悬浮浇注法对轴承钢锭温度场及偏析的影响

悬浮浇注法对轴承钢锭温度场及偏析的影响于艳陈迪林陈金保翟启杰胡汉起(北京科技大学)摘要对比研究了普通浇注、低过热浇注和悬浮浇注三种不同工艺方法对轴承钢锭的温度场和成分分布的影响。结果表明，悬浮浇注能有效地改善轴承钢锭的温度分布，极大地改善钢锭横截面上的碳、硫、磷元素的中心偏析，提高了轴承钢锭的质量。关键词悬浮浇注温度场偏析轴承钢EFFECTOFSUSPENSIONCASTINGONTEMPERATUREFIELDANDSEGREGATIONINBEARINGSTEELINGOTYUYanCHENDilinCHENJinbaoZHAIQijieHUHanqi(UniversityofScienceandTechnologyBeijing)ABSTRACTInthispaper,threecastingmethods,includingtraditionalcasting,lowsuperheatcasting,suspensioncastingandtheireffectonthetemperaturefield,andsegregationofbearingsteelingothavebeencomparedandstudiedindetail.Theresultsshowthatsuspensioncastingcanmakethetemperaturefielduniform,eliminatemacrosegregationofC,SandP,andimprovethequalityofbearingsteelingot.KEYWORDSsuspensioncastingprocess,temperaturefield,segregation,bearingsteel1前言悬浮浇注法(又称悬浮铸造法)就是在浇注过程中，将一定量的固体金属粉末材料加到金属液流中，使其与金属液一起流入铸型的一种铸造方法。这种方法从1968年由原苏联学者РыжиковAA［1］提出后，至今已广泛应用于普通铸造［2］、离心铸造［3］和连续铸钢［4］等领域。但是，悬浮浇注法在合金钢种中的应用目前还是个很值得探讨的问题。本研究对悬浮浇注法在轴承钢中的应用做了初步的探讨与分析，其结果对改善模铸及连铸轴承钢质量具有参考价值。2试验方法采用GCr15轴承钢作为试验材料，在中频感应炉中重熔，出炉前用铝脱氧。钢锭模内腔尺寸70×400mm，外尺寸160×400mm，钢锭重量14kg。图1合箱图Fig.1Moldclosingfigure图2钢锭的冷却曲线和温度场Fig.2Coolingcurveandtemperaturefieldofingot(a)、(b)—普通浇注工艺；(c)、(d)—低过热浇注工艺；(e)、(f)—悬浮浇注工艺；(a)、(c)、(e)—冷却曲线；(b)、(d)、(f)—温度场；x—钢锭内某点到边缘的距离；R—钢锭的半径钢锭模经预热后喷涂涂料。上箱(悬浮浇注系统)和底箱采用水玻璃砂干型。浇注时的合箱图如图1所示。悬浮剂采用含碳0.63%～0.70%的钢丝切丸，尺寸为0.5mm×0.5mm。在钢锭模中部插入3支热电偶，分别测定钢锭模边部、1/2处和中心部位的温度变化曲线，根据记录的温度曲线绘制不同时刻的温度场。为了比较悬浮浇注的作用效果，本试验设计了3种浇注条件：①1550℃浇温的普通浇注；②1510℃浇温的低过热浇注；③1550℃加入2%悬浮剂的悬浮浇注。3试验结果及分析3.1悬浮浇注对钢锭温度场的影响图2是根据实测结果绘制的3组试验条件下钢锭的温度场。对比各温度场可以看出，普通浇注钢锭整个区域内温度较高，凝固速度较慢；低过热浇注可以提高钢液的凝固速度，但中心区域温度梯度很高；采用2.0%悬浮剂浇注，即使浇注温度很高，钢液中心在较大区域范围内温度梯度几乎为零。