GCr15轴承钢连铸过程中热物性参数的研究

李晓滨,丁 桦,唐正友

(东北大学 材料与冶金学院,沈阳 110819)

GCr15轴承钢连铸过程中热物性参数的研究

李晓滨,丁 桦,唐正友

(东北大学 材料与冶金学院,沈阳 110819)

借鉴前人实验数据,采用一定的数学方法,对轴承钢的热物性参数进行了研究.结果表明:GCr15轴承钢的液相线温度为 1 465.7℃,固相线温度为1 328.4℃,零强度温度为1 380℃左右,零塑性温度为1 330℃左右;在固相区、液固两相区、液相区分别采用不同的公式进行处理,可使结果更加准确,还避免了奇异性.研究结果可为轴承钢连铸工艺有限元模拟提供基础.

轴承钢;连铸;热物性;有限元

近年来,随着我国经济的发展,轴承钢的需量不断增加,一般采取连铸工艺来生产轴承钢.连铸过程是一个包含传热、凝固和变形的复杂过程,其内在规律尚不能完全由实测得到,应用有限元数值模型对连铸过程进行模拟是一种有效的方法[1].在连铸过程中钢液温度变化范围较大,物性参数随之也有变化,对于不同的钢种,物性参数也有很大的差异.是否采取与连铸工艺条件相近的材料物性参数,特别是高温下轴承钢的力学参数,是影响连铸凝固过程数值模拟精度的一个重要因素.一般来说,借鉴前人的实验数据,并采用一定的数学方法进行处理,是最实用而可行的获取热物性参数的方法.据此,本文在搜集轴承钢各种数据的基础上,得到相对合理的热物性参数,可为连铸过程有限元模拟提供基础.

1 实验材料及基本参数

GCr15轴承钢的化学成分如表 1所示.

表1 轴承钢的化学成分 (质量分数)Table 1 Chem ical composition of bearing steel GCr15(m ass fraction) %

液相线和固相线采用以下经验公式计算[2]:

式 (1),式 (2)中 wC、wSi……等分别代表轴承钢中这些元素的质量分数,%.

可得轴承钢的液相线、固相线分别为 tL=1 465.7℃,tS=1 328.4℃.

祭程[3]、Zhu[4]等通过 Gleeble热模拟试验机对轴承钢屈服极限及断面收缩率进行了测试,结果如图 1所示.二者研究的屈服极限结果相差不大,在 1 360℃的时候仅为 6 MPa,根据曲线趋势可推测出零强度温度 (ZST:zerostrength temperature)要比 1 360℃高 20℃左右,即 ZST为1 380℃左右;另外也可看出零塑性温度 (ZDT:zero ductility temperature)要比 1 300℃高 30℃左右,接近于固相线.

图1 轴承钢高温热塑性曲线和抗拉强度曲线[3,4]Fig.1 Variations of thermoplastic and tensile strength w ith temperature of GC r15[3,4]

MSC.Marc有限元软件材料库中自带的热物性参数如图 2所示,其中泊松比为恒定值 0.3.可以发现,热物性参数在 600～1 500℃之间没有测试点,只是在 600℃和 1 500℃两处进行了测试;另外导热系数、比热、热膨胀系数在此区间为一恒定值,弹性模量变化也是一直线.这些数据不太符合热物性参数与温度的变化关系,也不太准确.对于连铸这一主要在高温进行的过程,高温热物性显得尤为重要,所以需要对软件自带的物性参数进行改进.

2 热物性参数

2.1 弹性模量

图2 Marc有限元软件材料库中自带的热物性参数Fig.2 Thermo-physicalproperties of the bearing steel in the material database ofMSC.Marc software

铸坯在钢水静压力和温度梯度作用下,会发生弹性和塑性变形;外载荷首先受到弹性应力的抵抗,然后才使钢进入塑性状态.因此,表征弹性变形和应力关系的弹性模量 (杨氏模量)是钢的重要力学参数.

钢的弹性模量对温度和应变率都相当敏感,钢温度每升高 100℃,弹性模量下降 3%～5%,这正是钢在高温下容易进入塑性状态的原因[5].很多学者[6～10]对高温下钢的弹性模量进行了测定,其中具有代表性的结果如图 3所示.可以看出,不同研究者的测量值间存在较大差别.造成这种差异的原因是由于在测试条件和测量方法上不尽相同,其中Mizukami和Uehara的研究结果较为相近.Kozlowski[11]等人较好地模拟了连铸高温条件下铸坯的力学行为,采用的弹性模量数据就是来自Mizukami等人得出的实验数据回归公式.

E(t)=968-2.33t+1.9×10-3t2-5.18×10-7t3

图3 不同研究者测定的弹性模量[6～10]Fig.3 Young’s modulus over temperature curve by different researchers[6～10]

另外,凝固初期的铸态金属组织存在一个零强度温度,当温度降低到零强度温度以下时铸坯才表现出一定的强度.因此,零强度温度以上的两相区以及液相区的弹性模量为零.然而在具体的计算过程中,弹性模量不能取精确的零值,否则将会出现奇异性,模拟就会中断.本文作了如下的处理:当温度低于 600℃时,采取 MSC.Marc有限元软件材料库中自带的弹性模量参数;900℃到固相线温度时,弹性模量采用 Mizukami的回归方程;在液固两相区采用公式:

式中 f代表某一温度时的固相率,由固相线温度处的值逐步降低到零强度温度处取其为一个极小值;液相区的弹性模量同零强度温度处的极小值.图 4为轴承钢弹性模量与温度的关系曲线.

