PMO對定向凝固GCr15軸承鋼枝晶臂間距的影響

李 濤 李莉娟 李開創 鄒富康 羅坤坤 翟啟杰

(上海大學 先進凝固技術中心,上海 200444)

GCr15鋼作為高碳鉻軸承鋼的代表鋼種,被廣泛應用于機械、航天等工業領域。軸承工作環境復雜,需要承受不同的交變應力,因此需要具有良好的強韌性以及耐磨性等綜合性能。隨著工業科技的不斷發展,對軸承鋼性能的要求也越來越嚴格,為提升軸承鋼品質,對凝固組織的控制顯得尤為重要。近年來,在金屬凝固過程中施加物理場調控凝固組織已成為研究熱點,如超聲波[1-4]、脈沖電流[5-6]、脈沖磁場[7-10]等,研究表明,物理外場可細化金屬凝固組織,改善偏析。在眾多物理外場中,脈沖磁致振蕩(PMO)技術[11]目前已成功商業應用。

PMO作為一種新型電磁場技術,是將脈沖電流導入感應線圈,在鑄坯固-液界面附近形成特定的脈沖電磁效應,通過電致過冷和磁致過冷共同作用促進固-液界面前沿金屬液形核并形成“結晶雨”,從而達到細化凝固組織、改善宏觀偏析的目的[12-15]。Zhang等[16]發現,在30Cr2NiMoV鋼凝固過程中施加液面脈沖磁致振蕩能顯著提高等軸晶率,細化二次枝晶臂間距。龔永勇[17]在研究PMO對鋁銅合金定向凝固組織的影響時發現,脈沖磁致振蕩會減小柱狀晶一次枝晶臂間距,當頻率為2kfHz時,隨著電流峰值的增大,柱狀晶間距先減小后增大;當峰值電流為40kiA時,處理頻率增加會加強對晶體生長的干擾,一次枝晶臂間距增大,二次枝晶增多。張伶玲等[18]研究發現,PMO處理后連鑄GCr15軸承鋼的一次枝晶臂間距減小,二次枝晶臂間距增大。綜上,PMO會對金屬凝固過程中枝晶生長產生擾動,從而改變鑄坯的枝晶間距。但在不同條件下PMO對枝晶間距的影響不盡相同,且關于PMO峰值電流和頻率對軸承鋼定向凝固組織的影響尚缺乏規律性的認識。本文研究了不同抽拉速率下PMO峰值電流和頻率對定向凝固GCr15軸承鋼枝晶臂間距的影響,并分析其作用機制。

1 試驗材料與方法

試驗材料為GCr15軸承鋼,其化學成分如表1所示,試樣尺寸為φ7.5 mm×180 mm。試驗裝置由熔煉真空腔、頂部送料系統、底部引晶快淬系統、真空系統、控制系統組成,其內部結構如圖1所示。該裝置可實現PMO作用下的定向凝固,抽拉速率為4 ～5 000 μm/s。

圖1 PMO定向凝固試驗裝置內部結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the internal structure of PMO directed solidification experimental device

表1 GCr15軸承鋼的化學成分Table 1 Chemical composition of the GCr15 bearing steel

將試樣置于φ8 mm×300 mm剛玉管中,剛玉管固定在引晶桿上。經過3次洗氣以保持試驗在無氧或低氧環境下進行,加熱至1 430 ℃(控溫熱電偶溫度)保溫30 min,獲得熔體內穩定的溫度場,然后按設定的PMO參數(峰值電流和頻率中ki與kf為電源的設備系數)及抽拉速率進行定向凝固試驗,具體參數如表2所示。最后將熱電偶埋入試樣,以30 μm/s的速度從熱區向冷區移動獲得爐內溫度分布,然后通過數學模型擬合方法得到固-液界面前沿的溫度梯度。

表2 定向凝固試驗工藝參數Table 2 Technology parameters of directional solidification experiment

將定向凝固試樣沿縱向截取糊狀區,制成金相試樣,并用三硝基甲苯酚飽和水溶液腐蝕,對固-液界面附近的一次、二次枝晶臂間距進行統計,統計方法如圖2所示。

2 試驗結果與分析

2.1 溫度梯度

對于導熱性好且截面細小的鋼類鑄件,在加入隔熱層后徑向的熱流傳熱可大大減少[19],此時便可用穩態下的一維方程來描述鑄件中的傳熱:

(1)

表3 鋼液中溫度擬合結果Table 3 Temperature fitting results in the molten steel

表4 鋼液中溫度梯度Table 4 Temperature gradients in the molten steel

由表4可知,經過PMO處理的固-液界面前沿液相中的溫度梯度均有所提高。這是由于金屬固相和液相存在電導率差異,產生焦耳熱[20],導致固-液界面前沿溫度梯度增大,而且PMO改變熔體對流,也會對溫度梯度產生影響[21]。當峰值電流為150kiA時,電磁力較小,抑制了自然對流,導致溫度分布不均勻,液相溫度梯度增大;但當PMO峰值電流增加到350kiA時,熔體對流增強,溫度梯度相較于150kiA時降低了19 ℃/cm。同時對流使得高溫熔體流向固-液界面前沿,提高了固-液界面附近液相的溫度,使溫度梯度比0kiA時高14 ℃/cm。