造成这样结果的原因是低过热浇注的钢液粘度大，流动性差，对流传热能力低，导致中心区域的热量散失慢，形成了较大的温度梯度。而悬浮浇注的钢锭，由于悬浮剂吸收了钢液内大量的热量，致使钢锭中心区域的温度梯度几乎为零。3.2悬浮浇注对成分分布的影响3.2.1悬浮浇注对碳元素分布的影响GCr15轴承钢碳元素含量高，偏析系数大，而且凝固温度范围达160℃，故碳元素的中心偏析严重。碳元素化学分析结果见图3。普通浇注的钢锭，中心部分碳正偏析；低过热浇注和悬浮浇注的钢锭，碳分布趋势与普通浇注钢锭相反，悬浮浇注的钢锭碳分布更均匀。这是因为轴承钢是溶质分配系数k＜1的合金，金属液凝固时，凝固界面的液相中将有一部分溶质被排出，随温度的降低，溶质浓度逐渐增加，最终在钢锭中心区域凝固，形成碳的正偏析。低过热浇注和悬浮浇注的钢锭碳分布的趋势与普通浇注相反，这可由宏观偏析形成判据得到解释。图3钢锭碳元素分布Fig.3DistributionofCiningot1—普通浇注工艺；2—低过热浇注工艺；3—悬浮浇注工艺宏观偏析形成的判据可表示为［5］：Cs=-kC0q/(k-1+q)(1)式中Cs——局部区域的溶质平均浓度；C0——溶液的原始成分；k——溶质分配系数。若Cs=C0，无宏观偏析；Cs＞C0，为正偏析；Cs＜C0，为负偏析。其中q是影响宏观偏析的决定因素，其表达式为：q=(1-β)(1-v/u)(2)式中β——合金的凝固收缩系数；v——液体的流动速度；u＝ξ/ΔT；ξ——冷却速度；ΔT——温度梯度。对于低过热浇注，金属液温度低，粘度大，靠铸型处受到激冷，可认为v=0，而轴承钢的β＞0，故v/u＞-β/(1-β)，从而在钢锭边缘形成正偏析。由质量守恒定律，钢锭中心部分后凝固的溶质必然会低。对于悬浮浇注的钢锭，碳分布的趋势与低过热浇注基本相同，但由于其中心区域的温度场平坦，故碳分布比低过热浇注钢锭的碳分布更为均匀。3.2.2悬浮浇注对硫、磷分布的影响图4钢锭硫元素分布Fig.4DistributionofSiningot1—普通浇注工艺；2—低过热浇注工艺；3—悬浮浇注工艺图5钢锭磷元素分布Fig.5DistributionofPiningot1—普通浇注工艺；2—低过热浇注工艺；3—悬浮浇注工艺钢锭的硫、磷分布情况由光谱分析如图4、5所示。分析结果可见，普通浇注的钢锭硫、磷中心正偏析非常严重；低过热浇注钢锭的硫、磷偏析略有改善，但不明显；而悬浮浇注钢锭的硫、磷中心偏析基本消除。造成这个结果的原因是低过热浇注钢锭的凝固方式是逐层凝固，硫、磷等杂质元素在凝固前沿富集，随凝固边界层的向前推移，最终在中心区域凝固。而悬浮浇注，由于悬浮剂的冷却和孕育作用，其凝固方式是体积凝固，中心部分温度场平坦，几乎同时凝固，因此硫、磷元素分布较均匀。4结论(1)悬浮浇注法能有效地改善轴承钢锭的温度分布，使中心区域很大范围内温度梯度几乎为零；低过热浇注的钢锭，中心部分存在很大的温度梯度。(2)悬浮浇注可改善碳元素在钢锭中的分布，降低碳元素的中心正偏析程度，而且使碳在中心部分的分布均匀。(3)悬浮浇注可以显著地改善硫、磷元素在中心部分的正偏析。参考文献1PыжиковАА.ФасонныеOтливкиизCуспензионнойCтали.Л.П.,1968,(6):1～2.2王金华.悬浮铸造.北京：国防工业出版社，1982.69.3АлександровНН.ПолучениеΚрупныхЦентробежныхΟтливокΜетодомСуспнЗионногоЛитъя.Л.П.,1977,(9):23～24.4ЗатуловскийСС.СуспензионноеЛитъеиРазливкаМеталла.ЧёрнаяМеталлуртия,1989,(2):2～6.5胡汉起.金属凝固原理.北京：机械工业出版社，1991.144.