钢铁材料的晶粒细化工艺

金胜

目前实现钢铁材料晶粒细化的方法主要有：冶金处理细化、热处理与加工工艺、磁场或电场处理细化、机械球磨法、非晶晶化法。

4 n" ?' j6 A+ u* H7 r" K% E凝固组织细化技术
4 _2 T+ ?. A; _4 B- Z6 L1 ~  y
由金属凝固理论可知，等轴晶的形成条件是：凝固界面前沿的液相中有晶核来源，在液相中存在晶核形成和生长所需的过冷度。因而对金属和合金材料凝固组织的细化，无外乎是基于以下的基本原理：增加液相中的形核质点，提高形核率；降低晶核的长大速度或抑制晶核的长大；控制结晶前沿的温度分布等。目前，金属凝固组织细化方法主要有四类:（1）浇注过程和传热条件控制方法;（2）化学处理方法；(3)机械处理方法；（4）外加物理场方法。
( [0 ~# Z1 _. x
* k. V3 N; r2 W, T% U0 X浇注过程和传热条件控制方法
/ V- N- C% }5 D5 P6 o" s浇注过程和传热条件控制方法包括浇注工艺控制技术、低温浇注、提高冷却速度和增加过冷度等。
9 M; N, J6 K+ {6 c# P" A7 D0 P' n5 ^* ^在铸件浇注过程中，通过控制浇注工艺，如进行缓慢浇注或合理设置浇口等措施，能细化金属凝固组织。
4 a% Q7 V2 |, m* W; w7 l除了控制浇注方式外，降低浇注过热度，在接近于液相线温度下浇注也是细化凝固组织、扩大等轴晶区的有效方法。
提高冷却速度快速凝固可明显细化金属的凝固组织，获得非常好的细化效果。薄板坯连铸工艺使铸坯的凝固冷却速率提高1~2个数量级，快速凝固使二次枝晶臂间距减小，最小臂间距可达到亚微米级。
+ F2 y# \- b1 |" a& j- t
( s3 F2 G8 P# o! N1 G2 z铸坯二次枝晶间距与冷却速率的关系

- l! I) ?/ [+ k/ G. r0 }  [4 x, g) Z在提高冷却速度基础上，通过去除液相中的异质晶核(熔体净化)，抑制低过冷度下的形核，使合金液获得很大过冷度，在大过冷度下产生爆发式形核，也能细化金属凝固组织，该方法即为深过冷凝固技术。熔体的凝固速率与其过冷度有关，过冷度越大，凝固速率越快。

化学处理方法
$ r/ `8 _3 @7 H; \3 c% O" W化学处理的方法是指向金属熔体中添加少量的化学物质或化学元素。这种物质一般称为孕育剂或变质剂。该方法操作简便，细化效果显著。但要求孕育剂细小且弥散才能有效细化晶粒，否者将影响钢铁材料的性能。
钢液中存在的固态化合物可以作为钢液凝固初生铁素体相或者初生奥氏体相的形核核心，促进钢液非均质形核，从而实现凝固组织的细化。根据点阵错配度理论和经验电子理论，对δ-Fe非均质形核有显著效用的孕育剂为CaS、La2O3、TiN、Ce2O3、TiC、CeO2、Ti2O3、TiO2、MgO；对γ-Fe非均质形核有显著效果的孕育剂为ZrO2、Ti2O3、MnS、SiO2、MnS、CaO、Al2O3、CeO2。

1 L$ I' o3 W6 z2 _7 O
机械处理方法
! G# z( k& f5 |0 R机械处理方法主要包括机械搅拌和机械振动两种方法。
采用机械搅拌可造成液相和固相之间产生不同程度的相对运动，即液态金属的对流运动，从而引起枝晶臂的折断、破碎和增殖，达到细化晶粒的目的。但该方法存在两方面不足，一是对熔体搅拌时，易卷入气体，且得不到金属液的及时补充，易形成气孔、缩松等缺陷；二是对高熔点的金属液进行搅拌时，搅拌器损耗严重，对金属熔体造成污染，产生新的质量问题。
3 P, V8 t: u/ k* p采用机械振动的方法也是借助金属熔体的对流运动破碎枝晶、引起晶核增殖来达到凝固组织细化的目的。但该方法在操作中，当机械振动频率提高时，金属凝固组织细化效果会降低，引起钢锭碳化物偏析和疏松严重等问题。