2.2 PMO峰值電流對枝晶臂間距的影響

圖3為抽拉速率為100 μm/s、頻率為240kfHz時,不同PMO峰值電流下GCr15軸承鋼的定向凝固組織。由圖3可知,當峰值電流為350kiA時,枝晶明顯細化。枝晶臂間距隨脈沖電流峰值的變化如圖4所示。通過對比分析可知,隨著PMO峰值電流的增加,一、二次枝晶臂間距都先增大后減小。當PMO峰值電流為150kiA時,一、二次枝晶臂間距分別增加了3.13%和8.88%;當PMO峰值電流為250kiA時,一、二次枝晶臂間距分別增加了4.96%和13.22%。但是當峰值電流增加至350kiA時,枝晶臂間距顯著減小,一次枝晶臂間距減小了16.37%,二次枝晶臂間距減小了17.03%。

圖3 不同峰值電流下GCr15軸承鋼的定向凝固組織Fig.3 Directionally solidified structures of GCr15 bearing steel at different peak currents

圖4 不同峰值電流下GCr15軸承鋼的枝晶臂間距Fig.4 Dendrite arm spacings of GCr15 bearing steel at different peak currents

圖5為抽拉速率為100 μm/s、峰值電流為350kiA時,不同PMO頻率下的固-液界面定向凝固組織。由圖5可知,不同頻率下的GCr15軸承鋼定向凝固組織均得到了細化。觀察圖6可以發現,隨著PMO頻率的增加,一次枝晶臂間距先減小后增大,二次枝晶臂間距逐漸增大。當頻率為240kfHz時,一次枝晶臂間距最小,且其二次枝晶臂間距與頻率為90kfHz時的10.94 μm相比僅增加了0.36 μm,為11.30 μm。PMO作用使固-液界面前沿的溫度場、溶質場出現擾動,并且隨著PMO頻率的增加,強制對流逐步增強,固/液界面的熱流散失加快,溫度梯度減小,枝晶臂間距增大。但由于受到焦耳熱的影響,溫度梯度始終大于未施加PMO處理時的溫度梯度,因此PMO處理后枝晶臂間距相對未處理試樣都有所減小。

圖5 不同頻率下GCr15軸承鋼的定向凝固組織Fig.5 Directionally solidified structures of GCr15 bearing steel at different frequencies

圖6 不同頻率下GCr15軸承鋼的枝晶臂間距Fig.6 Dendrite arm spacing of GCr15 bearing steel at different frequencies

2.4 不同抽拉速率下PMO對枝晶臂間距的影響

圖7是PMO峰值電流為350kiA、頻率為240kfHz、不同抽拉速率下GCr15軸承鋼定向凝固組織。由圖7可知,隨著抽拉速率的增加,枝晶逐漸變得細小,在抽拉速率為50 μm/s時,界面處具有較發達的二次枝晶。由表5可知,試驗中抽拉速率與冷卻速率成正比,抽拉速率越高,冷卻速率越大,糊狀區長度減小,局部凝固時間縮短,熱量來不及擴散,二次枝晶生長受到抑制,因此二次枝晶臂間距減小。

圖7 不同抽拉速率下GCr15軸承鋼定向凝固組織Fig.7 Directionally solidified structures of GCr15 bearing steel under different pulling rates

表5 不同拉速下固-液界面前沿枝晶臂間距Table 5 Dendrite arm spacings at the solid-liquid interface front under different pulling rates

由圖8可知,當抽拉速率低于200 μm/s時,在PMO作用下,一次和二次枝晶臂間距都明顯減小,且抽拉速率越低,減小的幅度越大。當抽拉速率為50 μm/s時,一次枝晶臂間距從未處理的262.72 μm減小到處理后的152.18 μm,減小幅度達42.08%;二次枝晶臂間距從未處理的27.67 μm減小到處理后的14.25 μm,減小幅度達48.50%。當抽拉速率提高至100 μm/s時,一次枝晶臂間距從未處理的89.06 μm減小到處理后的74.48 μm,減小幅度為16.37%; 二次枝晶臂間距從未處理的13.62 μm減小到處理后的11.30 μm,減小幅度為17.03%。當抽拉速率為200 μm/s時,一次枝晶臂間距從未處理的80.00 μm減小到處理后的79.61 μm,僅減小了0.49%;二次枝晶臂間距從未處理的10.17 μm增大到處理后的10.86 μm,增加幅度為6.78%。

圖8 不同拉速下GCr15軸承鋼的枝晶臂間距Fig.8 Dendrite arm spacings of GCr15 bearing steel at different pulling speeds

綜上所述,在低抽拉速率下,PMO對枝晶的細化作用更顯著。當抽拉速率為200 μm/s時,在PMO(350kiA、240kfHz)作用下,二次枝晶臂間距略微增大。這可能是由于抽拉速率較大時,熔體流動增強,減小了溶質邊界層的厚度并促進溶質從界面轉移,從而消除了枝晶生長障礙,導致二次枝晶臂間距增大[22-23]。

