PMO对连铸GCr15轴承钢枝晶生长的影响

张伶玲 石 昊 徐 衡 仲红刚 翟启杰

(上海大学材料科学与工程学院，上海 200444)

由于选分结晶及强制冷却，连铸坯凝固过程中极易形成严重的宏观偏析、缩孔疏松等缺陷，影响其后续加工和使用。因均质化效果显著、工艺容偏度高和能耗低等特点，脉冲磁致振荡[1](pulsed magneto-oscillation，简称PMO)已成为新一代理想的铸坯均质化技术。经过十余年的发展，PMO已经成功地应用于连铸生产，并在模铸试验中取得了理想效果[2]。连铸工业应用表明，PMO技术对GCr15轴承钢[3-4]、20CrMnTi齿轮钢[5]等多个钢种的凝固组织均有显著的细化和均质化效果，有效减少了铸坯中心偏析和缩孔。

在PMO的工业应用中发现，当处理功率较大时，铸坯局部区域的枝晶形态发生变化，该区域位于PMO处理时的固/液界面附近，因此将其定义为PMO处理区。廖希亮等[6]利用定向凝固技术研究了脉冲电流对Al-4.5%Cu(质量分数，下同)合金晶体生长的影响，发现脉冲电流电传输及引起的对流，使界面前沿液相中的溶质浓度降低，溶质聚集层厚度减小，并且随脉冲电流的增加，固/液界面前沿液相中的溶质浓度单调递减，溶质有效分配系数降低。常国威等[7-9]通过对定向凝固过程中电流作用的实践和理论探讨，认为电流通过提高固/液界面能、增大固/液两相产生的焦耳热差值提高温度梯度，从而促进了固/液界面形态稳定性。龚永勇[10]通过脉冲磁致振荡下Al-4.5%Cu合金定向凝固试验，发现当脉冲磁致振荡处理频率不变时，随着电流峰值的增加，一次枝晶间距减小，固/液界面稳定性的变化趋势为稳定→不稳定→稳定；当电流峰值不变时，随着处理频率的增大，脉冲磁致振荡对晶体生长的干扰进一步增加，一次枝晶间距增大，固/液界面的稳定性随之下降，并最终导致二次枝晶大量出现。以上研究表明，电流的施加使固/液界面前沿溶质、温度分布发生变化，进而干扰枝晶的生长，而PMO处理对铸坯固/液界面前沿枝晶的影响还有待探究。

本文结合试验和理论分析，以PMO处理的GCr15轴承钢连铸坯为研究对象，通过对PMO处理区的枝晶形貌和微观偏析进行观测，探究了PMO对该区域枝晶生长过程的影响。

1 试验材料与方法

试验材料为GCr15轴承钢，化学成分如表1。在某钢厂的矩形坯连铸机进行工业试验，弧形连铸机为五机五流，圆弧半径10 m，结晶器有效长度为800 mm。PMO线圈安装在足辊下方，PMO处理参数见表2。

表1 GCr15轴承钢的化学成分(质量分数)

表2 主要PMO处理工艺参数

为进行对比，分别在同一炉次对称位置的一流和五流取PMO处理坯和对比坯。铸坯横截面尺寸为260 mm×220 mm。凝固组织检验包括热酸浸和枝晶腐蚀，采用热酸浸蚀法得到低倍组织，用单反照相机拍摄。如图1所示，利用线切割切取横截面上PMO处理区，试样尺寸为73.3 mm×30 mm×2 mm，经打磨、抛光和饱和苦味酸溶液腐蚀后，在金相显微镜上观察并拍摄枝晶形貌。利用图像分析软件对枝晶尺寸和初生相比例进行统计。一次枝晶臂间距的测量方法如图2(a)所示，3根平行度较好的一次枝晶为一组，沿垂直于一次枝晶主干的方向测量距离，该距离除以2则为每组的一次枝晶臂间距，每区域测20组取平均值作为该区域的一次枝晶臂间距。二次枝晶臂间距的测量采用如图2(b)所示方法，以5根平行度较好的二次枝晶为一组，沿平行于一次枝晶主干的方向测量距离，该距离除以4则为每组的二次枝晶臂间距，每区域测20组取平均值作为该区域的二次枝晶臂间距。为检测微观偏析，采用岛津EPMA8050G场发射电子探针对PMO处理区进行成分面扫描分析，步距为50 μm。

图1 枝晶检测取样示意图

图2 一次和二次枝晶臂间距测量示意图

2 试验结果与分析

3组PMO处理坯和对比坯的低倍照片如图3所示，其中a、c、e分别为T1、T2、T3同一炉次所取对比坯C1、C2、C3。

2.1 微观偏析

钢连铸过程中，由于溶质元素在固/液两相区内不同相内的热力学平衡溶解度不同，枝晶间溶质元素将重新分配，溶质分配系数k<1的元素不断被排出到液相。由于元素的扩散速率小于枝晶生长速率，元素得不到充分扩散，因此随着凝固的持续进行，大量溶质元素富集在枝晶尖端及枝晶臂间形成微观偏析。

