PMO对定向凝固GCr15轴承钢枝晶臂间距的影响.pdf
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1、 第卷第期上海金属,年月,基 金 项 目:国 家 重 点 研 发 计 划();国 家 自 然 科 学 基 金()作 者 简 介:李 涛,男,主 要 从 事对 轴 承 钢 定 向 凝 固 组 织 及 碳 化 物 的 影 响 研 究,:通 信 作 者:李 莉 娟,女,副 教 授,博 士,:对 定 向 凝 固轴 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)【摘 要】为 了 解 脉 冲 磁 致 振 荡(,)技 术 对轴 承 钢 定 向凝 固 组 织 的 作 用,通 过 改 变参 数 和 抽 拉 速
2、 率,研 究 了 不 同 抽 拉 速 率 下对 定 向 凝 固轴 承 钢 枝 晶 臂 间 距 的 影 响。结 果 表 明:在 相 同 抽 拉 速 率 下,的 峰 值 电 流 依 次 为、时,轴 承 钢 的 一 次 和 二 次 枝 晶 臂 间 距 先 增 大 后 减 小。当 峰 值 电 流 固 定 为时,随 着频 率 从、依 次 增 大,一 次 枝 晶 臂 间 距 先 减 小 后 增 大,二 次枝 晶 臂 间 距 逐 渐 变 大。同 时,随 着 抽 拉 速 率 的 提 高,枝 晶 臂 间 距 减 小 幅 度 逐 渐 降 低。通 过 测 量温 度 梯 度 发 现,在作 用 下,固液 界 面 前 沿
3、 液 相 中 温 度 梯 度 的 提 高 和 溶 质 分 布 的 变 化,是 枝晶 臂 间 距 减 小 的 主 要 原 因。【关 键 词】轴 承 钢,脉 冲 磁 致 振 荡(),定 向 凝 固,枝 晶 臂 间 距中 图 分 类 号:文 章 编 号:()(,)【】(),【】,(),第期李涛 等:对 定 向 凝 固轴 承 钢 枝 晶 臂 间 距 的 影 响 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
4、 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、脉 冲 电 流、脉 冲 磁 场等,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()技 术目 前 已 成 功商 业 应 用。作 为 一 种 新 型 电 磁 场 技 术
5、,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。等发 现,在钢 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 勇在 研 究对 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
6、状 晶 一 次 枝 晶 臂 间 距,当 频率 为时,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 等研 究 发 现,处 理 后 连 铸轴 承 钢 的 一 次 枝 晶 臂 间距 减 小,二 次 枝 晶 臂 间 距 增 大。综 上,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 下对 枝 晶 间距 的 影 响 不 尽 相 同
7、,且 关 于峰 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 下峰 值 电 流和 频 率 对 定 向 凝 固轴 承 钢 枝 晶 臂 间 距 的 影响,并 分 析 其 作 用 机 制。试 验 材 料 与 方 法试 验 材 料 为轴 承 钢,其 化 学 成 分 如 表所 示,试 样 尺 寸 为 。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 图所 示。该 装 置 可 实 现作 用 下
8、的 定 向 凝 固,抽拉 速 率 为 。表 轴 承 钢 的 化 学 成 分 元 素质 量 分 数 图 定 向 凝 固 试 验 装 置 内 部 结 构 示 意 图 将 试 样 置 于 刚 玉 管 中,刚 玉管 固 定 在 引 晶 杆 上。经 过次 洗 气 以 保 持 试 验 在无 氧 或 低 氧 环 境 下 进 行,加 热 至 (控 温 热电 偶 温 度)保 温,获 得 熔 体 内 稳 定 的 温 度场,然 后 按 设 定 的参 数(峰 值 电 流 和 频 率 中与为 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 表所 示。最 后 将 热 电
