PMO對連鑄GCr15軸承鋼枝晶生長的影響

張伶玲 石 昊 徐 衡 仲紅剛 翟啟杰

(上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

由于選分結(jié)晶及強(qiáng)制冷卻，連鑄坯凝固過程中極易形成嚴(yán)重的宏觀偏析、縮孔疏松等缺陷，影響其后續(xù)加工和使用。因均質(zhì)化效果顯著、工藝容偏度高和能耗低等特點(diǎn)，脈沖磁致振蕩[1](pulsed magneto-oscillation，簡稱PMO)已成為新一代理想的鑄坯均質(zhì)化技術(shù)。經(jīng)過十余年的發(fā)展，PMO已經(jīng)成功地應(yīng)用于連鑄生產(chǎn)，并在模鑄試驗(yàn)中取得了理想效果[2]。連鑄工業(yè)應(yīng)用表明，PMO技術(shù)對GCr15軸承鋼[3-4]、20CrMnTi齒輪鋼[5]等多個鋼種的凝固組織均有顯著的細(xì)化和均質(zhì)化效果，有效減少了鑄坯中心偏析和縮孔。

在PMO的工業(yè)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)處理功率較大時，鑄坯局部區(qū)域的枝晶形態(tài)發(fā)生變化，該區(qū)域位于PMO處理時的固/液界面附近，因此將其定義為PMO處理區(qū)。廖希亮等[6]利用定向凝固技術(shù)研究了脈沖電流對Al-4.5%Cu(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)合金晶體生長的影響，發(fā)現(xiàn)脈沖電流電傳輸及引起的對流，使界面前沿液相中的溶質(zhì)濃度降低，溶質(zhì)聚集層厚度減小，并且隨脈沖電流的增加，固/液界面前沿液相中的溶質(zhì)濃度單調(diào)遞減，溶質(zhì)有效分配系數(shù)降低。常國威等[7-9]通過對定向凝固過程中電流作用的實(shí)踐和理論探討，認(rèn)為電流通過提高固/液界面能、增大固/液兩相產(chǎn)生的焦耳熱差值提高溫度梯度，從而促進(jìn)了固/液界面形態(tài)穩(wěn)定性。龔永勇[10]通過脈沖磁致振蕩下Al-4.5%Cu合金定向凝固試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)脈沖磁致振蕩處理頻率不變時，隨著電流峰值的增加，一次枝晶間距減小，固/液界面穩(wěn)定性的變化趨勢為穩(wěn)定→不穩(wěn)定→穩(wěn)定；當(dāng)電流峰值不變時，隨著處理頻率的增大，脈沖磁致振蕩對晶體生長的干擾進(jìn)一步增加，一次枝晶間距增大，固/液界面的穩(wěn)定性隨之下降，并最終導(dǎo)致二次枝晶大量出現(xiàn)。以上研究表明，電流的施加使固/液界面前沿溶質(zhì)、溫度分布發(fā)生變化，進(jìn)而干擾枝晶的生長，而PMO處理對鑄坯固/液界面前沿枝晶的影響還有待探究。

本文結(jié)合試驗(yàn)和理論分析，以PMO處理的GCr15軸承鋼連鑄坯為研究對象，通過對PMO處理區(qū)的枝晶形貌和微觀偏析進(jìn)行觀測，探究了PMO對該區(qū)域枝晶生長過程的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為GCr15軸承鋼，化學(xué)成分如表1。在某鋼廠的矩形坯連鑄機(jī)進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，弧形連鑄機(jī)為五機(jī)五流，圓弧半徑10 m，結(jié)晶器有效長度為800 mm。PMO線圈安裝在足輥下方，PMO處理參數(shù)見表2。

表1 GCr15軸承鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 主要PMO處理工藝參數(shù)

為進(jìn)行對比，分別在同一爐次對稱位置的一流和五流取PMO處理坯和對比坯。鑄坯橫截面尺寸為260 mm×220 mm。凝固組織檢驗(yàn)包括熱酸浸和枝晶腐蝕，采用熱酸浸蝕法得到低倍組織，用單反照相機(jī)拍攝。如圖1所示，利用線切割切取橫截面上PMO處理區(qū)，試樣尺寸為73.3 mm×30 mm×2 mm，經(jīng)打磨、拋光和飽和苦味酸溶液腐蝕后，在金相顯微鏡上觀察并拍攝枝晶形貌。利用圖像分析軟件對枝晶尺寸和初生相比例進(jìn)行統(tǒng)計。一次枝晶臂間距的測量方法如圖2(a)所示，3根平行度較好的一次枝晶為一組，沿垂直于一次枝晶主干的方向測量距離，該距離除以2則為每組的一次枝晶臂間距，每區(qū)域測20組取平均值作為該區(qū)域的一次枝晶臂間距。二次枝晶臂間距的測量采用如圖2(b)所示方法，以5根平行度較好的二次枝晶為一組，沿平行于一次枝晶主干的方向測量距離，該距離除以4則為每組的二次枝晶臂間距，每區(qū)域測20組取平均值作為該區(qū)域的二次枝晶臂間距。為檢測微觀偏析，采用島津EPMA8050G場發(fā)射電子探針對PMO處理區(qū)進(jìn)行成分面掃描分析，步距為50 μm。

