关于电磁搅拌对GCr15轴承钢凝固组织影响的研究

作者：张毅

    轴承钢钢种碳及合金含量较高，在凝固过程中存在碳偏析及晶粒粗大等缺陷，造成轴承钢局部强度或硬度较低。而电磁搅拌是控制铸坯凝固过程的有效手段之一，在改善钢坯的凝固组织，促进柱状晶向等轴晶的转变，消除中心缩孔、减轻中心偏析等方面效果显著。电磁搅拌技术虽然在连铸生产中得到了广泛的应用，但合理工艺参数的匹配以及对不同钢种的作用规律，仍有待深入研究。本课题进行了不同工艺参数下GCr15轴承钢立式连铸试验，分析了电磁搅拌和二冷水强度对GCr15轴承钢凝固组织的影响，为生产高品质的GCr15轴承钢提供参考。

1  试验材料与方法

     试验选用GCr15轴承钢，其化学成分（质量分数，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，余量为Fe。试验在自制立式连铸机上进行，试验参数见表1。电磁搅拌方式为旋转电磁搅拌，考虑到电流强度过大，容易在钢坯中造成白亮带，而过小则难以使液穴内的钢水流动充分。因此，选择电流强度为250 A。对浇注后的钢坯进行切割和取样，对试样进行打磨、抛光，采用饱和苦味酸水溶液进行腐蚀，借助于扫描仪和体视显微镜获得铸坯凝固宏观组织，利用碳硫分析仪及原子吸收光谱仪对铸坯中的C、Cr含量进行化学成分分析。

2  试验结果与分析

2.1  电磁搅拌对铸坯凝固宏观组织的影响

    图1为不同工艺参数下铸坯凝固横截面的宏观组织。可以看出，未施加电磁搅拌时，钢坯除表层有细小的等轴晶组织以外，内部均以柱状晶生长，特别是在铸坯的中心部位呈现发达的树枝晶，见图la;当施加电磁搅拌后，铸坯中心的凝固组织得到明显改善，即主要以等轴晶组成，见图1b。当既施加电磁搅拌又提高二冷水流量时（由2．0m3／h提高至3.5m3／h），铸坯中心部位组织为更加细小的等轴晶组织，见图1c。

    图2为未施加和施加电磁搅拌的钢水凝固前沿的枝晶形貌。可以看出，当末施加电磁搅拌时，铸坯主要以柱状晶及发达的交叉式树枝晶为主，当施加电磁搅拌后，铸坯组织由柱状树枝晶向等轴晶转变，这是由于在电磁力所引起的强烈对流作用下，钢水中枝晶被折断或熔断。

    采用凝固前沿液相内的成分过冷理论进行分析。钢水凝固时界面前沿成分过冷度为：

式中，T c为过冷度；m L为相图上液相线的斜率；c0为钢水原始成分；K0为固液界面处溶质的平衡分配系数；R为固相向液相的生长速度；X为距离固液界面的距离；GL为液相中的温度梯度；DL为液相溶质扩散系数。当未施加电磁搅拌时，液相前沿温度梯度较大，在沿热流方向上晶粒以柱状晶的形态生长。当临近凝固终了时，由于温度差、溶质富集等因素导致熔池内液相产生自然对流，使之前的单向的热流方向产生紊乱，在最后凝固处形成了发达的树枝晶（见图1a）。

    当施加电磁搅拌时，电磁搅拌作用使钢水得到充分搅拌，温度分布更加均匀，即温度梯度(GL)变小。由式(1)可知，随着GL变小，则T c增大，有利于柱状晶向等轴晶转变（见图1b，图1c）；当铸坯刚下拉离开搅拌器时，其液穴内的钢水在惯性力及上部钢水的旋转带动下仍作旋转运动，此时如将二冷却水流量由2．0m3／h提高至3.5m3／h，可迅速将铸坯内部的热量带出，加速液穴内熔体过热的耗散，降低熔池内GL。由式(1)还可知，其成分过冷度△T c进一步增大，熔池内将有大量的晶核形成，形成更加细小致密的等轴晶组织（见图1c）。另一方面，电磁搅拌引起的强烈对流作用对两相区的冲刷、熔蚀，使凝固前沿的树枝晶熔断和折断（见图2b，图2c），并被带到钢水内部成为等轴晶粒的异质核心，均有利于柱状晶向等轴晶转变，使铸坯质量得到显著改善。

