低頻電源頻率對(duì)GCr15 電渣錠中液析碳化物的影響

蘇云龍，朱春麗，張龍飛，王蒙俊，項(xiàng)淼苗，施曉芳，常立忠

（安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243002）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展帶動(dòng)了工業(yè)水平的迅猛提升，在工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)作為重要材料之一的軸承鋼的質(zhì)量要求也越來(lái)越高[1]。在軸承鋼本身成分確定的前提下，冶金質(zhì)量成為決定其性能高低的關(guān)鍵因素[2]。鋼錠的潔凈度和凝固質(zhì)量是衡量其冶金質(zhì)量?jī)?yōu)劣的主要指標(biāo)。隨著爐外精煉技術(shù)的發(fā)展，軸承鋼潔凈度持續(xù)提高，我國(guó)部分鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的軸承鋼中全氧含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))能控制在5×10－6左右，已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平[3]。然而，大部分軸承鋼中的碳含量偏高，其凝固過(guò)程不可避免地會(huì)造成碳元素的偏析，進(jìn)而產(chǎn)生液析碳化物，對(duì)鋼的質(zhì)量有非常不利的影響[4?6]。

液析碳化物硬度高、脆性大，在受外力作用時(shí)，在液析碳化物晶界處容易產(chǎn)生疲勞裂紋，從而降低軸承的疲勞壽命，液析碳化物比網(wǎng)狀碳化物和帶狀碳化物更難消除，后續(xù)所需熱處理時(shí)間更長(zhǎng)，降低了生產(chǎn)效率，尤其是對(duì)大尺寸液析碳化物的消除更難?？刂坪靡何鎏蓟锏臄?shù)量、尺寸和形貌，可以降低液析碳化物對(duì)鋼材的危害，因此如何細(xì)化軸承鋼的凝固組織、減少（或避免）液析碳化物的析出成為提高軸承鋼質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。近年來(lái)，為消除或細(xì)化鋼中液析碳化物，已有冶金工作者進(jìn)行了大量的研究，如電渣重熔技術(shù)[7?10]、高溫?cái)U(kuò)散退火處理[11?12]、在鋼中添加微量鎂[13]等。電渣重熔（ESR）是目前生產(chǎn)高質(zhì)量軸承鋼的主要冶煉工藝之一[14?15]。與傳統(tǒng)的連鑄、模鑄工藝相比，電渣重熔由于冷卻速度較快可抑制元素偏析，進(jìn)而抑制液析碳化物的析出。然而，隨著電渣錠直徑的增大，其芯部冷卻速度減弱，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)液析碳化物的析出，因此亟需采取更有效的措施激發(fā)電渣重熔的優(yōu)勢(shì)。另外，傳統(tǒng)電渣重熔使用的電源多為50 Hz 的交流電，隨著電渣錠噸位（直徑）的增加，重熔過(guò)程的功率因數(shù)下降、電效率下降、能耗增加，并且還會(huì)導(dǎo)致電路的三相不平衡[16?19]。冶金工作者提出了低頻電渣重熔的思路，有的鋼鐵企業(yè)還設(shè)計(jì)并制備了低頻電渣重熔爐[20?22]，對(duì)提高電效率起到了較好的效果。然而，目前關(guān)于低頻電渣重熔對(duì)電渣錠凝固質(zhì)量影響的研究很少。因此，筆者以GCr15軸承鋼為研究對(duì)象，詳細(xì)研究了不同電源頻率，特別是低頻對(duì)GCr15 軸承鋼電渣錠中液析碳化物的影響規(guī)律，以期能為提高電渣錠的質(zhì)量提供一條新的思路。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的GCr15 軸承鋼材料制備工藝為：EAF-LF-RH-CC，然后再將連鑄坯鍛造成直徑55 mm、長(zhǎng)度700 mm 的自耗電極供重熔用，其主要化學(xué)成分如表1 所示。電渣重熔試驗(yàn)過(guò)程中使用的渣系是傳統(tǒng)的ANF-6 渣，即30%Al2O3和70%CaF2。