圖1 枝晶檢測取樣示意圖

圖2 一次和二次枝晶臂間距測量示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3組PMO處理坯和對比坯的低倍照片如圖3所示，其中a、c、e分別為T1、T2、T3同一爐次所取對比坯C1、C2、C3。

2.1 微觀偏析

鋼連鑄過程中，由于溶質(zhì)元素在固/液兩相區(qū)內(nèi)不同相內(nèi)的熱力學(xué)平衡溶解度不同，枝晶間溶質(zhì)元素將重新分配，溶質(zhì)分配系數(shù)k<1的元素不斷被排出到液相。由于元素的擴(kuò)散速率小于枝晶生長速率，元素得不到充分?jǐn)U散，因此隨著凝固的持續(xù)進(jìn)行，大量溶質(zhì)元素富集在枝晶尖端及枝晶臂間形成微觀偏析。

圖4(a、b)為PMO處理坯和對比坯的枝晶形貌。可以發(fā)現(xiàn)，與對比坯的相同位置比較，PMO處理區(qū)的枝晶更為致密，側(cè)向分支更發(fā)達(dá)。圖4(c、d)為兩種鑄坯內(nèi)的碳元素分布，可見溶質(zhì)元素主要富集在枝晶間隙。由于PMO處理區(qū)的枝晶較為致密，間隙較小，因此其碳元素富集區(qū)域面積較小。電子探針分析發(fā)現(xiàn)，PMO使枝晶間碳元素富集程度也有所減輕。對該區(qū)域進(jìn)行定量分析，結(jié)果如表3所示。可見經(jīng)PMO處理后，該區(qū)域碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的極大值由4.81%降低到2.99%，極小值由0.53%升高至0.59%，碳偏析方差顯著減小，由0.59降至0.3，即枝晶間碳元素的富集程度明顯減輕。趙靜等[11]結(jié)合數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)PMO處理在熔體中產(chǎn)生感應(yīng)磁場和電磁力，對固/液界面前沿一定范圍內(nèi)的熔體產(chǎn)生脈沖式的振蕩作用。因此PMO的施加促進(jìn)了熔體內(nèi)部的對流，且枝晶間隙的振蕩加速了富集溶質(zhì)的擴(kuò)散，使枝晶間溶質(zhì)的富集程度減輕。

圖3 GCr15軸承鋼鑄坯橫斷面的低倍形貌

圖4 PMO處理坯和對比坯的枝晶形貌及微觀碳偏析

表3 碳元素微觀偏析的定量分析結(jié)果

2.2 枝晶生長形態(tài)

2.2.1 一次枝晶臂間距

圖5為GCr15軸承鋼P(yáng)MO處理坯和對比坯的枝晶形貌。為便于研究，對該區(qū)域進(jìn)行劃分，將從外弧側(cè)至心部5個相鄰區(qū)域分別編號為A、B、C、D、E，C區(qū)即PMO處理區(qū)。與對比坯及相鄰區(qū)域相比，PMO處理區(qū)的組織更為致密。統(tǒng)計B、C、D區(qū)初生相的面積比例，結(jié)果如圖6(a)所示，發(fā)現(xiàn)沿鑄坯表層至心部，對比坯中初生相的面積比例逐漸減小，而PMO處理坯C區(qū)初生相的比例明顯高于B和D區(qū)。圖6(b)為PMO處理區(qū)中初生相比例的變化率，可見，T2處理坯C區(qū)相對于B區(qū)中初生相比例增長率由-5.52%變?yōu)?.55%，T2、T1處理坯內(nèi)外弧C區(qū)的初生相比例增長率均為正值，初生相比例明顯增加。熱酸腐蝕后，初生相呈淺灰色，因此PMO處理區(qū)初生相比例的明顯增加導(dǎo)致低倍宏觀組織中處理區(qū)的顏色淺于其兩側(cè)區(qū)域。