外加物理场方法
2 l+ A( V: C0 S# s" l外加物理场处理技术是在金属凝固前或凝固过程中对金属熔体施加物理场，利用金属和物理场的相互作用，改善其凝固组织。该技术具有环境友好、操作简便等优点。目前该领域的研究热点主要集中在以下3个方面：（1）让电流通过金属熔体，即电流处理;（2）让金属熔体在磁场中凝固，即磁场处理；（3）对金属熔体进行超声波处理。
% r7 ^' G% q; A; e
8 D+ [! [, {' Y) `电场作用于熔点附近的凝固系统时，金属液中近程有序原子团的结构、尺寸和数量都会随着电场强度、方向而变化，加剧了结构起伏、能量起伏及温度起伏，从而促进均质形核。
5 {  A+ `2 k; s+ X- H' v5 h当有快速变化的强脉冲电流通过金属熔体时，将在熔体内产生快速变化的强脉冲磁场。强脉冲电流和强脉冲磁场之间的相互作用会在金属熔体内产生很强的收缩力，使熔体反复地被压缩，并使熔体在垂直于电流方向作往复运动。往复运动除了碎断树枝晶外，同时还使熔体迅速失去过热、提高形核率。所以脉冲电流愈强，细化效果愈显著。
& c$ k( H3 A$ d- J& M- \
在交变磁场作用下，凝固系统内将产生一个感应电流，磁场与感应电流之间发生电磁作用，产生电磁力，其方向是沿径向将金属压向或拉离轴心，从而使凝固体系产生了规则的波动。这种波动对凝固过程的影响与通常的强化对流产生的影响没有实质区别，因此，交变磁场具有细化晶粒的作用。
从磁场带来的波动效应看，磁感应强度越大，电磁压力越大，因而波动越激烈，晶粒细化效果越显著。但是在磁感应强度增加的同时，感应电流也成比例地增加，这相应地会在凝固体系内增大热效应，从而使过冷度减小，进而使形核率下降，所以磁感应强度过大时，会引起晶粒粗化。因此，磁场强度与晶粒细化效果之间的关系曲线应是一条有极值的曲线。
+ f4 l" m6 `" \6 [; g脉冲磁场使熔体内产生脉冲涡流。涡流和磁场之间相互作用产生洛仑兹力和磁压强。它们是剧烈变化的，且其强度远大于金属熔体的动力压强，这就使金属熔体产生强烈振动。这种振动一方面增加了熔体凝固中的过冷度，提高了形核率；另一方面在熔体内造成了强迫对流，使凝固过程中树枝晶或难以长大，或被折断、击碎，而这些破碎的枝晶颗粒游离于结晶前沿的液体中又会成为新的生长核心。所以脉冲磁感应强度愈大，细化效果愈显著。
/ K& h) y* ^1 a5 a/ g4 f强磁场或电场与温度、压力、化学成分等因素一样，也是影响金属相变的重要因素。首先，由于不同相具有不同的磁导率或电介质常数，电磁场将影响其吉布斯(Gibbs）自由能进而影响到γ→α相变温度。在热轧过程中采用间断断施加磁场或电场的方法可以改变Ae3温度，反复进行奥氏体/铁素体相变，进而促进铁素体晶粒细化。另外，电磁场将影响原子迁移的扩散速度和相形态。外加磁场或电场将增大淬火冷却时从奥氏体向马氏体转变的相变驱动力，即可获得与增大过冷度相同的效果，从而增加马氏体的形核率，并且降低其生长速度，达到组织细化的目的。在强磁场或电场淬火时，具有随着场强度的增大，获得的淬火马氏体的尺寸就越细的规律。
6 `8 o9 U) i: y; q8 z3 z, q0 ?
6 a& {+ }3 |) R1 L8 _超声波在液体中传导时，将会产生周期性的应力和声压变化，在声波的波面处形成很强的压强梯度，产生局部的高温高压效应，这种效应导致瞬间的正压、负压变化，致使结晶过程中固/液界面正在形核、长大的晶胚脱落下来，它们漂移到熔体的各个部位，从而改变了固/液界面的结晶方式。液体中产生的空化和搅动作用使合金液整体的温度和化学成分均匀化，细化了合金显微组织，减轻了合金的宏观偏析倾向，提高了铸态组织均匀性。