任忠鳴 蔣丹青1, 吳生滬1,

(1.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444; 2.省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200444)

在連鑄過程中于凝固末端實施壓下工藝是消除連鑄坯疏松及偏析的有效手段。在凝固末端實施合理的壓下工藝，一方面可使富集溶質的中心液相強制流動，促進鑄坯中心區(qū)域的成分均勻，從而達到減輕中心偏析的效果[1-4]；另一方面還可以補償凝固末端殘余鋼液的體積收縮，增強鑄坯凝固末端中心區(qū)域的補縮充填能力，減輕中心疏松和縮孔，并能促進中心線裂紋的焊合，起到提高鑄坯中心致密度的作用[5-10]。壓下效果與壓下工藝，如壓下區(qū)間、壓下量等密切相關，只有采用合理的壓下工藝才能起到改善鑄坯內部質量的作用，反之，則會導致鑄坯內部質量惡化。但在實際生產過程中，難以準確測定凝固末端位置，從而導致難以精確控制壓下區(qū)間。同時，對于不同的鋼種和坯形，現(xiàn)行的壓下量區(qū)間較寬，控制難度較大。壓下量過大可能會導致鑄坯出現(xiàn)內部裂紋和嚴重變形，這對壓下工藝的準確控制極為不利；壓下量過小使得提高鑄坯中心致密性和減輕中心宏觀偏析程度的效果不明顯。根據(jù)之前的研究[11-20]可以發(fā)現(xiàn)，不同的研究者很難獲得統(tǒng)一的壓下區(qū)間，通常中心固相率fs在0.2～0.9，壓下量為2～10 mm。本文通過熱模擬試驗結合數(shù)值模擬計算，研究了凝固末端壓下工藝對GCr15軸承鋼鑄錠中心疏松及宏觀偏析的影響，確定了合理的壓下區(qū)間及壓下量。

1 中心固相率的確定方法

中心固相率與凝固末端壓下工藝參數(shù)的定量關系研究是制定壓下工藝的關鍵。由于無法直接測量鑄錠中心固相率，因此通過液芯傾倒試驗獲得坯殼厚度的變化規(guī)律，用于校核數(shù)值模擬模型，最后通過數(shù)值模擬計算出不同凝固條件下的鑄錠中心固相率，具體流程如圖1所示。先進行幾何建模，設置初始條件及邊界條件進行數(shù)值模擬計算，然后將模擬得到的坯殼厚度和液芯寬度與液芯傾倒試驗得到的結果進行對比，并修正數(shù)值模擬的邊界條件使模擬結果盡可能接近液芯傾倒試驗結果，最終得到準確的鑄錠不同凝固階段的中心固相率。

圖1 鑄錠中心固相率確定流程示意

1.1 液芯傾倒試驗

通過液芯傾倒試驗確定鋼錠在實際凝固過程中的液芯寬度。在試驗過程中，設定結晶器冷卻水流量均為6 m3·h-1，將質量40 kg的GCr15軸承鋼棒置于常壓感應爐中加熱熔化，并用精煉渣和純鋁進行造渣、脫氧，將過熱度為30 ℃的鋼液澆入結晶器，然后迅速將U形扁鐵從鋼液上表面插入，插入深度約為30 mm，使之凝固在坯殼中，待鋼錠在結晶器中凝固一段時間(120、130、140、150 s)后，將其從結晶器中拉出并翻轉以倒出中心液相。待鑄錠完全冷卻后，在680 ℃進行12 h的去應力退火，然后將鑄錠沿軸向剖開并測量液芯寬度。不同凝固時間下鑄錠的液芯形貌如圖2所示。

圖2 凝固不同時間的鑄錠的液芯形貌

1.2 數(shù)值模擬

采用ProCAST有限元模擬軟件進行數(shù)值模擬。采用三維瞬態(tài)模型計算鋼水凝固過程，三維傳熱計算的控制方程以及等效比熱的計算公式分別為[21]:

(1)

(2)

