軸承鋼連鑄坯偏析和致密度的分析
2008-07-21
摘要：采用原位分析方法對軸承鋼連鑄大方坯不同部位的偏析和疏松進行了分析;將原位分析與低倍組織分析結合起來，完整地體現鑄壞試樣的成分分布和組織特征。軸承鋼同一鑄坯斷面中部的C、Si、Mn元素偏析程度大于邊部。軸承鋼鑄坯邊緣部位致密度和均勻性都好于中心部位,即相應的柱狀晶區致密度高于等軸晶區。
關鍵詞：軸承鋼大方坯 原位分析 成分分布 疏松
1 前言
隨著國內工業的發展,軸承鋼需求量日益增加,因此,提高軸承鋼質量的研究對企業的發展,從市場需求來看起著非常關鍵的作用,軸承鋼連鑄大方坯的組織和成分分布對Z終產品產生關鍵影響。因此,生產廠家對軸承鋼連鑄坯的質量檢驗更為嚴格。
傳統的鉆樣分析方法由于采樣等條件的限制,不能進行較大范圍內的成分分布分析。硫印和低倍觀察雖然可直觀地看到硫和碳的偏析情況,但結果不定量,而且其他元素的分布情況也無法得到。而原位統計分布分析技術(Originalposition statistic distribution analysis,OPA)(簡稱原位分析)是對被分析對象原始狀態的化學成分和結構進行分析的一項技術,通過對無預燃、連續掃描激發火花放電所產生的光譜信號進行高速數據采集和解析,獲得樣品表面不同位置原始狀態的化學成分以及表面結構信息,實現對被測樣品的成分分布、缺陷判別和夾雜狀態分析,是宏觀和微觀相結合的分析方法。
本文采用傳統低倍檢驗分析軸承鋼大方坯的凝固組織,同時采用原位分析技術對軸承鋼連鑄坯的偏析和疏松情況進行分析。
2 試驗和分析
2.1 金屬原位分析儀及其參數
分析系統為北京納克分析儀器公司制造的OPA-100型金屬原位分析儀。樣品的測試方式為線性而掃描,沿x軸方向連續掃描,掃描速度為1mm/s,y方向為步進方式,間隔為4mm。具體試驗參數如下:火花激發頻率480Hz,激發電容7.0uF,激發電阻6.0Ω,火花間隙2.0mm,氬氣純度99.999% ,氬氣流量80ml/s,電極材料為45度頂角純鎢電極,直徑3mm。信號采集速度為100kHz/通道。工作曲線的制作和分析結果的處理采用OPA一100軟件進行。
2.2 軸承鋼大方坯生產工藝簡述與試樣制備
試驗所用軸承鋼的主要成分見表1。軸承鋼鋼水以轉爐生產,LF+ RH精煉,大包容量120t。LF爐和RH公稱容量均為130t,大方坯連鑄機主要參數為:一機六流澆注,鑄機半徑12m;弧形結晶器長度850mm,液壓振動,結晶器電磁攪拌;冶金長度34m,液面自動控制,輕壓下;火焰切割;生產鑄坯規格280mm×380mm。
表1 軸承鋼(GCr15)成分/%
原位分析方法試樣制備與常規火花光譜分析的處理方法類似,首先在連鑄坯橫截面上加工出一個平面,然后用46目樹脂砂紙快速磨出新鮮表面。
方坯試樣尺寸為280mm×380mm,按照同一中間包澆注，同樣時刻分別在不同流中采用不同的拉速生產,各取一塊以便對比。將切割下來的整個方坯橫截面進行機加工,厚度為15mm。在方坯橫斷面上從高度方向中心線向上30mm,寬度方向中心線向左40mm開始線切割一塊150mm×80mm×15mm鋼樣,具體如圖1所示。
2.3 試樣的掃描區域
由于原位分析儀掃描斷面尺寸的限制,在實際分析過程中不是全部試樣表面完整掃描,而是在試樣上選取一定區域進行掃描。具體的掃描區域如圖2所示，掃描面積為40mm×80mm。
3 結果分析及討論
3.1 低倍組織
從軸承鋼大方坯的生產流程來看,由于斷面尺寸大,拉速低,相對小斷面鑄坯而言鑄坯完全凝固時間長。圖3是軸承鋼大方坯橫截面的低倍組織照片,鑄坯尺寸為280mm×380mm。從低倍照片可觀察到,大方坯等軸晶率為48%,疏松區域為100mm×95mm,中心縮孔區域為3mm×3mm。