表1 GCr15 軸承鋼主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of GCr15 bearing steel %

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

圖1 為低頻電渣重熔爐示意。低頻電源的頻率可通過(guò)低頻電源控制柜調(diào)整，其工作范圍為0～10 Hz、50 Hz；并且可通過(guò)控制柜調(diào)整電壓，從而達(dá)到精準(zhǔn)控制變量。重熔電渣錠的直徑范圍可為50～120 mm，采用直徑100 mm 的結(jié)晶器進(jìn)行低頻電渣重熔試驗(yàn)。

圖1 低頻電渣重熔爐示意Fig.1 Experimental device of low frequency power supply electroslag furnace

1.3 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)過(guò)程

為了研究不同電源頻率對(duì)GCr15 電渣錠液析碳化物的影響，試驗(yàn)將在0.1、0.4、1、2、50 Hz 頻率下分別進(jìn)行電渣重熔試驗(yàn)。具體試驗(yàn)方案如表2 所示。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Experimental schemes

試驗(yàn)過(guò)程如下：①試驗(yàn)前準(zhǔn)備：將1 200 g 渣料配好后混勻放入石墨坩堝內(nèi)，待高溫管式爐的溫度達(dá)到1 600～1 650 ℃時(shí)將坩堝放入其中保溫，直至渣料完全熔化；將自耗電極表面的氧化物打磨去除；冷卻水壓力調(diào)整為0.2～0.3 MPa；設(shè)定好低頻電源頻率。②試驗(yàn)開(kāi)始：當(dāng)高溫爐內(nèi)的渣料完全熔化后，將其取出快速倒入結(jié)晶器內(nèi)，電極下降，電渣重熔試驗(yàn)開(kāi)始。通過(guò)人工控制自耗電極的下降速度以控制過(guò)程電流達(dá)到目標(biāo)值。電渣重熔試驗(yàn)過(guò)程中不加入任何物料。③電渣試驗(yàn)結(jié)束：當(dāng)剩下5%的自耗電極時(shí)，斷電，重熔結(jié)束。待熔渣凝固后將電渣錠脫模去除，送入退火爐退火。④試樣檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 頻率對(duì)電渣錠中液析碳化物的影響

2.1.1 不同頻率下電渣錠中液析碳化物數(shù)量及尺寸的變化規(guī)律

圖2 為不同電源頻率對(duì)液析碳化物數(shù)量的影響。從圖2 可以看出，無(wú)論采用何種頻率重熔，均是芯部的液析碳化物最多，其次為2/3R處，而邊部的碳化物數(shù)量最少。

圖2 GCr15 電渣錠中液析碳化物數(shù)量的變化Fig.2 Variation of the number of liquid carbides in GCr15 ESR ingot

在邊部位置，隨著重熔電源頻率的降低，液析碳化物的數(shù)量總體呈逐漸減少的趨勢(shì)。當(dāng)頻率為50 Hz 時(shí)，邊部液析碳化物的數(shù)量為38 個(gè)，當(dāng)頻率逐漸下降至2、1 Hz 和0.4 Hz 時(shí)，碳化物的數(shù)量減少至20、16 和11 個(gè)，當(dāng)頻率為0.1 Hz 時(shí)，碳化物數(shù)量又稍微增加至15 個(gè)。當(dāng)處于2/3R位置時(shí)，碳化物的變化規(guī)律類似于邊部位置。當(dāng)頻率為50 Hz 時(shí)，碳化物的數(shù)量為75 個(gè)，當(dāng)頻率為2 Hz 和1 Hz 時(shí)，碳化物的數(shù)量均有所減少，分別為60 個(gè)和68 個(gè)，當(dāng)頻率為0.4 Hz 時(shí)，碳化物數(shù)量繼續(xù)減少至39 個(gè)，而頻率為0.1 Hz 時(shí)，又增多至68 個(gè)；當(dāng)處于電渣錠芯部時(shí)，頻率為0.4 Hz 時(shí)液析碳化物數(shù)量最少，為69 個(gè)，相比于工頻時(shí)的81 個(gè)減少了12 個(gè)；而當(dāng)頻率為0.1 Hz 時(shí)，碳化物數(shù)量最多，為98 個(gè)，相比于工頻時(shí)增加了29 個(gè)。