為簡化計算過程，對模型作如下基本假設：(1)忽略澆鑄時間，從鋼液完全澆入結晶器后開始計時；(2)忽略結晶器表面和鋼液向周圍環(huán)境的輻射；

(3)各組件的物性參數(shù)為常數(shù)，不隨溫度變化而變化。有限元模型及網格劃分如圖3所示。表1列出了數(shù)值模擬的初始條件及邊界條件。

圖3 有限元模型及網格劃分

表1 數(shù)值模擬的初始條件及邊界條件

圖4為不同凝固時間下液芯寬度的數(shù)值模擬結果，選擇固相率為0.3以下的區(qū)域為可傾出的液相。由圖5可知，數(shù)值模擬得到的液芯寬度和液芯傾倒試驗結果相吻合，說明數(shù)值模型的邊界條件準確。

圖4 凝固不同時間的液芯寬度的數(shù)值模擬結果

圖5 數(shù)值模擬得到的液芯寬度與試驗結果的對比

利用該模型計算了不同時刻鑄錠中心固相率的變化，結果如圖6所示。當凝固時間短于170 s時，鑄錠中心處于液相區(qū)，從170 s開始，鑄錠中心進入固液兩相區(qū)，當凝固時間為210 s時，鑄錠中心完全凝固。

圖6 鑄錠中心固相率隨凝固時間的變化曲線

2 末端壓下試驗過程及分析方法

基于工業(yè)生產中采用的壓下區(qū)間和壓下量，分別選擇中心固相率為0.3和0.6的2組試驗，相對應的結晶器中凝固時間分別為190、200 s，然后將鑄錠從結晶器中提起放入模具中進行機械壓下，每組試驗的壓下量分別為2、5、8、11 mm，具體試驗過程如圖7所示。試驗完成后將鑄錠加熱至680 °C保溫12 h進行去應力退火，然后沿鑄錠徑向距底面100 mm處切取厚度為20 mm的圓片，經打磨拋光后，采用光譜分析儀在圓片橫截面上分別沿壓下方向和垂直于壓下方向每隔10 mm打點分析，打點位置如圖8所示，然后在該圓片的中心區(qū)域截取金相試樣，經磨拋，在加入緩蝕劑的65 °C飽和苦味酸水溶液腐蝕65 s后，用光學顯微鏡觀察鑄錠橫截面中心區(qū)域的低倍組織形貌。將鑄錠上半部分沿軸向切開，在中間截取厚度為20 mm薄片進行腐蝕，觀察其縮孔與疏松形貌。具體切割取樣方法如圖9所示。

圖7 末端壓下試驗過程示意

圖8 鑄錠橫截面光譜分析位置

圖9 切割取樣位置示意

3 結果與討論

3.1 中心疏松及微觀組織

當中心固相率為0.6時，不同壓下量下鑄錠中心疏松形貌如圖10所示，結合YB/T 4002—2013可知：當鑄錠無壓下(壓下量為0)時，鑄錠下半部分區(qū)域的中心疏松等級為4級；當壓下量為2 mm時，中心疏松現(xiàn)象并未明顯改善；壓下量增大至5 mm后，鑄錠中心疏松現(xiàn)象明顯改善，疏松等級為0級；當壓下量增大到8 mm時，0級區(qū)域擴大。由此可以看出：凝固末端壓下工藝可以明顯改善鑄錠中心疏松現(xiàn)象，并且隨著壓下量的增大，鑄錠下半部分中心疏松程度逐漸減輕直至消失。

圖10 不同壓下量下鑄錠中心疏松形貌(fs=0.6)

由圖11可知，施加壓下后鑄錠橫截面中心區(qū)域出現(xiàn)枝晶彎曲和擠壓黏合的現(xiàn)象，同時還存在未粗化的細小等軸晶組織。由圖12可知，未施加壓下的鑄錠橫截面中心區(qū)域液析碳化物較為粗大且珠光體片層間距較寬，施加壓下后，液析碳化物尺寸和珠光體片層間距均明顯減小。分析可知：在末端壓下過程的擠壓作用下，鑄錠中心區(qū)域出現(xiàn)一次枝晶彎曲和二次枝晶擠壓黏合的現(xiàn)象；由于鑄錠中心區(qū)域高溫富溶質液相被擠出，因此中心區(qū)域形成了未粗化的細小等軸晶組織，同時珠光體片層間距及液析碳化物尺寸均明顯減小。從上述現(xiàn)象可以得到，末端壓下工藝在改善鑄坯凝固組織及偏析方面的作用體現(xiàn)在：一方面，末端壓下所產生的擠壓作用使得枝晶彎曲進而斷裂破碎，防止晶間搭橋；另一方面，末端壓下使得鑄錠中心區(qū)域高溫富溶質液相強制流動，從而減少中心偏析[12]。

