目前實現鋼鐵材料晶粒細化的方法主要有：冶金處理細化、熱處理與加工工藝、磁場或電場處理細化、機械球磨法、非晶晶化法。
1、凝固組織細化技術
由金屬凝固理論可知，等軸晶的形成條件是：凝固界面前沿的液相中有晶核來源，在液相中存在晶核形成和生長所需的過冷度。因而對金屬和合金材料凝固組織的細化，無外乎是基于以下的基本原理：增加液相中的形核質點，提高形核率；降低晶核的長大速度或抑制晶核的長大；控制結晶前沿的溫度分布等。目前，金屬凝固組織細化方法主要有四類:（1）澆注過程和傳熱條件控制方法;（2）化學處理方法；(3)機械處理方法；（4）外加物理場方法。
1）澆注過程和傳熱條件控制方法
澆注過程和傳熱條件控制方法包括澆注工藝控制技術、低溫澆注、提高冷卻速度和增加過冷度等。在鑄件澆注過程中，通過控制澆注工藝，如進行緩慢澆注或合理設置澆口等措施，能細化金屬凝固組織。除了控制澆注方式外，降低澆注過熱度，在接近于液相線溫度下澆注也是細化凝固組織、擴大等軸晶區(qū)的有效方法。提高冷卻速度快速凝固可明顯細化金屬的凝固組織，獲得非常好的細化效果。薄板坯連鑄工藝使鑄坯的凝固冷卻速率提高1~2個數量級，快速凝固使二次枝晶臂間距減小，最小臂間距可達到亞微米級。在提高冷卻速度基礎上，通過去除液相中的異質晶核(熔體凈化)，抑制低過冷度下的形核，使合金液獲得很大過冷度，在大過冷度下產生爆發(fā)式形核，也能細化金屬凝固組織，該方法即為深過冷凝固技術。熔體的凝固速率與其過冷度有關，過冷度越大，凝固速率越快。
2）化學處理方法
化學處理的方法是指向金屬熔體中添加少量的化學物質或化學元素。這種物質一般稱為孕育劑或變質劑。該方法操作簡便，細化效果顯著。但要求孕育劑細小且彌散才能有效細化晶粒，否者將影響鋼鐵材料的性能。鋼液中存在的固態(tài)化合物可以作為鋼液凝固初生鐵素體相或者初生奧氏體相的形核核心，促進鋼液非均質形核，從而實現凝固組織的細化。根據點陣錯配度理論和經驗電子理論，對δ-Fe非均質形核有顯著效用的孕育劑為CaS、La2O3、TiN、Ce2O3、TiC、CeO2、Ti2O3、TiO2、MgO；對γ-Fe非均質形核有顯著效果的孕育劑為ZrO2、Ti2O3、MnS、SiO2、MnS、CaO、Al2O3、CeO2。
3）機械處理方法
機械處理方法主要包括機械攪拌和機械振動兩種方法。采用機械攪拌可造成液相和固相之間產生不同程度的相對運動，即液態(tài)金屬的對流運動，從而引起枝晶臂的折斷、破碎和增殖，達到細化晶粒的目的。但該方法存在兩方面不足，一是對熔體攪拌時，易卷入氣體，且得不到金屬液的及時補充，易形成氣孔、縮松等缺陷；二是對高熔點的金屬液進行攪拌時，攪拌器損耗嚴重，對金屬熔體造成污染，產生新的質量問題。采用機械振動的方法也是借助金屬熔體的對流運動破碎枝晶、引起晶核增殖來達到凝固組織細化的目的。但該方法在操作中，當機械振動頻率提高時，金屬凝固組織細化效果會降低，引起鋼錠碳化物偏析和疏松嚴重等問題。
4）外加物理場方法
