PMO对定向凝固GCr15轴承钢枝晶臂间距的影响

李 涛 李莉娟 李开创 邹富康 罗坤坤 翟启杰

(上海大学 先进凝固技术中心,上海 200444)

GCr15钢作为高碳铬轴承钢的代表钢种,被广泛应用于机械、航天等工业领域。轴承工作环境复杂,需要承受不同的交变应力,因此需要具有良好的强韧性以及耐磨性等综合性能。随着工业科技的不断发展,对轴承钢性能的要求也越来越严格,为提升轴承钢品质,对凝固组织的控制显得尤为重要。近年来,在金属凝固过程中施加物理场调控凝固组织已成为研究热点,如超声波[1-4]、脉冲电流[5-6]、脉冲磁场[7-10]等,研究表明,物理外场可细化金属凝固组织,改善偏析。在众多物理外场中,脉冲磁致振荡(PMO)技术[11]目前已成功商业应用。

PMO作为一种新型电磁场技术,是将脉冲电流导入感应线圈,在铸坯固-液界面附近形成特定的脉冲电磁效应,通过电致过冷和磁致过冷共同作用促进固-液界面前沿金属液形核并形成“结晶雨”,从而达到细化凝固组织、改善宏观偏析的目的[12-15]。Zhang等[16]发现,在30Cr2NiMoV钢凝固过程中施加液面脉冲磁致振荡能显著提高等轴晶率,细化二次枝晶臂间距。龚永勇[17]在研究PMO对铝铜合金定向凝固组织的影响时发现,脉冲磁致振荡会减小柱状晶一次枝晶臂间距,当频率为2kfHz时,随着电流峰值的增大,柱状晶间距先减小后增大;当峰值电流为40kiA时,处理频率增加会加强对晶体生长的干扰,一次枝晶臂间距增大,二次枝晶增多。张伶玲等[18]研究发现,PMO处理后连铸GCr15轴承钢的一次枝晶臂间距减小,二次枝晶臂间距增大。综上,PMO会对金属凝固过程中枝晶生长产生扰动,从而改变铸坯的枝晶间距。但在不同条件下PMO对枝晶间距的影响不尽相同,且关于PMO峰值电流和频率对轴承钢定向凝固组织的影响尚缺乏规律性的认识。本文研究了不同抽拉速率下PMO峰值电流和频率对定向凝固GCr15轴承钢枝晶臂间距的影响,并分析其作用机制。

1 试验材料与方法

试验材料为GCr15轴承钢,其化学成分如表1所示,试样尺寸为φ7.5 mm×180 mm。试验装置由熔炼真空腔、顶部送料系统、底部引晶快淬系统、真空系统、控制系统组成,其内部结构如图1所示。该装置可实现PMO作用下的定向凝固,抽拉速率为4 ～5 000 μm/s。

图1 PMO定向凝固试验装置内部结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the internal structure of PMO directed solidification experimental device

表1 GCr15轴承钢的化学成分Table 1 Chemical composition of the GCr15 bearing steel

将试样置于φ8 mm×300 mm刚玉管中,刚玉管固定在引晶杆上。经过3次洗气以保持试验在无氧或低氧环境下进行,加热至1 430 ℃(控温热电偶温度)保温30 min,获得熔体内稳定的温度场,然后按设定的PMO参数(峰值电流和频率中ki与kf为电源的设备系数)及抽拉速率进行定向凝固试验,具体参数如表2所示。最后将热电偶埋入试样,以30 μm/s的速度从热区向冷区移动获得炉内温度分布,然后通过数学模型拟合方法得到固-液界面前沿的温度梯度。

表2 定向凝固试验工艺参数Table 2 Technology parameters of directional solidification experiment

将定向凝固试样沿纵向截取糊状区,制成金相试样,并用三硝基甲苯酚饱和水溶液腐蚀,对固-液界面附近的一次、二次枝晶臂间距进行统计,统计方法如图2所示。

2 试验结果与分析

2.1 温度梯度

对于导热性好且截面细小的钢类铸件,在加入隔热层后径向的热流传热可大大减少[19],此时便可用稳态下的一维方程来描述铸件中的传热:

(1)

表3 钢液中温度拟合结果Table 3 Temperature fitting results in the molten steel

表4 钢液中温度梯度Table 4 Temperature gradients in the molten steel

由表4可知,经过PMO处理的固-液界面前沿液相中的温度梯度均有所提高。这是由于金属固相和液相存在电导率差异,产生焦耳热[20],导致固-液界面前沿温度梯度增大,而且PMO改变熔体对流,也会对温度梯度产生影响[21]。当峰值电流为150kiA时,电磁力较小,抑制了自然对流,导致温度分布不均匀,液相温度梯度增大;但当PMO峰值电流增加到350kiA时,熔体对流增强,温度梯度相较于150kiA时降低了19 ℃/cm。同时对流使得高温熔体流向固-液界面前沿,提高了固-液界面附近液相的温度,使温度梯度比0kiA时高14 ℃/cm。