為進(jìn)一步探究PMO對枝晶生長的影響，對該區(qū)域枝晶形態(tài)的演變進(jìn)行了觀察。凝固過程中，晶體的生長方式主要受固/液界面前沿溫度梯度的影響，A、B區(qū)靠近表面激冷層，垂直于拉坯方向散熱最快，因而晶體平行于熱流方向擇優(yōu)生長形成了柱狀晶。對比坯A、B、C區(qū)均為生長方向較為一致的柱狀晶，而處理坯C區(qū)的一次枝晶生長方向發(fā)生了明顯的改變(見圖7中C區(qū)箭頭方向變化)。由于枝晶生長方向主要受熱流的影響，分析認(rèn)為PMO在鑄坯內(nèi)感生的洛倫茲力作用促進(jìn)了熔體對流，固/液界面附近的溫度分布趨于均勻，垂直于拉坯方向的溫度梯度減小，而振蕩效應(yīng)導(dǎo)致枝晶間也形成了微小流動，因此枝晶的生長方向發(fā)生改變。

一次枝晶臂間距能夠反映微觀凝固組織的細(xì)化程度。眾多學(xué)者[12-13]建立了一次枝晶間距與金屬性質(zhì)及外部凝固條件相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，認(rèn)為一次枝晶間距與鋼種、凝固前沿液相區(qū)溫度梯度(G)和凝固速率(V)有關(guān)：

λ1=N·G-m·V-n

(1)

式中：N為與合金成分、枝晶尖端參數(shù)相關(guān)的常數(shù)，m、n通常分別取1/2和1/4。

圖5 PMO處理坯和對比坯的枝晶形貌

圖6 PMO處理坯和對比坯中初生相的面積比例及其變化率

圖8為PMO處理坯和對比坯中不同區(qū)域的一次枝晶間距?？梢姀呐鳉み吘壪蛑行难由欤淮沃П坶g距均逐漸增大。這是由于冷卻速度降低，溫度梯度減小，枝晶尖端的曲率半徑增大導(dǎo)致的。此外，PMO處理對C區(qū)一次枝晶間距的影響較小，T2處理坯C區(qū)比對比坯減小了2.17%，T3處理坯C區(qū)比對比坯減小了6.77%，T1處理坯C區(qū)比對比坯減小了5.14%。分析認(rèn)為，PMO引起的對流使熔體內(nèi)溫度分布更為均勻，固/液界面溫度梯度增加，從而使一次枝晶間距減小。有研究[14]表明，一次枝晶間距隨碳含量的增加而增大，因此PMO處理區(qū)一次枝晶間距的變化也可能受該區(qū)域碳元素的輕微負(fù)偏析的影響。

圖7 PMO處理坯中枝晶形態(tài)的演變

2.2.2 二次枝晶臂間距

二次枝晶是由于枝晶尖端存在擾動，且易受熟化過程的影響而產(chǎn)生的，因此與一次枝晶間距不同，二次枝晶間距會隨局部凝固時間而改變。二次臂間距與局部凝固時間的關(guān)系一般為[15-17]：

λ2=μ01/3·tf1/3

(2)

式中μ0為常數(shù)，不同模型的μ0表達(dá)式不同。

圖9(a)統(tǒng)計了PMO處理坯和對比坯中不同區(qū)域的二次枝晶臂間距。可見二次枝晶臂間距從鑄坯表面到中心整體呈增大的趨勢，T2和T3處理坯中C區(qū)大于B、D區(qū)。T2處理坯C區(qū)比B、D區(qū)分別增加了38.44%和9.38%，T3處理坯C區(qū)比B、D區(qū)分別增加了13.97%和6.12%。T2處理區(qū)的二次枝晶臂間距由157 μm增大到182 μm，T3處理區(qū)的二次枝晶臂間距由235 μm增大到269 μm，T1處理區(qū)的二次臂間距無明顯變化。

由于金屬凝固前后的電導(dǎo)率有較大變化，固體的電導(dǎo)率比液體的電導(dǎo)率大，因此施加PMO后液相中產(chǎn)生的焦耳熱大于固相中的焦耳熱[18]，造成固/液界面前沿液相區(qū)的溫度梯度增大，局部凝固時間延長，枝晶生長速度減慢。根據(jù)式(2)，二次臂間距隨局部凝固時間延長而增大，因此PMO引起的焦耳熱效應(yīng)會使二次枝晶臂間距增大。施加于T3處理坯的PMO峰值電流最大，焦耳熱效應(yīng)較顯著，因此其二次臂間距的變化最大。

觀察圖5中枝晶形貌，發(fā)現(xiàn)PMO處理坯C區(qū)的枝晶易出現(xiàn)主干兩側(cè)非對稱生長，不僅形成了發(fā)達(dá)的二次枝晶，局部還有三次枝晶。