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，合理的低頻頻率可以減少液析碳化物的數(shù)量，而且對(duì)邊部和2/3R處的影響要大于對(duì)芯部的影響。

表3 為不同電源頻率對(duì)不同位置處液析碳化物尺寸的影響。

表3 不同頻率下液析碳化物尺寸的變化Table 3 Changes of size of liquidated carbides at different frequencies

將表3 中數(shù)據(jù)整理作圖，分析不同頻率對(duì)液析碳化物尺寸的影響，如圖3～5 所示。

圖3 頻率對(duì)邊部液析碳化物尺寸的影響Fig.3 Effect of frequency on size of edge liquid carbides

圖3 為不同頻率對(duì)電渣錠邊部位置處液析碳化物尺寸分布的影響。從圖3 可得，低頻電渣重熔可以減少邊部位置大尺寸碳化物的數(shù)量，并且可以有效減小碳化物的最大尺寸和平均尺寸。相較于工頻電渣重熔的電渣錠，在1、0.4 Hz 和0.1 Hz 時(shí)分別降低了11.25%、21.31%和36.51%，而五組試驗(yàn)的平均尺寸均很小，在改變頻率后平均尺寸并無(wú)多大變化。

圖4 為不同電源頻率對(duì)2/3R處液析碳化物尺寸分布的影響。從圖4(a)可以看出，在2/3R位置，五組試驗(yàn)中液析碳化物均主要集中在5～10 μm 的范圍內(nèi)，而隨著頻率的降低，從工頻的49 個(gè)減少至0.4 Hz 時(shí)的30 個(gè)，但在0.1 Hz 時(shí)又有所增加，為54 個(gè)；而分布在10～20 μm 范圍內(nèi)尺寸稍大的碳化物，隨著頻率的降低，從工頻時(shí)的20 個(gè)逐漸減少至0.4 Hz 時(shí)的4 個(gè)，在0.1 Hz 時(shí)又上升至8 個(gè)。從圖4(b)的變化曲線可得，液析碳化物的平均尺寸稍有降低，總體并無(wú)多大變化，其中在0.4 Hz 時(shí)平均尺寸最小，為7.35 μm；而最大尺寸的變化趨勢(shì)總體呈先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)工頻重熔時(shí)，最大尺寸為20.58 μm，頻率降低至0.4 Hz 時(shí)，碳化物最大尺寸減小至12.61 μm，降低了38.73%，但在0.1 Hz 時(shí)又增大到22.67 μm，比工頻時(shí)增大了10.16%。在合理的頻率范圍內(nèi)，低頻不僅可以減少碳化物大尺寸的數(shù)量，還能減小碳化物的最大尺寸。

圖4 頻率對(duì)2/3R 處液析碳化物尺寸的影響Fig.4 Effect of frequency on size of liquid carbides at 2/3R

圖5 為不同電源頻率對(duì)芯部液析碳化物尺寸分布的影響。從圖5 (a)可以看出，芯部的尺寸分布類似于2/3R處的尺寸分布，碳化物主要集中在5～10 μm內(nèi)，相比于工頻，低頻時(shí)的數(shù)量都有所上升，而隨著頻率的降低，10～20 μm 內(nèi)的碳化物數(shù)量在不斷地減少。從圖5 (b)可得，芯部碳化物平均尺寸和2/3R處平均尺寸的變化曲線也基本一致，隨著頻率的降低，平均尺寸從工頻時(shí)的9.62 μm 減小至0.4 Hz 時(shí)的7.31 μm，降低了24.01%；而最大尺寸呈先增大后減小，然后再增大的趨勢(shì)，從工頻時(shí)的15.42 μm 增加至2 Hz 和1 Hz時(shí)的17.00 μm 和16.87 μm，后減小至0.4 Hz 時(shí)的13.17 μm，降低了14.60%，然后又增大至0.1 Hz 時(shí)的15.28 μm，雖然最大尺寸在0.1 Hz 時(shí)又有所增加，但還是比工頻時(shí)要小。