9、偶埋 入 试 样,以 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。表定 向 凝 固 试 验 工 艺 参 数 炉 号峰 值 电 流 频 率 拉 速()上海金属第卷 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 图所 示。图枝 晶 臂 间 距 测 量 示 意 图 试 验 结 果 与
10、分 析 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,此 时便 可 用 稳 态 下 的 一 维 方 程 来 描 述 铸 件 中 的 传 热:()式 中:为 钢 液 密 度;为 钢 液 的 定 压 比 热 容;为 抽 拉 速 率;为 热 扩 散 系 数。用 一 般 式 对 温 度 数 据 进 行 拟 合,结 果 如 表所示。将 表中 的 温 度 拟 合 表 达 式 对求 导 即 可 得到 温 度 梯 度,如 表所 示。将 固液 界 面 处 温 度 梯度 时 温 度 梯 度 表 达 式 的 值
11、 记 为。表钢 液 中 温 度 拟 合 结 果 温 度 峰 值电 流 温 度 表 达 式方 差 表钢 液 中 温 度 梯 度 温 度 峰 值电 流 的 表 达 式()()由 表可 知,经 过处 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,导致 固液 界 面 前 沿 温 度 梯 度 增 大,而 且改 变熔 体 对 流,也 会 对 温 度 梯 度 产 生 影 响。当 峰 值电 流 为时,电 磁 力 较 小,抑 制 了 自 然 对 流,导 致 温 度 分 布 不 均 匀,液
12、相 温 度 梯 度 增 大;但 当峰 值 电 流 增 加 到时,熔 体 对 流 增 强,温 度 梯 度 相 较 于时 降 低 了 。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 比时 高 。峰 值 电 流 对 枝 晶 臂 间 距 的 影 响图为 抽 拉 速 率 为 、频 率 为时,不 同峰 值 电 流 下轴 承 钢 的 定向 凝 固 组 织。由 图可 知,当 峰 值 电 流 为时,枝 晶 明 显 细 化。枝 晶 臂 间 距 随 脉 冲 电 流 峰 值的 变 化 如 图所 示。通 过 对 比 分 析 可
13、 知,随 着峰 值 电 流 的 增 加,一、二 次 枝 晶 臂 间 距 都 先增 大 后 减 小。当峰 值 电 流 为时,一、二 次 枝 晶 臂 间 距 分 别 增 加 了 和;当峰 值 电 流 为时,一、二 次 枝 晶 臂 间 距分 别 增 加 了 和。但 是 当 峰 值 电 流增 加 至时,枝 晶 臂 间 距 显 著 减 小,一 次 枝晶 臂 间 距 减 小 了,二 次 枝 晶 臂 间 距 减 小 了。图为 抽 拉 速 率 为 、峰 值 电 流 为时,不 同频 率 下 的 固液 界 面 定 向凝 固 组 织。由 图可 知,不 同 频 率 下 的轴 承 钢 定 向 凝 固 组 织 均 得 到
14、 了 细 化。观 察 图可 以 发 现,随 着频 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 为时,一 次 枝 晶 臂 间 距 最 小,且其 二 次 枝 晶 臂 间 距 与 频 率 为时 的 相 比 仅 增 加 了 ,为。作 用 使 固液 界 面 前 沿 的 温 度 场、溶质 场 出 现 扰 动,并 且 随 着频 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
15、 于 未 施 加处理 时 的 温 度 梯 度,因 此处 理 后 枝 晶 臂 间 距相 对 未 处 理 试 样 都 有 所 减 小。第期李涛 等:对 定 向 凝 固轴 承 钢 枝 晶 臂 间 距 的 影 响 图不 同 峰 值 电 流 下轴 承 钢 的 定 向 凝 固 组 织 图不 同 峰 值 电 流 下轴 承 钢 的 枝 晶 臂 间 距 不 同 抽 拉 速 率 下对 枝 晶 臂 间 距 的 影 响图是峰 值 电 流 为、频 率 为、不 同 抽 拉 速 率 下轴 承 钢 定 向 凝 固组 织。由 图可 知,随 着 抽 拉 速 率 的 增 加,枝 晶 逐渐 变 得 细 小,在 抽 拉 速 率 为 时
16、,界 面 处 具有 较 发 达 的 二 次 枝 晶。由 表可 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。由 图可 知,当 抽 拉 速 率 低 于 时,在作 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 时,一 次 枝 晶 臂 间 距 从 未 处 理 的 减 小 到 处
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