PMO作用對(duì)60Si2Mn彈簧鋼凝固組織的影響

朱富強(qiáng) 任振海 陳志亮 徐旋旋 王海洋 李輝成

(常州中天鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，江蘇 常州 213011)

彈簧鋼廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、火車、汽車等行業(yè)，是應(yīng)用較為廣泛的鋼鐵材料[1]。我國從20世紀(jì)50年代開始生產(chǎn)彈簧鋼，其中硅錳彈簧鋼系列產(chǎn)品銷量較高。隨著人們需求提高以及冶金產(chǎn)業(yè)持續(xù)升級(jí)，新型硅錳系列彈簧鋼品種不斷問世，因具有較好的強(qiáng)度、塑性、淬透性、抗疲勞性等綜合力學(xué)性能，60Si2Mn彈簧鋼已成為應(yīng)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(shù)較難把控，連鑄坯易出現(xiàn)凝固組織生長對(duì)稱性差、中心縮孔嚴(yán)重等問題，而連鑄坯的組織遺傳性易將質(zhì)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(chǎn)的60Si2Mn彈簧鋼連鑄坯存在的上述質(zhì)量問題，采用上海大學(xué)先進(jìn)凝固技術(shù)中心研發(fā)的脈沖磁致振蕩(pulsed magneto-oscillation，PMO)凝固均質(zhì)化技術(shù)，在二冷區(qū)進(jìn)行處理，以期擴(kuò)大鑄坯中心等軸晶區(qū)，細(xì)化凝固組織，消除中心縮孔，提高鑄坯質(zhì)量。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用60Si2Mn彈簧鋼的化學(xué)成分如表1 所示。在5流連鑄機(jī)組上進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，選擇 5流為PMO處理流，開啟PMO，根據(jù)對(duì)稱性原則，1流為對(duì)比流，關(guān)閉PMO。在澆注過程中，兩流次拉速一致且均開啟結(jié)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(shù)見表2。

表1 60Si2Mn彈簧鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 60Si2Mn彈簧鋼連鑄工藝參數(shù)

如圖1所示，PMO試驗(yàn)裝備由PMO總控系統(tǒng)、控制電源柜、隔離變壓器、整流濾波柜、儲(chǔ)能柜、橋箱及PMO感應(yīng)線圈組成。PMO均質(zhì)化處理過程為：主控電腦端輸入總控指令，將指令信號(hào)傳輸?shù)娇刂齐娫垂?，電源柜?nèi)的隔離變壓器接收到信號(hào)后調(diào)整輸出電壓，整流濾波柜進(jìn)行濾波調(diào)整，儲(chǔ)能柜進(jìn)行能量釋放，PMO線圈感生出脈沖式磁場，對(duì)金屬熔體進(jìn)行均質(zhì)化處理。通過對(duì)金屬連鑄坯的固-液界面前沿的金屬液中施加電磁場，產(chǎn)生“結(jié)晶雨”效應(yīng)，從而細(xì)化鑄坯凝固組織，提高鑄坯均質(zhì)化程度[4-6]。

圖1 PMO裝備總成圖[4]

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

圖2 金相試樣截取示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 連鑄坯內(nèi)弧側(cè)凝固組織

對(duì)60Si2Mn彈簧鋼連鑄坯內(nèi)弧側(cè)凝固組織(圖3a)的觀察發(fā)現(xiàn)，對(duì)比坯柱狀晶生長貫穿整個(gè)鑄坯，形成穿晶組織，一次枝晶主干粗大且二次枝晶臂發(fā)達(dá)。圖3(b)為圖3(a)中1～3處的局部放大圖，對(duì)比可見，經(jīng)過PMO處理后，距離鑄坯表面43 mm處即發(fā)生了柱狀晶向等軸晶(columnar to equiaxed transition, CET)的轉(zhuǎn)變。

連鑄坯柱狀晶發(fā)達(dá)易造成中心偏析和縮孔傾向性增大，導(dǎo)致材料使用過程中力學(xué)性能不均勻并增加出現(xiàn)裂紋的可能性，因此，抑制連鑄坯柱狀晶生長、擴(kuò)大等軸晶區(qū)比例，有利于提高60Si2Mn彈簧鋼的綜合力學(xué)性能[7-8]。試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)PMO處理后，鑄坯中等軸晶占比明顯增加。這主要是因?yàn)镻MO在鑄坯凝固過程的固-液界面產(chǎn)生特定的電磁效應(yīng)，形成大量游離晶粒，感應(yīng)電磁力促使鑄坯內(nèi)形成指向心部的推動(dòng)力并在鑄坯內(nèi)部流場形成上下兩個(gè)環(huán)流，流動(dòng)作用不僅使鑄坯內(nèi)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(jìn)了CET轉(zhuǎn)變，提高了等軸晶比例[9-10]。

2.2 連鑄坯中心區(qū)域凝固組織

如圖4(a)所示，60Si2Mn彈簧鋼對(duì)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(tǒng)計(jì)分析后得到縮孔面積達(dá)51.5 mm2，對(duì)應(yīng)中心縮孔低倍評(píng)級(jí)為1.5級(jí)。經(jīng)過PMO處理后，連鑄坯徑向截面中心區(qū)域未發(fā)現(xiàn)連續(xù)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(xì)化，連鑄坯中心縮孔基本消除。