2.2 PMO峰值电流对枝晶臂间距的影响

图3为抽拉速率为100 μm/s、频率为240kfHz时,不同PMO峰值电流下GCr15轴承钢的定向凝固组织。由图3可知,当峰值电流为350kiA时,枝晶明显细化。枝晶臂间距随脉冲电流峰值的变化如图4所示。通过对比分析可知,随着PMO峰值电流的增加,一、二次枝晶臂间距都先增大后减小。当PMO峰值电流为150kiA时,一、二次枝晶臂间距分别增加了3.13%和8.88%;当PMO峰值电流为250kiA时,一、二次枝晶臂间距分别增加了4.96%和13.22%。但是当峰值电流增加至350kiA时,枝晶臂间距显著减小,一次枝晶臂间距减小了16.37%,二次枝晶臂间距减小了17.03%。

图3 不同峰值电流下GCr15轴承钢的定向凝固组织Fig.3 Directionally solidified structures of GCr15 bearing steel at different peak currents

图4 不同峰值电流下GCr15轴承钢的枝晶臂间距Fig.4 Dendrite arm spacings of GCr15 bearing steel at different peak currents

图5为抽拉速率为100 μm/s、峰值电流为350kiA时,不同PMO频率下的固-液界面定向凝固组织。由图5可知,不同频率下的GCr15轴承钢定向凝固组织均得到了细化。观察图6可以发现,随着PMO频率的增加,一次枝晶臂间距先减小后增大,二次枝晶臂间距逐渐增大。当频率为240kfHz时,一次枝晶臂间距最小,且其二次枝晶臂间距与频率为90kfHz时的10.94 μm相比仅增加了0.36 μm,为11.30 μm。PMO作用使固-液界面前沿的温度场、溶质场出现扰动,并且随着PMO频率的增加,强制对流逐步增强,固/液界面的热流散失加快,温度梯度减小,枝晶臂间距增大。但由于受到焦耳热的影响,温度梯度始终大于未施加PMO处理时的温度梯度,因此PMO处理后枝晶臂间距相对未处理试样都有所减小。

图5 不同频率下GCr15轴承钢的定向凝固组织Fig.5 Directionally solidified structures of GCr15 bearing steel at different frequencies

图6 不同频率下GCr15轴承钢的枝晶臂间距Fig.6 Dendrite arm spacing of GCr15 bearing steel at different frequencies

2.4 不同抽拉速率下PMO对枝晶臂间距的影响

图7是PMO峰值电流为350kiA、频率为240kfHz、不同抽拉速率下GCr15轴承钢定向凝固组织。由图7可知,随着抽拉速率的增加,枝晶逐渐变得细小,在抽拉速率为50 μm/s时,界面处具有较发达的二次枝晶。由表5可知,试验中抽拉速率与冷却速率成正比,抽拉速率越高,冷却速率越大,糊状区长度减小,局部凝固时间缩短,热量来不及扩散,二次枝晶生长受到抑制,因此二次枝晶臂间距减小。

图7 不同抽拉速率下GCr15轴承钢定向凝固组织Fig.7 Directionally solidified structures of GCr15 bearing steel under different pulling rates

表5 不同拉速下固-液界面前沿枝晶臂间距Table 5 Dendrite arm spacings at the solid-liquid interface front under different pulling rates

由图8可知,当抽拉速率低于200 μm/s时,在PMO作用下,一次和二次枝晶臂间距都明显减小,且抽拉速率越低,减小的幅度越大。当抽拉速率为50 μm/s时,一次枝晶臂间距从未处理的262.72 μm减小到处理后的152.18 μm,减小幅度达42.08%;二次枝晶臂间距从未处理的27.67 μm减小到处理后的14.25 μm,减小幅度达48.50%。当抽拉速率提高至100 μm/s时,一次枝晶臂间距从未处理的89.06 μm减小到处理后的74.48 μm,减小幅度为16.37%; 二次枝晶臂间距从未处理的13.62 μm减小到处理后的11.30 μm,减小幅度为17.03%。当抽拉速率为200 μm/s时,一次枝晶臂间距从未处理的80.00 μm减小到处理后的79.61 μm,仅减小了0.49%;二次枝晶臂间距从未处理的10.17 μm增大到处理后的10.86 μm,增加幅度为6.78%。

图8 不同拉速下GCr15轴承钢的枝晶臂间距Fig.8 Dendrite arm spacings of GCr15 bearing steel at different pulling speeds

综上所述,在低抽拉速率下,PMO对枝晶的细化作用更显著。当抽拉速率为200 μm/s时,在PMO(350kiA、240kfHz)作用下,二次枝晶臂间距略微增大。这可能是由于抽拉速率较大时,熔体流动增强,减小了溶质边界层的厚度并促进溶质从界面转移,从而消除了枝晶生长障碍,导致二次枝晶臂间距增大[22-23]。