图4 弹性模量随温度变化曲线Fig.4 Variation of Young’s modulus w ith temperature

2.2 泊松比

泊松比是垂直于加载方向的线应变与平行加载方向线应变之比,表征材料拉伸或压缩变形与剪切变形的关系,同弹性模量一样,是材料力学行为最基本的参数.在零强度温度以上的两相区以及液相区,一般认为材料接近于不可压缩,可知泊松比ν趋近于 0.5.

在固相区采用 Uehara[10]的回归公式υ=0.278+8.23×10-5t;在液固两相区采用与弹性模量类似的公式:

随着固相率的降低,泊松比由固相线处的值逐步上升到零强度温度处的一个接近于 0.5的值,且在 ZST以上恒定保持为该值,随温度变化的关系曲线如图 5所示.

图5 泊松比随温度变化曲线Fig.5 Variat ion of Po isson’s rat io w ith temperature

2.3 导热系数

钢的导热系数与温度有关,本文对轴承钢固相区导热系数采用MSC.Marc有限元软件材料库中自带的参数与 Spitzer[12]的实验结果.铸坯液相区的钢液存在强制对流运动,加快了钢水过热度的消除,所以对液相区经常采用等效导热系数,其值比静止钢液导热系数放大了 3～7倍[13,14].对于固液两相区,由于树枝晶的影响削弱了钢水的对流运动[15],所以两相区的等效导热系数 keff应介于固相和液相之间,采用关系式

式中 n代表有效导热放大经验常数.导热系数随温度的变化曲线如图 6所示.

图6 导热系数随温度变化曲线Fig.6 Variation of heat transfer conductivity w ith temperature

由图可见,在低温区域 (t<800℃)导热系数随着温度升高略有降低,在高温区域 (t>800℃)随着温度的升高导热系数逐渐升高,温度越高变化越大.

2.4 比热容

铸坯的凝固过程需要考虑凝固潜热的释放,本模型通过在能量方程中定义等效比热容 ceff考虑凝固潜热的释放,固相区采用 MSC.Marc有限元软件材料库中自带的参数与 Pehlke[16]的实验结果,具体的变化曲线如图 7所示.

图7 比热容随温度变化曲线Fig.7 Variation of specific heat capacity w ith temperature

等效比热容曲线在 750℃近有突变,是由于铁磁物质的比热容在居里点温度附近就会有明显的变化;在液相区处有剧烈的变动,是因为此时凝固速度很大,单位时间内释放出的凝固潜热多造成的;在接近完全凝固的固相线处,由于此时固相率随温度变化缓慢,等效比热容曲线比较平缓.

2.5 热膨胀系数

轴承钢的收缩行为通过热膨胀系数来实现,根据MSC.Marc有限元软件材料库中自带的参数与文献[3]的实验测试结果,可得到热膨胀系数随温度的变化情况,如图 8所示.可见,在低温区域(t<800℃)热膨胀系数随着温度升高变化较小,在高温区域 (t>800℃)随着温度的升高热膨胀系数变化较大.

3 结 语

根据以上对轴承钢各种参数的选择,并采用一定的数学方法进行处理,对轴承钢的液相线、固相线、弹性模量、零强度温度、零塑性温度、泊松比、导热系数、比热容等热物性参数进行了研究,研究结果可为轴承钢连铸工艺有限元模拟提供基础.

(1)GCr15轴承钢的液相线温度 tL为1 465.7℃,固相线温度 tS为 1 328.4℃,零强度温度 ZST为 1 380℃左右,零塑性温度 ZDT为1 330℃左右.

图8 热膨胀系数随温度变化曲线Fig.8 Variation of therm al expansion coefficient w ith temperature

(2)在零强度温度以上的两相区以及液相区,GCr15轴承钢的弹性模量趋近于零,泊松比趋近于 0.5,可以避免奇异性;在零强度温度以下的两相区,采用与固相率有关的线性公式;在固相区,采取实验回归公式及 MSC.Marc有限元软件材料库中自带的参数.

(3)GCr15轴承钢的导热系数考虑了液相区钢液的强制对流及两相区树枝晶的影响,比热容考虑了凝固潜热的释放,使得热物性参数相对准确,模拟能够顺利进行.

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Study of thermo-physical properties for GCr15 bearing steel in continuous casting

L I X iao-bin,DING H ua,TAN G Zheng-you
(School ofMaterials&Metallurgy,N ortheastern U niversity,Shenyang 110819,China)

D epending on previous exper im ental data,the therm o-physical properties of a bearing steelw ere studied by using certain m athem atical m ethods.The results show ed that the liquidus temperature of GC r15 is 1 465.7℃,solidus temperature is 1 328.4℃,zero strength temperature is around 1 380℃,and zero ductility temperature is about 1 330℃;using different form ulas in the solid zone,liquid-solid zone,and liquid region not only m akes the resultsm ore accurate,but also avoids the singularity. The results can supply a reasonable base for finite elem ent s im ulation of the continuous casting process for the bearing steel.

bearing steel;continuous casting; therm o-physical properties;finite elem ent m ethod

TF 701

A

1671-6620(2010)04-0241-04

2010-09-14.

辽宁省科学技术计划重大、重点项目 (2007414003).

李晓滨 (1984—),男,山西晋中人,东北大学博士研究生,E-mail:lxb2001230@126.com;丁桦 (1958—),女,安徽合肥人,东北大学教授,博士生导师.