圖9(b～d)分別為PMO處理坯和對比坯不同區(qū)二次枝晶臂的寬度、長度和寬長比的統(tǒng)計結(jié)果?？梢姀蔫T坯表面到中心，二次臂寬度的變化趨勢與二次臂間距基本一致，其中PMO處理坯C區(qū)的二次臂寬度和長度比B、D區(qū)以及對比坯C區(qū)的明顯增加。T2處理坯C區(qū)的二次臂長度447 μm，相比B區(qū)增加了46%；T1處理坯C區(qū)的二次臂長度539 μm，相比B區(qū)增加了33.6%；而T3處理坯C區(qū)的二次臂長度達(dá)800 μm，相較B區(qū)增加了76%。PMO處理坯C區(qū)的二次臂寬長比急劇下降，說明二次臂較發(fā)達(dá)。二次臂的生長對一次枝晶間距有調(diào)控作用，PMO處理后的一次枝晶平均間距減小，二次臂平均長度反而增大，這是因?yàn)樘幚韰^(qū)枝晶非對稱生長的情況較多，發(fā)達(dá)的二次枝晶臂使二次臂平均長度顯著增加。

溶質(zhì)的分布不均是造成枝晶非對稱生長的主要原因[19]。PMO處理促進(jìn)界面前沿液相流動，引發(fā)溫度及溶質(zhì)分布的變化，使得部分非擇優(yōu)生長的枝晶得到保留，枝晶主干出現(xiàn)匯聚、發(fā)散生長。如圖10所示，Ⅱ?yàn)榉菗駜?yōu)生長枝晶，Ⅰ和Ⅲ均為擇優(yōu)生長枝晶。PMO作用導(dǎo)致糊狀區(qū)內(nèi)富集溶質(zhì)在電磁力作用下加速擴(kuò)散。而由于非擇優(yōu)生長枝晶的存在，枝晶間相互成一定夾角生長，Ⅰ和Ⅱ間空間較窄，富集溶質(zhì)較難擴(kuò)散，枝晶間存在一定程度的溶質(zhì)富集，故枝晶生長受到抑制。但Ⅱ和Ⅲ間空間較大，在電磁力作用下枝晶間溶質(zhì)富集減弱，界面前沿成分過冷度增大，促進(jìn)了三次分支的生長，以及枝晶主干兩側(cè)的不對稱生長。

圖9 二次枝晶臂的特征尺寸

圖10 枝晶匯聚、發(fā)散生長示意圖[20-21]

造成二次臂形貌變化的主要原因包括界面穩(wěn)定性、凝固速度及溶質(zhì)分布。上文提及PMO作用引發(fā)的焦耳熱效應(yīng)，使枝晶局部凝固時間延長，進(jìn)而導(dǎo)致了二次臂的粗化。龔永勇[18]通過對Al-4.5%Cu合金施加不同強(qiáng)度和頻率的脈沖磁致振蕩，發(fā)現(xiàn)脈沖磁致振蕩會對固/液界面的形態(tài)和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，隨著PMO電流峰值和處理頻率的增大，其對枝晶生長的擾動逐步增大，界面穩(wěn)定性隨之下降，導(dǎo)致二次枝晶的大量出現(xiàn)。因此，可以推斷PMO作用使熔體內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)制對流，導(dǎo)致固/液界面前沿的溶質(zhì)富集減輕、成分過冷度增大，進(jìn)而促進(jìn)二次枝晶的生長。

3 結(jié)論

(1)PMO處理加快了枝晶間溶質(zhì)的擴(kuò)散速率，使枝晶間碳元素的富集程度減輕，微觀偏析得到改善。

(2)PMO處理影響了一次枝晶的生長。PMO作用產(chǎn)生的強(qiáng)制對流使液相溫度分布均勻，界面溫度梯度增大，故一次枝晶間距減小。由于垂直于拉坯方向的液相溫度梯度減小及微區(qū)的磁致振蕩效應(yīng)，柱狀枝晶的生長方向發(fā)生改變，一次枝晶主干平行度減弱。

(3)PMO的施加使二次枝晶臂間距增大、二次枝晶更細(xì)長致密，并加劇枝晶的非對稱生長，局部還出現(xiàn)三次分支。這是由于PMO使凝固前沿溫度場、溶質(zhì)場出現(xiàn)擾動，焦耳熱效應(yīng)是二次臂間距增大的主要原因，而枝晶前沿溶質(zhì)富集程度的減弱促進(jìn)了枝晶臂生長。此外，一次枝晶主干生長方向的改變，干擾了枝晶間富集溶質(zhì)的擴(kuò)散，進(jìn)而造成枝晶的非對稱生長。