·114· 北京科技大学学报 2000年第2期 母带 枝晶的方式生长的δ铁素体：二是柱状枝晶的生 长具有明显的方向性，总体上其枝晶的长轴方 单铂铑热电偶 向与热流方向保持一致：另外，柱状枝晶在生长 不锈钢液 方向上具有择优取向的现象，以致于相邻的枝 晶簇之间常存在微小的夹角.而在垂直于热流 刚玉坩埚 方向的Z向面上（图3(b),白色奥氏体基体上 铁素体枝晶的生长没有一致的方向性，相邻的 碳管炉一 初生晶粒间枝晶干互成不同的角度，值得注意 的是，在每个初生晶粒的范围内，方向不同的各 钨铼热电偶 ←N 枝晶干之间多近似垂直，但是由于并不是所有 图1反向凝固模拟实验装置简图 的柱状枝晶的长轴都精确地垂直于观察的Z向 Fig.1 Schematics of inversion casting experiment 面，那些与观察面斜交的柱状晶其Z向面上初 2复合铸带的微观组织特征 生晶粒中的枝晶干间呈不同的角度分布， 2.4过渡区组织 2.1复合铸带的组织构成 反向凝固工艺过程中，钢水在母带表面凝 从微观组织的角度看，采用反向凝固法制 固形成新相层时，母带表面的薄层在数秒钟之 得的奥氏体不锈钢复合铸带由3个区域组成， 内即可被高温钢水加热到1400℃以上，根据工 即碳素钢母带区、奥氏体不锈钢新相层和界面 艺条件的不同母带表面的薄层区有可能达到半 过渡区.在3个区域内，不同的材料物性和特定 凝固状态，这样在两相接触的界面处形成了有 的工艺过程决定了其表现出不同的组织状态， 利于母带相和新生相进行物质交换和相互扩散 其中界面过渡区只是一个大致的范围，难以划 的条件.两相物质交换的结果是在界面附近形 定一个明确的界限，因为在不同区域的交界处 成了具有一定厚度的成分和组织呈梯度分布的 材料的成分和微观组织都是呈梯度分布的. 区域，这个区域就是界面过渡区， 2.2母带区的组织特征 界面过渡区虽然很薄，但是它连接母带区 如图2(a)和(b)所示，由反向凝固工艺获得 和新相层，是影响复合铸带和薄带中两相结合 的复合铸带中母带区组织具有如下共性：晶粒 的关键区域，也是最终影响铸带内部质量的限 粗大，尺寸约为100~400m,平均为200m左 制性环节之一， 右；母带区中心部位晶粒较粗尺寸在300~400μ 从图4(a),(b),(d)中可以看出，在金相显 m,而靠近界面处则相对较小.从组织上看，沿 微镜下母带与不锈钢两相交界面并不是平直形 原奥氏体晶界析出有白色的粗片状先共析铁素 状，而是在一定尺度内互相交错，部分不锈钢相 体和少量块状先共析铁素体成网状分布特征： 插入母带区中，反之也有部分母带的碳素钢相 此外从晶界先共析铁素体处出发与基体保持一 插入不锈钢新相之中，呈现出不规则波浪形状. 定的位向关系成束向晶内生长有大量稍细的铁 不锈钢复合铸带中界面处两相“犬牙交错” 素体，构成魏氏组织形态，即魏氏组织铁素体： 相互接合的特性为复合带获得良好的界面力学 晶内黑色区域为珠光体型组织区：少量的黑色 性能打下了基础.4(d)是复合铸带界面处放大 粒状贝氏体散布于晶粒内部. 6000倍的扫描电镜二次电子像，从中可以看出 总之，对于相同材质的碳素钢母带，在空冷 界面无缺陷的紧密结合，界面过渡区内，由于两 条件下，反向凝固铸带中母带区的组织成分大 相掺混和扩散，化学成分呈不均匀分布，从不锈 体相同，只有量的变化，没有本质的差异 钢新相层到母带区，Cr,Ni质量分数分别从 2.3复合铸带新相层的组织特征 17.7%,9.35%梯度递减至零，而碳则从0.043%梯 复合铸带中新相层的微观组织决定于新相 度递增至0.15%.从图4(c)看出了界面处Ni元 层材料、反向凝固工艺参数以及铸带形成后的 素的梯度分布情况.狭窄的过渡区内组织从靠 冷却条件.如图3(a)所示，1Crl8Ni9奥氏体不锈 近母带区的铁素体逐渐过渡到靠近新相层的奥 钢复合铸带中新相层呈现出如下明显的组织特 氏体. 征：一是在白色的奥氏体基体上分布有以柱状 两相界面的靠近母带区一侧存在明显的脱北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 0 年 第 2 期 母带 单铂铭热电偶 不锈钢液 刚玉柑祸 碳管炉 钨锌热电偶 矗 图 1 反 向凝 固模 拟 实验 装置 简 图 F ig · 1 S e h e m a t i c s o f i n v e r s i o n e a s ti n g e x P e r im e n t 2 复合铸带 的微观组织特征 2 . 1 复合铸带的组织构成 从微观 组织 的 角度看 , 采用 反 向凝 固法制 得 的奥 氏体不 锈钢 复合铸 带 由 3 个 区域 组 成 , 即 碳素钢 母 带 区 、 奥 氏 体不 锈钢 新相层 和 界 面 过渡区 . 在 3 个 区 域 内 , 不 同 的材料 物性和 特定 的 工 艺 过程 决定 了 其表现 出 不 同 的组 织状态 , 其 中界 面 过渡 区 只 是 一 个大 致 的范 围 , 难 以划 定 一 个 明 确 的 界 限 , 因 为在不 同区 域 的交界 处 材料 的 成 分和 微观组 织都是 呈 梯 度分布 的 . 