圖5 頻率對(duì)芯部液析碳化物尺寸的影響Fig.5 Effect of frequency on size of liquid carbides in heart

從圖3～5 可以看出，低頻電渣重熔可以減小大尺寸碳化物的數(shù)量和最大尺寸，而平均尺寸基本無(wú)多大變化，均在小范圍內(nèi)波動(dòng)，而且低頻對(duì)邊部和2/3R處碳化物尺寸的影響要大于對(duì)芯部的影響。

2.1.2 電源頻率對(duì)液析碳化物形貌的影響

圖6 為不同頻率下電渣錠不同位置液析碳化物的典型形貌。

圖6 不同頻率下電渣錠中液析碳化物的形貌（×500）Fig.6 Morphology of liquid carbides at different frequencies (×500)

從圖6 可以得出，頻率變化對(duì)液析碳化物的形貌影響較小，主要是以球形、條形為主，在此基礎(chǔ)上不規(guī)則變化。相對(duì)于工頻，總體上低頻重熔電渣錠中碳化物的形狀更為規(guī)則，顆粒圓度更高，但頻率并不是越低越好，在0.1 Hz 時(shí)，不管是在芯部還是2/3R處，液析碳化物的尺寸又變的粗大且不規(guī)則。

圖7 為GCr15 軸承鋼電渣錠中液析碳化物的元素分布。

圖7 典型液析碳化物的元素分布Fig.7 Element distribution of representative liquid carbides

從圖7 可以看出，不管是工頻還是低頻下重熔，液析碳化物并不是獨(dú)立存在的，大多依附在Al2O3上析出，少數(shù)依附在TiN 或Al2O3-TiN 復(fù)合夾雜上析出，且碳化物的成分并無(wú)多大變化。因此，減少軸承鋼中的夾雜物對(duì)于抑制液析碳化物的析出具有積極意義。

2.2 分析討論

在凝固過(guò)程中，由于C、Cr 元素的富集，導(dǎo)致液析碳化物的產(chǎn)生。而采用不同的電源頻率電渣重熔時(shí)，雖然不能改變液析碳化物的組成，但能使多棱角的碳化物變得圓潤(rùn)，而且在合理的頻率范圍內(nèi)，低頻能減少碳化物的數(shù)量及尺寸大小。而液析碳化物的形成與凝固過(guò)程息息相關(guān)[23?24]，因此低頻操作必然是影響了電渣錠的凝固，進(jìn)而影響了碳化物的析出。

在電渣重熔時(shí)，當(dāng)電流從電極經(jīng)過(guò)熔渣和金屬熔池流向鋼錠時(shí)，在結(jié)晶器內(nèi)部的重熔體系中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互作用會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電磁力。此電磁力會(huì)對(duì)重熔體系有一個(gè)攪拌作用。電磁力越大，攪拌作用越強(qiáng)。而電源頻率越低，熱源滲透性越好，由于渣池內(nèi)熔渣的電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼液，通電后，渣池內(nèi)的電磁力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬熔池，頻率越低，渣池內(nèi)的電磁力就越強(qiáng)，電磁攪拌所形成的強(qiáng)制對(duì)流也越劇烈，因而會(huì)帶動(dòng)金屬熔池的運(yùn)動(dòng)，使得熔池內(nèi)部會(huì)有一個(gè)攪拌的趨勢(shì)，促進(jìn)了熔池內(nèi)部的熱交換，使熔池溫度場(chǎng)進(jìn)一步均勻，熔池深度變淺[25?27]。由于渣池及金屬熔池溫度的均勻，也使得渣皮變薄，從而提升了結(jié)晶器的冷卻效果，提高了凝固速率，如圖8 所示。