圖11 不同壓下量下鑄錠橫截面中心區(qū)域的枝晶形貌(fs=0.6)

圖12 不同壓下量下鑄錠橫截面中心區(qū)域的碳化物形貌(fs=0.6)

3.2 宏觀偏析

鑄錠元素偏析程度由偏析比ri表征，其值為測量點的實際元素含量Ci與鑄錠中該元素含量的平均值C0之比，計算公式為：

(3)

元素偏析比標準差由σ表示，其值反映了同一鑄錠中各點偏析比的離散程度，計算公式為：

(4)

由圖13和圖14可以看出：未施加壓下時，鑄錠碳偏析主要集中在試樣中心，施加壓下后中心區(qū)域的偏析程度明顯降低，說明末端壓下工藝對中心偏析有明顯的改善作用。計算不同壓下量下鑄錠橫截面的碳偏析比標準差可以直觀地反映碳元素分布的均勻性，計算結果如圖15所示。由圖15可以看出：在中心固相率為0.6時進行壓下后，鑄錠橫截面的碳元素分布均勻性優(yōu)于中心固相率為0.3時的。

圖14 不同壓下量下鑄錠橫截面沿壓下方向(a)和垂直壓下方向(b)的碳偏析(fs=0.6)

圖15 不同中心固相率下鑄錠橫截面碳偏析指數(shù)標準差

由圖16可以發(fā)現(xiàn)：當中心固相率為0.3時，隨著壓下量從0增加到11 mm，中心最大碳偏析比由1.212降低到0.961，但隨著壓下量的增大，中心碳偏析比出現(xiàn)了波動；當中心固相率為0.6時，隨著壓下量從0增加到11 mm時，中心最大碳偏析比由1.212降低到0.950，并且隨著壓下量的增大而減小。

圖16 不同壓下量下鑄錠橫截面中心碳偏析指數(shù)

在較小的壓下量時，鑄錠垂直壓下方向的變形占主導地位，隨著壓下量的增加，鑄錠垂直壓下方向的變形和延展變形將大量消耗鑄錠表面施加的變形量，導致傳遞到液芯的實際壓下量急劇減小[22]。因此，當鑄錠中心固相率較高時，其兩相區(qū)寬度較窄，較小的壓下量即可使中心區(qū)域兩側固相相接觸，使得中心空隙完全閉合并擠出富溶質液相，從而達到改善中心偏析的效果。當中心固相率為0.6時，在較小的壓下量(2～5 mm)時，中心區(qū)兩側固相接觸，富溶質液相排出，鑄錠中心碳偏析已有較大的改善，但當中心固相率為0.3時，鑄錠中心碳偏析在壓下量小于8 mm時出現(xiàn)了波動，說明在該壓下量范圍內，壓下作用并未達到穩(wěn)定，隨著壓下量的繼續(xù)增大，鑄錠變形較嚴重，其內部裂紋形成的風險也隨之增加。

4 結論

(1)采用液芯傾倒試驗和數(shù)值模擬相結合的方法，準確得出GCr15軸承鋼鑄錠不同凝固時刻的中心固相率及液芯寬度。

(2)末端壓下工藝可以明顯改善鑄錠中心疏松，隨著壓下量的增大，鑄錠下半部分標定區(qū)域的中心疏松程度逐漸減輕直至消失，疏松等級由4級降低為0級。

(3)施加壓下后鑄錠中心區(qū)域出現(xiàn)一次枝晶彎曲和二次枝晶擠壓黏合的現(xiàn)象，同時還存在未粗化的細小等軸晶組織，并且中心區(qū)域液析碳化物尺寸和珠光體片層間距均明顯減小。

(4)在中心固相率為0.6時進行壓下后，鑄錠橫截面的碳元素分布均勻性優(yōu)于中心固相率為0.3時的。當中心固相率為0.6時，隨著壓下量從0增加到11 mm時，中心最大碳偏析比由1.212降低到0.950，在較小的壓下量(2～5 mm)時，鑄錠中心碳偏析已得到較好的改善。而當中心固相率為0.3時，中心最大碳偏析比由1.212降低到0.961，但在壓下量小于8 mm時出現(xiàn)了波動。