2 . 2 母 带区 的组织特征 如 图 2( a) 和 ( b) 所示 , 由反 向凝 固工 艺 获得 的复合 铸带 中母带 区 组 织具 有如 下 共 性 : 晶粒 粗大 , 尺 寸约为 10 0一 4 0 卿 , 平 均为 2 0 0 卿 左 右 ;母带 区 中心部 位 晶粒较粗 尺寸在 3 0 一4 0 林 m , 而 靠近 界 面处 则相 对较 小 . 从组 织上 看 , 沿 原奥 氏体 晶 界 析 出有 白色 的粗 片状 先共 析铁素 体 和 少 量 块状先 共 析铁 素体 成 网状 分布特 征 ; 此外 从 晶 界先 共析铁素 体 处 出 发与基体保持一 定的位 向关系成束 向晶 内生长有 大量稍细 的 铁 素体 , 构 成魏 氏 组织形 态 , 即魏 氏组织 铁素体 ; 晶 内黑 色 区 域为珠 光体 型 组 织 区 ; 少 量 的黑 色 粒状 贝 氏体散布 于 晶粒 内部 . 总 之 , 对于 相 同材质 的碳素 钢 母 带 , 在空 冷 条件下 , 反 向凝 固铸 带 中母 带区 的组 织 成分 大 体相 同 , 只 有量 的 变化 , 没 有本质 的差异 . 2 . 3 复合铸带 新相 层 的组织特征 复 合铸 带 中新相 层 的微观 组织决定 于 新相 层 材料 、 反 向凝 固工 艺 参数 以及铸 带形 成后 的 冷却 条件 . 如图 3 ( a ) 所示 , I C r l 8N i g 奥 氏 体不 锈 钢 复合铸带 中新相 层呈现 出如 下 明显 的组织特 征 : 一 是在 白色 的奥 氏体基 体上 分 布有 以柱状 枝 晶 的方式生 长 的5铁素体 ; 二 是柱状枝 晶 的生 长具 有 明 显 的方 向性 , 总 体上 其 枝晶 的长轴方 向与热流方 向保持一 致 ; 另外 , 柱状枝晶在 生长 方 向上 具 有择优 取 向 的现 象 , 以 致于 相 邻 的枝 晶簇之 间 常存 在微小 的 夹角 . 而 在垂 直于 热 流 方 向的 Z 向面上 ( 图 3 (b) ) , 白色 奥 氏体基体上 铁素体 枝 晶 的 生 长没 有 一致 的方 向性 , 相 邻 的 初 生 晶 粒 间枝晶 干互成 不 同 的角度 . 值得注 意 的是 , 在每个初生 晶粒 的范 围内 , 方 向不 同的各 枝 晶 干之 间 多近似垂 直 , 但 是 由于 并不 是 所 有 的柱状 枝 晶 的长轴都精确地 垂 直于 观察 的Z 向 面 , 那 些 与观察面 斜交 的柱 状晶 其 Z 向面 上 初 生 晶 粒 中的 枝 晶干 间 呈 不 同 的角度分布 . 2 . 4 过渡 区组织 反 向凝 固 工 艺 过 程 中 , 钢 水 在母 带表 面凝 固 形成新相 层 时 , 母带表面 的薄层在 数秒 钟之 内即 可被 高温钢 水加热 到 1 4 0 0℃ 以上 , 根据工 艺 条件的不 同母带表面 的薄层 区有可 能达到半 凝 固状态 , 这样 在两相 接触 的界 面 处 形成 了有 利于 母带相 和 新生 相 进行物质交换和 相 互扩 散 的条件 . 两 相物 质交换 的结果 是在 界面 附近形 成 了具 有一 定厚 度 的成分和 组 织 呈梯度分布 的 区 域 , 这 个 区 域 就是 界 面 过渡 区 . 界 面 过渡 区 虽 然很薄 , 但是 它 连接母带 区 和 新相 层 , 是 影 响 复合 铸带和 薄 带中两 相 结合 的关键 区 域 , 也 是 最 终影 响铸带 内部 质量 的限 制性环 节之一 从 图 4 ( a ) , (b ) , ( d ) 中可 以看 出 , 在金相 显 微镜下 母带 与不 锈钢 两相 交界面并不 是 平直 形 状 , 而是 在一 定 尺 度 内互 相 交错 , 部 分不 锈钢 相 插 入母带 区 中 , 反之 也 有部 分母 带的 碳素钢 相 插入 不 锈钢 新相之中 , 呈 现 出不 规则波浪形状 . 不锈 钢复合 铸带 中界 面处 两相 “ 犬牙 交错 ” 相 互接合 的 特性为 复合带获得 良好的 界 面力学 性 能 打 下 了 基础 . 4 d( ) 是 复 合铸 带界 面处 放 大 6 0 0 0 倍 的扫 描 电镜二 次 电子 像 , 从 中可 以看 出 界 面 无缺 陷的 紧密结合 . 界面过 渡 区 内 , 由于 两 相 掺混和 扩散 , 化学成分呈 不 均匀分布 , 从不 锈 钢 新 相 层 到 母 带 区 , C r, N i 质 量 分 数 分 别 从 1.7 7% ,9 . 35 % 梯度递减至 零 , 而碳则 从 .0 0 43 % 梯 度递增 至 0 . 巧% . 从 图 4 ( c) 看 出 了界 面 处 N i 元 素 的梯度 分布情 况 . 狭 窄的过渡 区 内组 织从靠 近母带区 的铁素体逐渐过渡到 靠近新相 层 的奥 氏体 . 两 相 界 面 的 靠近母带区 一 侧存在 明显的脱