2.2  电磁搅拌对铸坯二次枝晶间距及元素分布的影响

    二次枝晶的生长方式和枝晶间距对铸坯凝固组织的致密度、成分偏析等有直接的影响，图3为不同工艺参数下二次枝晶间距的分布。由图3可以看出，铸坯从边缘到中心处，二次枝晶间距逐渐增大；当施加电磁搅拌时，铸坯中心对应位置处的二次枝晶间距变小。当冷却水流量由2.0m3／h提高至3.5m3／h时，二次枝晶间距变得更小。当C含量大于0. 15%时，发现二次枝晶间距与冷却速率存在如下关系：

式中，为二次枝晶间距；R为冷却速率。由式(2)可以看出，随着冷却速率的降低，二次枝晶间距增大。当末施加电磁搅拌时，随着凝固坯壳厚度的增加，铸坯的冷却速率会降低，则二次枝晶间距增加；当施加电磁搅拌时，电磁力的作用使铸坯中心钢水得到充分搅拌，流动的钢水使枝晶尖端的溶质与温度分布更加均匀，使得二次枝晶间距减小。当二冷水流量由2.0 m3／h提高至3.5 m3／h时，加强了铸坯内部热量的导出，进一步提高了铸坯中心处的冷却速率，使二次枝晶间距减小。

    图4和图5分别为施加和未施加电磁搅拌下铸坯中C、Cr元素的偏析指数（该点的实测含量与钢水原始成分的比值）。无电磁搅拌时．铸坯中心处的C偏析指数较高；当二冷水流量提高到3.5m3／h时，电磁搅拌的中心处C和Cr的偏析指数都降低，整个铸坯内的C和Cr元素分布更加均匀。

    凝固后期所剩余的液相会在糊状区的空隙中流动，易于造成成分偏析，其中枝晶结构对糊状区内的液相流动有很大的影响。二次枝晶间距与渗透率有如下关系；

式中，K p为糊状区渗透率；f s为固相率。由式(3)可知，随着二次枝晶间距(A：)的增大，渗透率也增大，当无电磁搅拌时，铸坯的二次枝晶间距较大，钢水易在糊状区内形成渗透流动，使偏析加剧。而施加电磁搅拌后，在电磁搅拌作用下，流动的液相对凝固前沿生长的枝晶进行冲蚀洗刷，使得铸坯内的钢水与已凝固枝晶充分接触，溶质混合均匀。同时，钢水内部的温度分布更加均匀，二次枝晶间距减小，渗透率也减小，从而使铸坯成分更为均匀。

3  结  论

    (1)未施加电磁搅拌时，GCr15轴承钢连铸坯的凝固组织以柱状晶为主，中心部位为发达的树枝晶，并存在中心偏析。

    (2)施加电流为250 A，频率为12 Hz的电磁搅拌后，使钢水凝固时由柱状晶转变为等轴晶。同时二冷水流量由2.0 m3／h提高至3.5m3／h时，GCr15轴承钢铸坯中心的等轴晶更加细小。

(3)施加电流为250 A，频率为12 Hz的电磁搅拌后，GCr15轴承钢铸坯凝固的二次枝晶间距变小，C和Cr元素的分布更加均匀。

4摘要采用电磁搅拌法在自制连铸机上制备了GCr15轴承钢钢坯，研究了电磁搅拌与二冷水强度对GCr15轴承钢凝固组织的影响。结果表明，当电流强度为250 A，频率为12 Hz时，钢水凝固前沿的枝晶被折断和熔断。由于液相温度梯度减小，成分过冷度增大，使凝固时的柱状晶转变为等轴晶；当二冷水流量由2．0m3/h提升至3.5m3／h时，铸坯中心组织出现了更加细小的等轴晶；同时电磁搅拌会使连铸坯中的二次枝晶间距变小，C和Cr分布更均匀。