PMO作用對60Si2Mn彈簧鋼凝固組織的影響

朱富強 任振海 陳志亮 徐旋旋 王海洋 李輝成

(常州中天鋼鐵集團有限公司技術中心，江蘇 常州 213011)

彈簧鋼廣泛應用于飛機、火車、汽車等行業，是應用較為廣泛的鋼鐵材料[1]。我國從20世紀50年代開始生產彈簧鋼，其中硅錳彈簧鋼系列產品銷量較高。隨著人們需求提高以及冶金產業持續升級，新型硅錳系列彈簧鋼品種不斷問世，因具有較好的強度、塑性、淬透性、抗疲勞性等綜合力學性能，60Si2Mn彈簧鋼已成為應用較為廣泛的彈簧鋼品種之一[2]。但是由于該鋼種連鑄過程工藝參數較難把控，連鑄坯易出現凝固組織生長對稱性差、中心縮孔嚴重等問題，而連鑄坯的組織遺傳性易將質量缺陷傳遞至軋材甚至最終成品[3]。為了解決中天鋼鐵煉鋼廠生產的60Si2Mn彈簧鋼連鑄坯存在的上述質量問題，采用上海大學先進凝固技術中心研發的脈沖磁致振蕩(pulsed magneto-oscillation，PMO)凝固均質化技術，在二冷區進行處理，以期擴大鑄坯中心等軸晶區，細化凝固組織，消除中心縮孔，提高鑄坯質量。

1 試驗材料與方法

試驗用60Si2Mn彈簧鋼的化學成分如表1 所示。在5流連鑄機組上進行對比試驗，選擇 5流為PMO處理流，開啟PMO，根據對稱性原則，1流為對比流，關閉PMO。在澆注過程中，兩流次拉速一致且均開啟結晶器電磁攪拌(M-EMS)和凝固末端電磁攪拌(F-EMS)。60Si2Mn彈簧鋼的連鑄工藝參數見表2。

表1 60Si2Mn彈簧鋼的化學成分(質量分數)

表2 60Si2Mn彈簧鋼連鑄工藝參數

如圖1所示，PMO試驗裝備由PMO總控系統、控制電源柜、隔離變壓器、整流濾波柜、儲能柜、橋箱及PMO感應線圈組成。PMO均質化處理過程為：主控電腦端輸入總控指令，將指令信號傳輸到控制電源柜，電源柜內的隔離變壓器接收到信號后調整輸出電壓，整流濾波柜進行濾波調整，儲能柜進行能量釋放，PMO線圈感生出脈沖式磁場，對金屬熔體進行均質化處理。通過對金屬連鑄坯的固-液界面前沿的金屬液中施加電磁場，產生“結晶雨”效應，從而細化鑄坯凝固組織，提高鑄坯均質化程度[4-6]。

圖1 PMO裝備總成圖[4]

從對比流及處理流取鑄坯樣，然后沿鑄坯橫截面分別截取6個尺寸為70 mm×30 mm×5 mm的金相試樣，如圖2所示。試樣經磨、拋后，用過飽和苦味酸水溶液腐蝕，腐蝕溫度為70 ℃、腐蝕時間約30 s，待表面呈現枝晶組織形貌后，用溫水去除表面腐蝕液殘留，用光學顯微鏡進行組織觀察與分析。

圖2 金相試樣截取示意圖

2 試驗結果與討論

2.1 連鑄坯內弧側凝固組織

對60Si2Mn彈簧鋼連鑄坯內弧側凝固組織(圖3a)的觀察發現，對比坯柱狀晶生長貫穿整個鑄坯，形成穿晶組織，一次枝晶主干粗大且二次枝晶臂發達。圖3(b)為圖3(a)中1～3處的局部放大圖，對比可見，經過PMO處理后，距離鑄坯表面43 mm處即發生了柱狀晶向等軸晶(columnar to equiaxed transition, CET)的轉變。

連鑄坯柱狀晶發達易造成中心偏析和縮孔傾向性增大，導致材料使用過程中力學性能不均勻并增加出現裂紋的可能性，因此，抑制連鑄坯柱狀晶生長、擴大等軸晶區比例，有利于提高60Si2Mn彈簧鋼的綜合力學性能[7-8]。試驗結果表明：經PMO處理后，鑄坯中等軸晶占比明顯增加。這主要是因為PMO在鑄坯凝固過程的固-液界面產生特定的電磁效應，形成大量游離晶粒，感應電磁力促使鑄坯內形成指向心部的推動力并在鑄坯內部流場形成上下兩個環流，流動作用不僅使鑄坯內溫度分布均勻，加快心部過熱散失，而且有效降低了鑄坯徑向溫度梯度，加之大量游離晶粒的存在，抑制了柱狀晶生長，促進了CET轉變，提高了等軸晶比例[9-10]。

2.2 連鑄坯中心區域凝固組織

如圖4(a)所示，60Si2Mn彈簧鋼對比坯中柱狀晶貫穿徑向截面，鑄坯中心存在縮孔缺陷，通過Image J軟件統計分析后得到縮孔面積達51.5 mm2，對應中心縮孔低倍評級為1.5級。經過PMO處理后，連鑄坯徑向截面中心區域未發現連續生長至心部的一次枝晶主干，而是由球狀等軸晶和樹枝狀等軸晶混合組成，初生相明顯細化，連鑄坯中心縮孔基本消除。