图4(a、b)为PMO处理坯和对比坯的枝晶形貌。可以发现，与对比坯的相同位置比较，PMO处理区的枝晶更为致密，侧向分支更发达。图4(c、d)为两种铸坯内的碳元素分布，可见溶质元素主要富集在枝晶间隙。由于PMO处理区的枝晶较为致密，间隙较小，因此其碳元素富集区域面积较小。电子探针分析发现，PMO使枝晶间碳元素富集程度也有所减轻。对该区域进行定量分析，结果如表3所示。可见经PMO处理后，该区域碳的质量分数的极大值由4.81%降低到2.99%，极小值由0.53%升高至0.59%，碳偏析方差显著减小，由0.59降至0.3，即枝晶间碳元素的富集程度明显减轻。赵静等[11]结合数值模拟和试验研究，发现PMO处理在熔体中产生感应磁场和电磁力，对固/液界面前沿一定范围内的熔体产生脉冲式的振荡作用。因此PMO的施加促进了熔体内部的对流，且枝晶间隙的振荡加速了富集溶质的扩散，使枝晶间溶质的富集程度减轻。

图3 GCr15轴承钢铸坯横断面的低倍形貌

图4 PMO处理坯和对比坯的枝晶形貌及微观碳偏析

表3 碳元素微观偏析的定量分析结果

2.2 枝晶生长形态

2.2.1 一次枝晶臂间距

图5为GCr15轴承钢PMO处理坯和对比坯的枝晶形貌。为便于研究，对该区域进行划分，将从外弧侧至心部5个相邻区域分别编号为A、B、C、D、E，C区即PMO处理区。与对比坯及相邻区域相比，PMO处理区的组织更为致密。统计B、C、D区初生相的面积比例，结果如图6(a)所示，发现沿铸坯表层至心部，对比坯中初生相的面积比例逐渐减小，而PMO处理坯C区初生相的比例明显高于B和D区。图6(b)为PMO处理区中初生相比例的变化率，可见，T2处理坯C区相对于B区中初生相比例增长率由-5.52%变为3.55%，T2、T1处理坯内外弧C区的初生相比例增长率均为正值，初生相比例明显增加。热酸腐蚀后，初生相呈浅灰色，因此PMO处理区初生相比例的明显增加导致低倍宏观组织中处理区的颜色浅于其两侧区域。

为进一步探究PMO对枝晶生长的影响，对该区域枝晶形态的演变进行了观察。凝固过程中，晶体的生长方式主要受固/液界面前沿温度梯度的影响，A、B区靠近表面激冷层，垂直于拉坯方向散热最快，因而晶体平行于热流方向择优生长形成了柱状晶。对比坯A、B、C区均为生长方向较为一致的柱状晶，而处理坯C区的一次枝晶生长方向发生了明显的改变(见图7中C区箭头方向变化)。由于枝晶生长方向主要受热流的影响，分析认为PMO在铸坯内感生的洛伦兹力作用促进了熔体对流，固/液界面附近的温度分布趋于均匀，垂直于拉坯方向的温度梯度减小，而振荡效应导致枝晶间也形成了微小流动，因此枝晶的生长方向发生改变。

一次枝晶臂间距能够反映微观凝固组织的细化程度。众多学者[12-13]建立了一次枝晶间距与金属性质及外部凝固条件相关的数学模型，认为一次枝晶间距与钢种、凝固前沿液相区温度梯度(G)和凝固速率(V)有关：

λ1=N·G-m·V-n

(1)

式中：N为与合金成分、枝晶尖端参数相关的常数，m、n通常分别取1/2和1/4。

图5 PMO处理坯和对比坯的枝晶形貌

图6 PMO处理坯和对比坯中初生相的面积比例及其变化率

图8为PMO处理坯和对比坯中不同区域的一次枝晶间距。可见从坯壳边缘向中心延伸，一次枝晶臂间距均逐渐增大。这是由于冷却速度降低，温度梯度减小，枝晶尖端的曲率半径增大导致的。此外，PMO处理对C区一次枝晶间距的影响较小，T2处理坯C区比对比坯减小了2.17%，T3处理坯C区比对比坯减小了6.77%，T1处理坯C区比对比坯减小了5.14%。分析认为，PMO引起的对流使熔体内温度分布更为均匀，固/液界面温度梯度增加，从而使一次枝晶间距减小。有研究[14]表明，一次枝晶间距随碳含量的增加而增大，因此PMO处理区一次枝晶间距的变化也可能受该区域碳元素的轻微负偏析的影响。

图7 PMO处理坯中枝晶形态的演变

2.2.2 二次枝晶臂间距

二次枝晶是由于枝晶尖端存在扰动，且易受熟化过程的影响而产生的，因此与一次枝晶间距不同，二次枝晶间距会随局部凝固时间而改变。二次臂间距与局部凝固时间的关系一般为[15-17]：

λ2=μ01/3·tf1/3

(2)