外加物理場處理技術是在金屬凝固前或凝固過程中對金屬熔體施加物理場，利用金屬和物理場的相互作用，改善其凝固組織。該技術具有環(huán)境友好、操作簡便等優(yōu)點。目前該領域的研究熱點主要集中在以下3個方面：（1）讓電流通過金屬熔體，即電流處理;（2）讓金屬熔體在磁場中凝固，即磁場處理；（3）對金屬熔體進行超聲波處理。電場作用于熔點附近的凝固系統時，金屬液中近程有序原子團的結構、尺寸和數量都會隨著電場強度、方向而變化，加劇了結構起伏、能量起伏及溫度起伏，從而促進均質形核。當有快速變化的強脈沖電流通過金屬熔體時，將在熔體內產生快速變化的強脈沖磁場。強脈沖電流和強脈沖磁場之間的相互作用會在金屬熔體內產生很強的收縮力，使熔體反復地被壓縮，并使熔體在垂直于電流方向作往復運動。往復運動除了碎斷樹枝晶外，同時還使熔體迅速失去過熱、提高形核率。所以脈沖電流愈強，細化效果愈顯著。在交變磁場作用下，凝固系統內將產生一個感應電流，磁場與感應電流之間發(fā)生電磁作用，產生電磁力，其方向是沿徑向將金屬壓向或拉離軸心，從而使凝固體系產生了規(guī)則的波動。這種波動對凝固過程的影響與通常的強化對流產生的影響沒有實質區(qū)別，因此，交變磁場具有細化晶粒的作用。從磁場帶來的波動效應看，磁感應強度越大，電磁壓力越大，因而波動越激烈，晶粒細化效果越顯著。但是在磁感應強度增加的同時，感應電流也成比例地增加，這相應地會在凝固體系內增大熱效應，從而使過冷度減小，進而使形核率下降，所以磁感應強度過大時，會引起晶粒粗化。因此，磁場強度與晶粒細化效果之間的關系曲線應是一條有極值的曲線。脈沖磁場使熔體內產生脈沖渦流。渦流和磁場之間相互作用產生洛侖茲力和磁壓強。它們是劇烈變化的，且其強度遠大于金屬熔體的動力壓強，這就使金屬熔體產生強烈振動。這種振動一方面增加了熔體凝固中的過冷度，提高了形核率；另一方面在熔體內造成了強迫對流，使凝固過程中樹枝晶或難以長大，或被折斷、擊碎，而這些破碎的枝晶顆粒游離于結晶前沿的液體中又會成為新的生長核心。所以脈沖磁感應強度愈大，細化效果愈顯著。強磁場或電場與溫度、壓力、化學成分等因素一樣，也是影響金屬相變的重要因素。首先，由于不同相具有不同的磁導率或電介質常數，電磁場將影響其吉布斯(Gibbs）自由能進而影響到γ→α相變溫度。在熱軋過程中采用間斷斷施加磁場或電場的方法可以改變Ae3溫度，反復進行奧氏體/鐵素體相變，進而促進鐵素體晶粒細化。另外，電磁場將影響原子遷移的擴散速度和相形態(tài)。外加磁場或電場將增大淬火冷卻時從奧氏體向馬氏體轉變的相變驅動力，即可獲得與增大過冷度相同的效果，從而增加馬氏體的形核率，并且降低其生長速度，達到組織細化的目的。在強磁場或電場淬火時，具有隨著場強度的增大，獲得的淬火馬氏體的尺寸就越細的規(guī)律。超聲波在液體中傳導時，將會產生周期性的應力和聲壓變化，在聲波的波面處形成很強的壓強梯度，產生局部的高溫高壓效應，這種效應導致瞬間的正壓、負壓變化，致使結晶過程中固/液界面正在形核、長大的晶胚脫落下來，它們漂移到熔體的各個部位，從而改變了固/液界面的結晶方式。液體中產生的空化和攪動作用使合金液整體的溫度和化學成分均勻化，細化了合金顯微組織，減輕了合金的宏觀偏析傾向，提高了鑄態(tài)組織均勻性。
文章摘自：每天學點熱處理
冀公網安備13050002001422號