圖8 不同電源頻率電渣重熔過(guò)程示意Fig.8 Schematic diagram of electroslag remelting process at different power frequencies

當(dāng)采用工頻電渣重熔時(shí)，金屬熔池較深，熔池中心區(qū)域溫度較高，金屬熔池傳熱能力差，這相當(dāng)于延長(zhǎng)了選分結(jié)晶的時(shí)間，導(dǎo)致形成發(fā)達(dá)的柱狀晶組織，樹(shù)枝晶之間的間距也會(huì)增大，再加上Cr 元素的擴(kuò)散系數(shù)較小，使得C、Cr 元素不斷在樹(shù)枝晶間聚集，最終使得大尺寸的碳化物在樹(shù)枝晶內(nèi)形成并析出；同時(shí)，在工頻電渣重熔時(shí)，渣皮較厚且不均勻，使得凝固過(guò)程中的冷卻速率變慢，這進(jìn)一步導(dǎo)致C、Cr 合金元素有更多時(shí)間在樹(shù)枝晶內(nèi)析出和富集，進(jìn)而有更多時(shí)間形成碳化物并長(zhǎng)大、變粗。

當(dāng)采用低頻重熔后，電磁力的攪拌作用使得金屬熔池深度變淺，熔池內(nèi)的溫度分布也較均勻，軸向傳熱能力加強(qiáng)，凝固速度加快，使得結(jié)晶過(guò)程能在較快時(shí)間內(nèi)完成，進(jìn)而減小了樹(shù)枝晶之間的間距，使得C、Cr 合金元素在樹(shù)枝晶內(nèi)的富集程度減小，碳化物在樹(shù)枝晶內(nèi)的生長(zhǎng)空間和時(shí)間都不夠，因而碳化物數(shù)量變少，尺寸也變??；同時(shí)由于渣皮厚度減小，且均勻性提高，凝固過(guò)程的冷卻速度提高，使得固相和液相中的充分?jǐn)U散受到抑制，減少了夾雜物進(jìn)入枝晶內(nèi)的數(shù)量，從而減少了形核率，碳化物的數(shù)量也隨之減少。

3 結(jié)論

主要研究電源頻率變化對(duì)電渣重熔GCr15 軸承鋼中的液析碳化物數(shù)量、尺寸以及形貌的影響，得出如下結(jié)論：

1）與工頻電渣重熔相比，低頻電渣重熔可以有效降低GCr15 軸承鋼中液析碳化物的數(shù)量，特別是對(duì)于邊部和2/3R處，碳化物數(shù)量下降幅度較大，在0.4 Hz 時(shí)分別下降71.05%和48.00%。芯部液析碳化物的數(shù)量總體稍有增加，在0.1 Hz 時(shí)最大增幅為21.00%；

2）不管是邊部、芯部還是2/3R處，低頻均能降低液析碳化物的最大尺寸，特別是對(duì)邊部和2/3R處碳化物的影響最大，邊部最大尺寸從工頻時(shí)的11.64 μm 減小至0.1 Hz時(shí)的7.39 μm，減小了36.51%；2/3R處最大尺寸從工頻時(shí)的20.58 μm 減小至0.4 Hz 時(shí)的12.61 μm，減小了38.73%；頻率的變化對(duì)液析碳化物的平均尺寸影響較小。

3）相對(duì)于工頻，總體上低頻重熔電渣錠中碳化物的形貌更為規(guī)則，顆粒圓度更高，但頻率并不是越低越好，在0.1 Hz 時(shí)，不管是在芯部還是2/3R處，液析碳化物的尺寸又變得粗大且不規(guī)則。