目前，關于連鑄坯中心縮孔缺陷產生有多種解釋理論，其中“小鋼錠”結構理論[11]較為符合本文60Si2Mn彈簧鋼鑄坯出現中心縮孔的過程。由于在金屬凝固過程中發達的柱狀晶生長至鑄坯心部，相互交織形成“搭橋”現象，雖然液固轉變過程會發生體積收縮，但“搭橋”結構阻止液相對中心孔洞的補縮，最終形成凝固中心縮孔[12]。上海大學先進凝固技術中心在純鋁熔體中進行不銹鋼金屬網試驗發現(圖5)，對熔體施加PMO，通過脈沖電磁力的作用，晶核在型壁處脫落，隨后向熔體內部游離，并且不斷增殖，形成“結晶雨”效應及電磁力的雙重作用促使爆發增加的晶核向鑄坯心部游離并堆積，鑄坯中心等軸晶區面積急劇增大，柱狀晶失去生長空間而受到抑制，“搭橋”現象消除，中心縮孔也隨之消失[13]。

圖5 橫向放置不銹鋼網后的凝固組織[4]

脈沖感應電流在鑄坯中產生的焦耳熱和脈沖動量也會熔斷二次枝晶，使之成為結晶核心，在洛侖茲力推動下，新生晶核及熔斷的枝晶臂向鑄坯心部游離，因此PMO處理坯心部呈現球狀等軸晶和樹枝狀等軸晶共存的凝固組織形貌。

2.3 連鑄坯外弧側凝固組織

如圖6(a)所示，距離對比坯外弧側表面約56 mm處，一部分枝晶發生熔斷或破碎，另一部分枝晶仍保持原有生長方向，而PMO處理坯在相同區域已經完成從柱狀晶向等軸晶的轉變。從圖6(b)可以發現，對比坯二次枝晶較發達，且沿M-EMS攪拌方向側的二次枝晶臂長度遠大于另一側。在EMS電磁力推動下，一次枝晶生長方向偏轉了30°，而PMO處理坯一次枝晶主干僅偏轉了約9°，基本垂直于鑄坯表面向鑄坯中心生長。

通過測量統計得到：圖6(a)中處理坯外弧側11和12兩個視場內二次枝晶臂間距分別為216和187 μm，而對比坯相同部位的二次枝晶臂間距分別為318和208 μm，遠大于PMO處理坯。

在EMS產生的電磁力作用下，一次枝晶沒有完全被熔斷或打斷。而PMO在固-液界面處形成的電磁效應在該區域產生了磁致過冷，從而增大了形核率，且內弧側大量晶核在PMO電磁力及晶核自重作用下，不斷向外弧側堆積。當柱狀晶在靜態熔體中生長時，通常一次枝晶干兩側具有對稱的溶質和溫度分布，因此同一枝干上二次枝晶臂呈對稱生長。而EMS旋轉流場造成熔體內部發生流動時，迎流側的溶質會被推走，使得迎流側擴散層變薄，連續不斷的擾動導致固-液界面不穩定，從而出現迎流側二次枝晶生長快于背流側二次枝晶，形成了穗狀晶的特殊凝固組織[14]，而初生相非對稱生長往往伴隨著溶質分布不均勻[7,15-16]。施加PMO后，產生了垂直于拉坯方向、指向鑄坯心部的電磁干擾，對二次枝晶臂形成剪切力，又由于焦耳熱的存在，二次枝晶很容易被熔斷，推向鑄坯心部。而一次枝晶干周圍均勻的溫度場，促使枝晶主干上的二次枝晶再次對稱生長。

滲透率描述了糊狀區內固、液相之間的摩擦、固相分率和微觀結構形態之間的函數關系。二次枝晶臂間距是影響滲透率的主要微觀參數，二次枝晶臂間距越大，滲透率越高，鑄坯中心偏析越嚴重，所以減小二次枝晶臂間距可顯著提高鑄坯元素分布的均勻性[17]。枝晶尖端的成分和溫度擾動促使二次枝晶形成并發展，二次枝晶臂間距隨著鑄坯凝固時間的變化而變化，在一次枝晶迎熱流向鑄坯心部生長的過程中，二次枝晶臂間距逐漸增大，組織致密度下降，而快速凝固或者減小溫度梯度可以提高熔體凝固組織致密度。當中間包過熱度不能有效降低時，加快鑄坯心部過熱散失是優化凝固組織結構的有效措施[2,18]。PMO雙環流場促使鑄坯內部溫度分布均勻，可減小鑄坯邊部至心部的溫度梯度，從而減小二次枝晶間距，降低滲透率，有利于鑄坯元素均勻分布。

熔體流動時柱狀晶生長方向會發生偏轉，出現迎流生長的現象，這是EMS電磁力引起的熔體流動所致[19]，與本文60Si2Mn鋼鑄坯一次枝晶的生長形貌相吻合。但這種組織形貌可能會引起枝晶相互交錯、疊加，造成局部區域溶質富集，產生微觀偏析。經過PMO處理的鑄坯枝晶主干基本不發生偏轉，這是因為PMO引起的電磁推力方向指向鑄坯心部，在PMO處理過程中對EMS的旋轉流場形成干擾[9]，故鑄坯徑向的一次枝晶向鑄坯心部生長。

3 結論

(1)經PMO處理的60Si2Mn彈簧鋼鑄坯內外弧側均提前發生了CET轉變。

(2)經過PMO處理后，鑄坯中心區域的凝固組織由球狀等軸晶和樹枝狀等軸晶組成，中心縮孔基本消除，凝固組織明顯優化。

(3)PMO處理坯的一次枝晶向鑄坯心部生長，生長方向基本不發生偏轉，且主干的二次枝晶呈對稱生長。