根據Kurz等[24]的研究可知,在定向凝固過程中,冷卻速率越大,固-液界面散熱能力越強,枝晶越細小。凝固組織一次枝晶臂間距λ1與溫度梯度G和抽拉速率V的關系為:

(2)

式中:ΔT0、D、Γ、k都是與材料相關的系數。

由于GCr15軸承鋼為高碳鋼,其二次枝晶臂間距λ2可表示為[25]:

λ2=12.22(tf)0.48

(3)

式中:tf為局部凝固時間。tf與冷卻速率CR的關系為:

(4)

式中:TL、TS分別為固、液相線溫度。

由式(2)～(4)可知,凝固過程中冷卻速率越大,枝晶臂間距越小。由2.1節的溫度梯度結果可知,當固-液界面前沿溫度梯度不變時,一次枝晶臂間距取決于抽拉速率,抽拉速率度越大,枝晶間距越小[26];在相同抽拉速率下,PMO會使固-液界面前沿的溫度梯度升高,冷卻速率增大,一次枝晶臂間距減小,二次枝晶的生長空間減小,局部凝固時間縮短,因此二次枝晶臂間距也減小。但由圖4可知,當PMO峰值電流為150和250kiA時,平均一、二次枝晶臂間距反而增大,說明PMO作用下枝晶的生長除了受溫度梯度的影響外,還受其他因素的影響。通過對比枝晶形貌(圖9)發現,在峰值電流為0kiA時,枝晶出現匯聚型競爭生長,非擇優取向枝晶(晶粒B)生長角度為-35.2°(負值代表匯聚型競爭生長),晶粒A與晶粒B之間的溶質富集嚴重,枝晶生長受到抑制,這使得擇優枝晶(晶粒A)與非擇優枝晶(晶粒B)的平均一次枝晶臂間距小于穩態下擇優枝晶的一次枝晶臂間距;峰值電流為150kiA時,一次枝晶臂交叉嚴重,這也使平均一次枝晶臂間距增大,因此二次枝晶生長空間變大,二次枝晶臂間距增大;峰值電流為250kiA時,枝晶出現發散雙晶競爭生長,非擇優取向枝晶(晶粒D)生長角度為16.7°,晶粒C與晶粒B的空間較大,在PMO電磁力的作用下,溶質富集減輕,固-液界面前沿成分過冷度增大。由Gandin等[27]提出的發散枝晶取向與一次枝晶臂間距的關系模型可知,平均一次枝晶臂間距大于在穩態下擇優枝晶的枝晶臂間距。由于競爭生長的枝晶取向偏離溫度梯度方向,二次枝晶臂的生長方向與溫度梯度方向夾角減小,二次枝晶生長優勢增大,二次枝晶臂間距增大[28];峰值電流為350kiA時,枝晶競爭生長消失,枝晶取向一致,由于溫度梯度的升高,組織更致密。

有研究[29-30]表明,在一定的溫度梯度和抽拉速率下,柱狀晶的一次枝晶臂間距存在一個穩定區間[λmin-λmax]。當λ1<λmin時,會由于相鄰枝晶臂之間強烈的溶質相互作用,出現枝晶的競爭生長,此時通過湮滅機制,一次枝晶臂間距會增大至穩定區間內;當λ1>λmax時,枝晶間溶質富集較輕,過冷度大,有利于通過側向分叉機制減小一次枝晶臂間距。如圖9(a)所示,峰值電流為0kiA時,由于溫度梯度較小導致λ1較大,超出穩定區間,因此發生匯聚型競爭生長;峰值電流為250kiA時,固-液界面前沿溫度梯度最大,因此導致λ1<λmin,發生發散型競爭生長,使得枝晶臂間距增大。

因此可以推斷,抽拉速率不變時,PMO導致固-液界面前沿溫度梯度增大,冷卻速率增大,使一次枝晶臂間距減小,這在空間上對二次枝晶生長起到了抑制作用,并且界面溫度梯度的增大還會造成局部凝固時間的縮短,因此二次枝晶臂間距也隨之減小。

3 結論

(1)PMO對GCr15軸承鋼定向凝固組織有顯著影響。當PMO頻率不變時,隨著峰值電流的增加,一、二次枝晶臂間距先增大后減小,當PMO峰值電流為350kiA時,一、二次枝晶臂間距最小。當PMO峰值電流為350kiA時,隨著頻率從90、240、390kfHz依次增大,GCr15軸承鋼的一、二次枝晶臂間距都呈先減小后增大的趨勢。

(2)在低于200 μm/s的抽拉速率下施加PMO后,GCr15軸承鋼的凝固組織得到不同程度的細化,且抽拉速率越低,PMO細化效果越顯著。

(3)PMO處理后在焦耳熱和強制對流的影響下,固-液界面前沿溫度梯度增大,一次枝晶臂間距減小;一次枝晶臂間距的減小使二次枝晶的生長空間受限,再加上局部凝固時間縮短,使二次枝晶臂間距也隨之減小。但當PMO對凝固前沿的溶質場產生擾動時,會造成枝晶的非對稱生長,這可能導致枝晶臂間距增大。