式中μ0为常数，不同模型的μ0表达式不同。

图9(a)统计了PMO处理坯和对比坯中不同区域的二次枝晶臂间距。可见二次枝晶臂间距从铸坯表面到中心整体呈增大的趋势，T2和T3处理坯中C区大于B、D区。T2处理坯C区比B、D区分别增加了38.44%和9.38%，T3处理坯C区比B、D区分别增加了13.97%和6.12%。T2处理区的二次枝晶臂间距由157 μm增大到182 μm，T3处理区的二次枝晶臂间距由235 μm增大到269 μm，T1处理区的二次臂间距无明显变化。

由于金属凝固前后的电导率有较大变化，固体的电导率比液体的电导率大，因此施加PMO后液相中产生的焦耳热大于固相中的焦耳热[18]，造成固/液界面前沿液相区的温度梯度增大，局部凝固时间延长，枝晶生长速度减慢。根据式(2)，二次臂间距随局部凝固时间延长而增大，因此PMO引起的焦耳热效应会使二次枝晶臂间距增大。施加于T3处理坯的PMO峰值电流最大，焦耳热效应较显著，因此其二次臂间距的变化最大。

观察图5中枝晶形貌，发现PMO处理坯C区的枝晶易出现主干两侧非对称生长，不仅形成了发达的二次枝晶，局部还有三次枝晶。

图9(b～d)分别为PMO处理坯和对比坯不同区二次枝晶臂的宽度、长度和宽长比的统计结果。可见从铸坯表面到中心，二次臂宽度的变化趋势与二次臂间距基本一致，其中PMO处理坯C区的二次臂宽度和长度比B、D区以及对比坯C区的明显增加。T2处理坯C区的二次臂长度447 μm，相比B区增加了46%；T1处理坯C区的二次臂长度539 μm，相比B区增加了33.6%；而T3处理坯C区的二次臂长度达800 μm，相较B区增加了76%。PMO处理坯C区的二次臂宽长比急剧下降，说明二次臂较发达。二次臂的生长对一次枝晶间距有调控作用，PMO处理后的一次枝晶平均间距减小，二次臂平均长度反而增大，这是因为处理区枝晶非对称生长的情况较多，发达的二次枝晶臂使二次臂平均长度显著增加。

溶质的分布不均是造成枝晶非对称生长的主要原因[19]。PMO处理促进界面前沿液相流动，引发温度及溶质分布的变化，使得部分非择优生长的枝晶得到保留，枝晶主干出现汇聚、发散生长。如图10所示，Ⅱ为非择优生长枝晶，Ⅰ和Ⅲ均为择优生长枝晶。PMO作用导致糊状区内富集溶质在电磁力作用下加速扩散。而由于非择优生长枝晶的存在，枝晶间相互成一定夹角生长，Ⅰ和Ⅱ间空间较窄，富集溶质较难扩散，枝晶间存在一定程度的溶质富集，故枝晶生长受到抑制。但Ⅱ和Ⅲ间空间较大，在电磁力作用下枝晶间溶质富集减弱，界面前沿成分过冷度增大，促进了三次分支的生长，以及枝晶主干两侧的不对称生长。

图9 二次枝晶臂的特征尺寸

图10 枝晶汇聚、发散生长示意图[20-21]

造成二次臂形貌变化的主要原因包括界面稳定性、凝固速度及溶质分布。上文提及PMO作用引发的焦耳热效应，使枝晶局部凝固时间延长，进而导致了二次臂的粗化。龚永勇[18]通过对Al-4.5%Cu合金施加不同强度和频率的脉冲磁致振荡，发现脉冲磁致振荡会对固/液界面的形态和稳定性产生影响，随着PMO电流峰值和处理频率的增大，其对枝晶生长的扰动逐步增大，界面稳定性随之下降，导致二次枝晶的大量出现。因此，可以推断PMO作用使熔体内产生强制对流，导致固/液界面前沿的溶质富集减轻、成分过冷度增大，进而促进二次枝晶的生长。

3 结论

(1)PMO处理加快了枝晶间溶质的扩散速率，使枝晶间碳元素的富集程度减轻，微观偏析得到改善。

(2)PMO处理影响了一次枝晶的生长。PMO作用产生的强制对流使液相温度分布均匀，界面温度梯度增大，故一次枝晶间距减小。由于垂直于拉坯方向的液相温度梯度减小及微区的磁致振荡效应，柱状枝晶的生长方向发生改变，一次枝晶主干平行度减弱。

(3)PMO的施加使二次枝晶臂间距增大、二次枝晶更细长致密，并加剧枝晶的非对称生长，局部还出现三次分支。这是由于PMO使凝固前沿温度场、溶质场出现扰动，焦耳热效应是二次臂间距增大的主要原因，而枝晶前沿溶质富集程度的减弱促进了枝晶臂生长。此外，一次枝晶主干生长方向的改变，干扰了枝晶间富集溶质的扩散，进而造成枝晶的非对称生长。