根据Kurz等[24]的研究可知,在定向凝固过程中,冷却速率越大,固-液界面散热能力越强,枝晶越细小。凝固组织一次枝晶臂间距λ1与温度梯度G和抽拉速率V的关系为:

(2)

式中:ΔT0、D、Γ、k都是与材料相关的系数。

由于GCr15轴承钢为高碳钢,其二次枝晶臂间距λ2可表示为[25]:

λ2=12.22(tf)0.48

(3)

式中:tf为局部凝固时间。tf与冷却速率CR的关系为:

(4)

式中:TL、TS分别为固、液相线温度。

由式(2)～(4)可知,凝固过程中冷却速率越大,枝晶臂间距越小。由2.1节的温度梯度结果可知,当固-液界面前沿温度梯度不变时,一次枝晶臂间距取决于抽拉速率,抽拉速率度越大,枝晶间距越小[26];在相同抽拉速率下,PMO会使固-液界面前沿的温度梯度升高,冷却速率增大,一次枝晶臂间距减小,二次枝晶的生长空间减小,局部凝固时间缩短,因此二次枝晶臂间距也减小。但由图4可知,当PMO峰值电流为150和250kiA时,平均一、二次枝晶臂间距反而增大,说明PMO作用下枝晶的生长除了受温度梯度的影响外,还受其他因素的影响。通过对比枝晶形貌(图9)发现,在峰值电流为0kiA时,枝晶出现汇聚型竞争生长,非择优取向枝晶(晶粒B)生长角度为-35.2°(负值代表汇聚型竞争生长),晶粒A与晶粒B之间的溶质富集严重,枝晶生长受到抑制,这使得择优枝晶(晶粒A)与非择优枝晶(晶粒B)的平均一次枝晶臂间距小于稳态下择优枝晶的一次枝晶臂间距;峰值电流为150kiA时,一次枝晶臂交叉严重,这也使平均一次枝晶臂间距增大,因此二次枝晶生长空间变大,二次枝晶臂间距增大;峰值电流为250kiA时,枝晶出现发散双晶竞争生长,非择优取向枝晶(晶粒D)生长角度为16.7°,晶粒C与晶粒B的空间较大,在PMO电磁力的作用下,溶质富集减轻,固-液界面前沿成分过冷度增大。由Gandin等[27]提出的发散枝晶取向与一次枝晶臂间距的关系模型可知,平均一次枝晶臂间距大于在稳态下择优枝晶的枝晶臂间距。由于竞争生长的枝晶取向偏离温度梯度方向,二次枝晶臂的生长方向与温度梯度方向夹角减小,二次枝晶生长优势增大,二次枝晶臂间距增大[28];峰值电流为350kiA时,枝晶竞争生长消失,枝晶取向一致,由于温度梯度的升高,组织更致密。

有研究[29-30]表明,在一定的温度梯度和抽拉速率下,柱状晶的一次枝晶臂间距存在一个稳定区间[λmin-λmax]。当λ1<λmin时,会由于相邻枝晶臂之间强烈的溶质相互作用,出现枝晶的竞争生长,此时通过湮灭机制,一次枝晶臂间距会增大至稳定区间内;当λ1>λmax时,枝晶间溶质富集较轻,过冷度大,有利于通过侧向分叉机制减小一次枝晶臂间距。如图9(a)所示,峰值电流为0kiA时,由于温度梯度较小导致λ1较大,超出稳定区间,因此发生汇聚型竞争生长;峰值电流为250kiA时,固-液界面前沿温度梯度最大,因此导致λ1<λmin,发生发散型竞争生长,使得枝晶臂间距增大。

因此可以推断,抽拉速率不变时,PMO导致固-液界面前沿温度梯度增大,冷却速率增大,使一次枝晶臂间距减小,这在空间上对二次枝晶生长起到了抑制作用,并且界面温度梯度的增大还会造成局部凝固时间的缩短,因此二次枝晶臂间距也随之减小。

3 结论

(1)PMO对GCr15轴承钢定向凝固组织有显著影响。当PMO频率不变时,随着峰值电流的增加,一、二次枝晶臂间距先增大后减小,当PMO峰值电流为350kiA时,一、二次枝晶臂间距最小。当PMO峰值电流为350kiA时,随着频率从90、240、390kfHz依次增大,GCr15轴承钢的一、二次枝晶臂间距都呈先减小后增大的趋势。

(2)在低于200 μm/s的抽拉速率下施加PMO后,GCr15轴承钢的凝固组织得到不同程度的细化,且抽拉速率越低,PMO细化效果越显著。

(3)PMO处理后在焦耳热和强制对流的影响下,固-液界面前沿温度梯度增大,一次枝晶臂间距减小;一次枝晶臂间距的减小使二次枝晶的生长空间受限,再加上局部凝固时间缩短,使二次枝晶臂间距也随之减小。但当PMO对凝固前沿的溶质场产生扰动时,会造成枝晶的非对称生长,这可能导致枝晶臂间距增大。