關(guān)于電磁攪拌對GCr15軸承鋼凝固組織影響的研究
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作者：張毅
軸承鋼鋼種碳及合金含量較高，在凝固過程中存在碳偏析及晶粒粗大等缺陷，造成軸承鋼局部強(qiáng)度或硬度較低。而電磁攪拌是控制鑄坯凝固過程的有效手段之一，在改善鋼坯的凝固組織，促進(jìn)柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變，消除中心縮孔、減輕中心偏析等方面效果顯著。電磁攪拌技術(shù)雖然在連鑄生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，但合理工藝參數(shù)的匹配以及對不同鋼種的作用規(guī)律，仍有待深入研究。本課題進(jìn)行了不同工藝參數(shù)下GCr15軸承鋼立式連鑄試驗(yàn)，分析了電磁攪拌和二冷水強(qiáng)度對GCr15軸承鋼凝固組織的影響，為生產(chǎn)高品質(zhì)的GCr15軸承鋼提供參考。
1 試驗(yàn)材料與方法
試驗(yàn)選用GCr15軸承鋼，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）：0. 98%的C、0.20%的Si、0.30%的M n 、0. 035%的P、0.002%的S、1.48%的Cr、0.03%的Ni和0. 05%的Cu，余量為Fe。試驗(yàn)在自制立式連鑄機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)參數(shù)見表1。電磁攪拌方式為旋轉(zhuǎn)電磁攪拌，考慮到電流強(qiáng)度過大，容易在鋼坯中造成白亮帶，而過小則難以使液穴內(nèi)的鋼水流動充分。因此，選擇電流強(qiáng)度為250 A。對澆注后的鋼坯進(jìn)行切割和取樣，對試樣進(jìn)行打磨、拋光，采用飽和苦味酸水溶液進(jìn)行腐蝕，借助于掃描儀和體視顯微鏡獲得鑄坯凝固宏觀組織，利用碳硫分析儀及原子吸收光譜儀對鑄坯中的C、Cr含量進(jìn)行化學(xué)成分分析。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 電磁攪拌對鑄坯凝固宏觀組織的影響
圖1為不同工藝參數(shù)下鑄坯凝固橫截面的宏觀組織�？梢钥闯�，未施加電磁攪拌時(shí)，鋼坯除表層有細(xì)小的等軸晶組織以外，內(nèi)部均以柱狀晶生長，特別是在鑄坯的中心部位呈現(xiàn)發(fā)達(dá)的樹枝晶，見圖la;當(dāng)施加電磁攪拌后，鑄坯中心的凝固組織得到明顯改善，即主要以等軸晶組成，見圖1b。當(dāng)既施加電磁攪拌又提高二冷水流量時(shí)（由2．0m3／h提高至3.5m3／h），鑄坯中心部位組織為更加細(xì)小的等軸晶組織，見圖1c。
圖2為未施加和施加電磁攪拌的鋼水凝固前沿的枝晶形貌�？梢钥闯�，當(dāng)末施加電磁攪拌時(shí)，鑄坯主要以柱狀晶及發(fā)達(dá)的交叉式樹枝晶為主，當(dāng)施加電磁攪拌后，鑄坯組織由柱狀樹枝晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，這是由于在電磁力所引起的強(qiáng)烈對流作用下，鋼水中枝晶被折斷或熔斷。
采用凝固前沿液相內(nèi)的成分過冷理論進(jìn)行分析。鋼水凝固時(shí)界面前沿成分過冷度為：
式中，
T c為過冷度；m L為相圖上液相線的斜率；c0為鋼水原始成分；K0為固液界面處溶質(zhì)的平衡分配系數(shù)；R為固相向液相的生長速度；X為距離固液界面的距離；GL為液相中的溫度梯度；DL為液相溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)。當(dāng)未施加電磁攪拌時(shí)，液相前沿溫度梯度較大，在沿?zé)崃鞣较蛏暇ЯＲ灾鶢罹У男螒B(tài)生長。當(dāng)臨近凝固終了時(shí)，由于溫度差、溶質(zhì)富集等因素導(dǎo)致熔池內(nèi)液相產(chǎn)生自然對流，使之前的單向的熱流方向產(chǎn)生紊亂，在最后凝固處形成了發(fā)達(dá)的樹枝晶（見圖1a）。
當(dāng)施加電磁攪拌時(shí)，電磁攪拌作用使鋼水得到充分?jǐn)嚢�，溫度分布更加均勻，即溫度梯�?GL)變小。由式(1)可知，隨著GL變小，則
