部有可能產(chǎn)生短小的蜂窩氣絕熱板堅(jiān)殼帶半鎮(zhèn) 靜鋼芯堅(jiān)殼帶半鎮(zhèn)靜鋼芯圖5.2外沸內(nèi)鎮(zhèn)、外沸內(nèi)半鎮(zhèn)鋼錠結(jié)構(gòu)泡。在其頭部中心，存在 氣泡疏松。整個(gè)鋼錠似乎下部具有鎮(zhèn)靜鋼鋼錠特點(diǎn)，上部則具有沸騰鋼鋼錠的一些特征（圖 5.3b和5.3c）。脫氧不足時(shí)，放出氣體稍多，氣泡接近鋼錠側(cè)面和上表面，蜂窩氣泡甚至布 滿整個(gè)高度，并在頭部有大量集中的氣泡（圖5.3a）;而脫氧過(guò)度時(shí)

17、，放出氣體很少，將產(chǎn) 生縮孔，實(shí)質(zhì)上成為鎮(zhèn)靜鋼的結(jié)構(gòu)（圖5.3d）。半鎮(zhèn)靜鋼在澆注過(guò)程中沸騰微弱，注完沸騰 很快停止。因此其偏析比沸騰鋼鋼錠少得多，但比鎮(zhèn)靜鋼鋼錠大70圖5.3半鎮(zhèn)靜鋼鋼錠的結(jié)構(gòu)5.3半鎮(zhèn)靜鋼的性能用半鎮(zhèn)靜鋼代替鎮(zhèn)靜鋼，由于切頭減少，故可提高成坯率，并可節(jié)約脫氧劑。用它代 替沸騰鋼，由于偏析較少和軋制廢品減少，成材率可接近沸騰鋼而鋼材性能卻優(yōu)于沸騰鋼。 半鎮(zhèn)靜鋼對(duì)碳含量與鈕含量無(wú)嚴(yán)格限制，還允許含有一定量的合金元素，因而鋼種多。因 其具有上述優(yōu)點(diǎn)，半鎮(zhèn)靜鋼在生產(chǎn)和使用上得到迅速發(fā)展。世界各主要產(chǎn)鋼國(guó)家的半鎮(zhèn)靜 鋼產(chǎn)量已占總鋼產(chǎn)量的10%30%,用它大批生產(chǎn)普通碳素鋼和普通低合金

18、鋼， 廣泛應(yīng)用 于建筑、機(jī)械、石油、化工、造船等部門。生產(chǎn)半鎮(zhèn)靜鋼時(shí)，鋼水氧含量需穩(wěn)定控制在很 窄的范圍內(nèi)，脫氧程度要求很嚴(yán)，故不易掌握。半鎮(zhèn)靜鋼的偏析程度較鎮(zhèn)靜鋼重。同時(shí)由 于用硅脫氧，硅酸鹽生成物不易自鋼中很好排除，會(huì)降低鋼材橫向沖擊性能和塑性，因此 半鎮(zhèn)靜鋼不適合于重要零件用。6總結(jié)沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼主要區(qū)別是脫氧程度的不同。脫氧程度由大到小排序?yàn)椋?鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、沸騰鋼。由于脫氧程度的不同導(dǎo)致宏觀組織及性能的不同。三者結(jié)晶 過(guò)程基本相同。沸騰鋼的優(yōu)點(diǎn)是鋼的收率高（約提高 15%）,生產(chǎn)成本低，表面質(zhì)量和深 沖性能好。缺點(diǎn)是鋼的雜質(zhì)多，成分偏析較大，所以性能不均勻。鎮(zhèn)靜鋼的優(yōu)點(diǎn)是鋼中氧 化物夾雜較少，純凈度較高，鎮(zhèn)靜鋼偏析較小，性能比較均勻，質(zhì)量較高。缺點(diǎn)是有集中縮孔，成材率低，價(jià)格較高。半鎮(zhèn)靜鋼鋼錠的結(jié)構(gòu)與沸騰鋼鋼錠相似，而性能卻與鎮(zhèn)靜鋼鋼錠相近，成分偏析 小，綜合機(jī)械性能好。由于它的偏析較小和軋制廢品少，成材率可接近沸騰鋼