目前，關(guān)于連鑄坯中心縮孔缺陷產(chǎn)生有多種解釋理論，其中“小鋼錠”結(jié)構(gòu)理論[11]較為符合本文60Si2Mn彈簧鋼鑄坯出現(xiàn)中心縮孔的過程。由于在金屬凝固過程中發(fā)達(dá)的柱狀晶生長至鑄坯心部，相互交織形成“搭橋”現(xiàn)象，雖然液固轉(zhuǎn)變過程會(huì)發(fā)生體積收縮，但“搭橋”結(jié)構(gòu)阻止液相對(duì)中心孔洞的補(bǔ)縮，最終形成凝固中心縮孔[12]。上海大學(xué)先進(jìn)凝固技術(shù)中心在純鋁熔體中進(jìn)行不銹鋼金屬網(wǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)(圖5)，對(duì)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(nèi)部游離，并且不斷增殖，形成“結(jié)晶雨”效應(yīng)及電磁力的雙重作用促使爆發(fā)增加的晶核向鑄坯心部游離并堆積，鑄坯中心等軸晶區(qū)面積急劇增大，柱狀晶失去生長空間而受到抑制，“搭橋”現(xiàn)象消除，中心縮孔也隨之消失[13]。

圖5 橫向放置不銹鋼網(wǎng)后的凝固組織[4]

脈沖感應(yīng)電流在鑄坯中產(chǎn)生的焦耳熱和脈沖動(dòng)量也會(huì)熔斷二次枝晶，使之成為結(jié)晶核心，在洛侖茲力推動(dòng)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(xiàn)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(cè)凝固組織

如圖6(a)所示，距離對(duì)比坯外弧側(cè)表面約56 mm處，一部分枝晶發(fā)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(qū)域已經(jīng)完成從柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變。從圖6(b)可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)比坯二次枝晶較發(fā)達(dá)，且沿M-EMS攪拌方向側(cè)的二次枝晶臂長度遠(yuǎn)大于另一側(cè)。在EMS電磁力推動(dòng)下，一次枝晶生長方向偏轉(zhuǎn)了30°，而PMO處理坯一次枝晶主干僅偏轉(zhuǎn)了約9°，基本垂直于鑄坯表面向鑄坯中心生長。

通過測量統(tǒng)計(jì)得到：圖6(a)中處理坯外弧側(cè)11和12兩個(gè)視場內(nèi)二次枝晶臂間距分別為216和187 μm，而對(duì)比坯相同部位的二次枝晶臂間距分別為318和208 μm，遠(yuǎn)大于PMO處理坯。

在EMS產(chǎn)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(yīng)在該區(qū)域產(chǎn)生了磁致過冷，從而增大了形核率，且內(nèi)弧側(cè)大量晶核在PMO電磁力及晶核自重作用下，不斷向外弧側(cè)堆積。當(dāng)柱狀晶在靜態(tài)熔體中生長時(shí)，通常一次枝晶干兩側(cè)具有對(duì)稱的溶質(zhì)和溫度分布，因此同一枝干上二次枝晶臂呈對(duì)稱生長。而EMS旋轉(zhuǎn)流場造成熔體內(nèi)部發(fā)生流動(dòng)時(shí)，迎流側(cè)的溶質(zhì)會(huì)被推走，使得迎流側(cè)擴(kuò)散層變薄，連續(xù)不斷的擾動(dòng)導(dǎo)致固-液界面不穩(wěn)定，從而出現(xiàn)迎流側(cè)二次枝晶生長快于背流側(cè)二次枝晶，形成了穗狀晶的特殊凝固組織[14]，而初生相非對(duì)稱生長往往伴隨著溶質(zhì)分布不均勻[7,15-16]。施加PMO后，產(chǎn)生了垂直于拉坯方向、指向鑄坯心部的電磁干擾，對(duì)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(duì)稱生長。

滲透率描述了糊狀區(qū)內(nèi)固、液相之間的摩擦、固相分率和微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)之間的函數(shù)關(guān)系。二次枝晶臂間距是影響滲透率的主要微觀參數(shù)，二次枝晶臂間距越大，滲透率越高，鑄坯中心偏析越嚴(yán)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(dòng)促使二次枝晶形成并發(fā)展，二次枝晶臂間距隨著鑄坯凝固時(shí)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(dāng)中間包過熱度不能有效降低時(shí)，加快鑄坯心部過熱散失是優(yōu)化凝固組織結(jié)構(gòu)的有效措施[2,18]。PMO雙環(huán)流場促使鑄坯內(nèi)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(dòng)時(shí)柱狀晶生長方向會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，出現(xiàn)迎流生長的現(xiàn)象，這是EMS電磁力引起的熔體流動(dòng)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(huì)引起枝晶相互交錯(cuò)、疊加，造成局部區(qū)域溶質(zhì)富集，產(chǎn)生微觀偏析。經(jīng)過PMO處理的鑄坯枝晶主干基本不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這是因?yàn)镻MO引起的電磁推力方向指向鑄坯心部，在PMO處理過程中對(duì)EMS的旋轉(zhuǎn)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(jié)論

(1)經(jīng)PMO處理的60Si2Mn彈簧鋼鑄坯內(nèi)外弧側(cè)均提前發(fā)生了CET轉(zhuǎn)變。

(2)經(jīng)過PMO處理后，鑄坯中心區(qū)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(yōu)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(fā)生偏轉(zhuǎn)，且主干的二次枝晶呈對(duì)稱生長。