大方坯的柱狀晶區由于電磁攪拌的作用發生一定角度的偏移。同時,大方坯的等軸晶區偏離中心位置，這可能與大方坯斷面尺寸大而凝固較慢、“結晶器”充分沉積有關。
3.2 偏析
常規的鑄坯偏析測定方法是采用定點取樣，然后進行相應的化學分析，根據不同點得到的化學成分描繪出分布曲線。顯然這種方法獲得的結果無法連續，還會因采樣間隔過大而影響分析的準確性。原位分析可得到不同成分的連續變化的準確結果，能真實反映出樣品表面的成分和缺陷的變化情況。對于軸承鋼，C元素的偏析對力學性能影響較大。圖4列出了試樣各元素在允許偏差范圍內的統計分布，表2則是對應試樣樣品各元素在大方坯中統計結果，表示各元素分布情況對平均值附近一定范圍內區間的覆蓋情況。應當注意的是，各元素的平均含量是用每塊試樣上元素的平均值來表示的，跟鑄坯總體含量均值不同。
(a) C元素分布; (b) Si元素分布(c)Mn元素分布; (d) P元素分布
(e) S元素分布;(f) A1元素分布(g)Cr元素分布
圖4鑄坯試樣中各元素在允許偏差范圍內的統計分布
表2 樣品各元素在大方坯中統計結果
由圖4和表2可見,同一塊鑄坯中C,Si,Mn的偏析情況是越靠近鑄坯中部偏析越嚴重,而由于P,S含量低,多以夾雜物形式存在,分布的隨機性較強,沒有什么規律,P和S的平含量都在允許范圍之內。在鑄坯中部Mn的偏析情況非常嚴重,中部的四個掃描區域內Mn的平均含量都在鋼種要求的下限0.45%之下。
從圖5和圖6可以看出,Z大偏析度為試樣偏析峰值與平均值的比值,代表了元素分布的極端情況,從元素分布二維等高圖可以準確定位偏析的位置和大小。很明顯,同一方坯上邊緣部位C的Z大偏析度小于中部,與允許差范圍內所占的權重比率的分析結果一致,如表3。
表3 各元素的Z大偏析度
(a) C元素分布; (b) Si元素分布(c)Mn元素分布; (d) P元素分布
(e) S元素分布;(f) A1元素分布(g)Cr元素分布
圖6鑄坯試樣各元素二維等高圖
3.3 缺陷和致密度
在原位分析方法中，通過測定連續掃描過程中基體譜線強度的異常變化，不僅可以顯示樣品表面不同部位疏松的變化和部分缺陷的情況，還可以定量計算出樣品的疏松度。由于定量表征疏松度指標沒有統一的方法，而采用樣品的表征密度來表示原位分析所測得的疏松度。原理是通過計算低于正常值(20%)的基體譜線強度在總的激發次數中所占的比例，得到它與樣品平均密度之間的對應關系，由此計算出用樣品表征密度(致密度)表示的鑄坯疏松度定量指標。
通過上述方法，對樣品進行了疏松度測定，見圖7和圖8。暖色表示致密度高，冷色表示致密度低，三維疏松圖中坐標作了壓縮處理，使掃描區域看起來接近正方形，以使作圖方便。
由圖7和圖8可以看出，鑄坯邊緣的部分致密度(>0.83)和均勻性都好于中心部位(<0.66),縮孔和疏松位于圖上的深色部位。從疏松圖上看不出裂紋和疏松的明顯差別。鑄坯邊緣致密度則沒有根本的差別。另外,從軸承鋼的行業標準而言,沒有追求高的等軸晶率，說明在軸承鋼大斷面澆注引起的緩冷條件下得到致密的等軸晶區比較困難。
4 結論
原位分析方法對分析鑄坯成分分布和疏松、缺陷具有連續、定量和直觀的優點，適用于對質量檢驗比較嚴格的軸承鋼鑄坯。將低倍組織分析與原位分析結合起來，能較完整地體現鑄坯試樣的成分分布特征。
軸承鋼同一鑄坯斷面中部的C,Si,M。元素偏析程度大于邊部,其中Mn含量均低于鋼種下限;帶裂紋的鑄坯試樣(相應于高拉速)偏析比無裂紋的鑄坯嚴重,其中C的偏析更為顯著。軸承鋼鑄坯邊緣部位致密度和均勻性都好于中心部位,坯樣邊部致密度達到0.8～0.85,中心達到0.5～0.7。