T c增大，有利于柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變（見圖1b，圖1c）；當(dāng)鑄坯剛下拉離開攪拌器時(shí)，其液穴內(nèi)的鋼水在慣性力及上部鋼水的旋轉(zhuǎn)帶動下仍作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，此時(shí)如將二冷卻水流量由2．0m3／h提高至3.5m3／h，可迅速將鑄坯內(nèi)部的熱量帶出，加速液穴內(nèi)熔體過熱的耗散，降低熔池內(nèi)GL。由式(1)還可知，其成分過冷度△T c進(jìn)一步增大，熔池內(nèi)將有大量的晶核形成，形成更加細(xì)小致密的等軸晶組織（見圖1c）。另一方面，電磁攪拌引起的強(qiáng)烈對流作用對兩相區(qū)的沖刷、熔蝕，使凝固前沿的樹枝晶熔斷和折斷（見圖2b，圖2c），并被帶到鋼水內(nèi)部成為等軸晶粒的異質(zhì)核心，均有利于柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，使鑄坯質(zhì)量得到顯著改善。
2.2 電磁攪拌對鑄坯二次枝晶間距及元素分布的影響
二次枝晶的生長方式和枝晶間距對鑄坯凝固組織的致密度、成分偏析等有直接的影響，圖3為不同工藝參數(shù)下二次枝晶間距的分布。由圖3可以看出，鑄坯從邊緣到中心處，二次枝晶間距逐漸增大；當(dāng)施加電磁攪拌時(shí)，鑄坯中心對應(yīng)位置處的二次枝晶間距變小。當(dāng)冷卻水流量由2.0m3／h提高至3.5m3／h時(shí)，二次枝晶間距變得更小。當(dāng)C含量大于0. 15%時(shí)，發(fā)現(xiàn)二次枝晶間距與冷卻速率存在如下關(guān)系：
式中，
為二次枝晶間距；R為冷卻速率。由式(2)可以看出，隨著冷卻速率的降低，二次枝晶間距增大。當(dāng)末施加電磁攪拌時(shí)，隨著凝固坯殼厚度的增加，鑄坯的冷卻速率會降低，則二次枝晶間距增加；當(dāng)施加電磁攪拌時(shí)，電磁力的作用使鑄坯中心鋼水得到充分?jǐn)嚢�，流動的鋼水使枝晶尖端的溶質(zhì)與溫度分布更加均勻，使得二次枝晶間距減小。當(dāng)二冷水流量由2.0 m3／h提高至3.5 m3／h時(shí)，加強(qiáng)了鑄坯內(nèi)部熱量的導(dǎo)出，進(jìn)一步提高了鑄坯中心處的冷卻速率，使二次枝晶間距減小。
圖4和圖5分別為施加和未施加電磁攪拌下鑄坯中C、Cr元素的偏析指數(shù)（該點(diǎn)的實(shí)測含量與鋼水原始成分的比值）。無電磁攪拌時(shí)．鑄坯中心處的C偏析指數(shù)較高；當(dāng)二冷水流量提高到3.5m3／h時(shí)，電磁攪拌的中心處C和Cr的偏析指數(shù)都降低，整個(gè)鑄坯內(nèi)的C和Cr元素分布更加均勻。
凝固后期所剩余的液相會在糊狀區(qū)的空隙中流動，易于造成成分偏析，其中枝晶結(jié)構(gòu)對糊狀區(qū)內(nèi)的液相流動有很大的影響。二次枝晶間距與滲透率有如下關(guān)系；
式中，K p為糊狀區(qū)滲透率；f s為固相率。由式(3)可知，隨著二次枝晶間距(A：)的增大，滲透率也增大，當(dāng)無電磁攪拌時(shí)，鑄坯的二次枝晶間距較大，鋼水易在糊狀區(qū)內(nèi)形成滲透流動，使偏析加劇。而施加電磁攪拌后，在電磁攪拌作用下，流動的液相對凝固前沿生長的枝晶進(jìn)行沖蝕洗刷，使得鑄坯內(nèi)的鋼水與已凝固枝晶充分接觸，溶質(zhì)混合均勻。同時(shí)，鋼水內(nèi)部的溫度分布更加均勻，二次枝晶間距減小，滲透率也減小，從而使鑄坯成分更為均勻。
3 結(jié) 論
(1)未施加電磁攪拌時(shí)，GCr15軸承鋼連鑄坯的凝固組織以柱狀晶為主，中心部位為發(fā)達(dá)的樹枝晶，并存在中心偏析。
(2)施加電流為250 A，頻率為12 Hz的電磁攪拌后，使鋼水凝固時(shí)由柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶。同時(shí)二冷水流量由2.0 m3／h提高至3.5m3／h時(shí)，GCr15軸承鋼鑄坯中心的等軸晶更加細(xì)小。
(3)施加電流為250 A，頻率為12 Hz的電磁攪拌后，GCr15軸承鋼鑄坯凝固的二次枝晶間距變小，C和Cr元素的分布更加均勻。
4摘要采用電磁攪拌法在自制連鑄機(jī)上制備了GCr15軸承鋼鋼坯，研究了電磁攪拌與二冷水強(qiáng)度對GCr15軸承鋼凝固組織的影響。結(jié)果表明，當(dāng)電流強(qiáng)度為250 A，頻率為12 Hz時(shí)，鋼水凝固前沿的枝晶被折斷和熔斷。由于液相溫度梯度減小，成分過冷度增大，使凝固時(shí)的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶；當(dāng)二冷水流量由2．0m3/h提升至3.5m3／h時(shí)，鑄坯中心組織出現(xiàn)了更加細(xì)小的等軸晶；同時(shí)電磁攪拌會使連鑄坯中的二次枝晶間距變小，C和Cr分布更均勻。
