悬浮浇注对GCr15轴承钢凝固过程的影响

D0I:10.13374f.issnl001053x.1998.0B.0B4 第20卷第3期 北京科技大学学报 Vol.20 No.3 1998年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.1998 悬浮浇注对GCrI5轴承钢凝固过程的影响 * 于艳 翟启杰 刑长虎 陈金保 胡汉起 北京科技大学铸造研究所，北京100083 摘要通过研究悬浮浇注工艺下GC15轴承钢的凝固动力学过程来探讨悬浮剂的作用机理，并 在实验的基础上分别讨论悬浮浇注工艺对钢锭凝固过程的温度分布，凝固速度、结晶温度间隔以 及形核率的影响.实验结果表明，悬浮浇注能有效地提高钢锭的凝固速度，改善钢锭截面的温度 分布和溶质元素的分布，减小合金的结晶温度间隔，增加钢锭形核率.其结果使钢锭凝固时间缩 短，化学成分分布均匀，缩松缩孔减少，结晶组织细化 关键词悬浮浇注；凝固动力学；凝固速度；GCr15轴承钢 分类号TP771;TF775 悬浮浇注法就是在浇注过程中，将一定量的固体金属粉末加到金属液流中，使其与金属 液一起流入铸型的一种铸造方法.研究和生产实践表明，悬浮浇注能细化品粒，减少缩松缩 孔，缩短凝固时间，并能显著地提高铸件的机械性能和铸件化学成分的均匀性.以往对悬浮 浇注的研究大多集中在其工艺和作用效果上，对其过程的研究甚少，本文通过悬浮浇注工艺 下合金凝固动力学的研究来讨论悬浮剂的作用机理，旨在为合理应用悬浮浇注工艺、提高其 工艺效果提供依据， 1实验方法 采用精炼GC15轴承钢废料作为实验材料，在中频感应炉中重熔，出炉前用铝脱氧.钢锭 模内腔尺寸中70mm×400mm,外形尺寸为Φ160mm×400mm,钢锭质量为14kg.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，采用中碳悬浮剂在钢锭 模中部插人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，根据所记 录的温度曲线绘制不同时刻的温度场，浇注温度为1550℃.为了比较悬浮浇注的作用效果， 本试验采普通浇注和加入2%悬浮剂的悬浮浇注2种工艺. 2实验结果 图】是根据实测结果绘制的钢锭的冷却曲线，图2是钢锭截面的温度场.由实验结果可 以看出，普通浇注的钢锭整个区域内温度较高，钢锭断面的温度梯度较大（如图2所示），凝固 时间长，中心区域结晶温度间隔宽（如图1所示）：而悬浮浇注的钢锭断面的温度分布平坦， 1997-0923收稿于艳女，24岁，博士生 ◆国家经贸委“九五”攻关项目

DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1998. 03. 034

Vol.20 No.3 于艳等：悬浮浇注对GC15轴承钢凝固过程的影响 ·263· 中心区域的温度梯度几乎为零（如图2b所示），凝固时间缩短大约15%，结晶温度间隔窄（如 图Ia所小). I800c 16(05 (a) (b) 1400 1400 1200 I200 0 1000- L.0 w 1000 0.5d 800 0 800t 0 ●0.5 0 1.0 600 600 0 400 400 0 68101214 0246810121416 min min 图1钢锭的冷却曲线(a)普通浇注，(b)悬浮浇注 一钢锭内某点到边缘；R一钢锭的半径；图中数字为.R 1600) 1600 (a) (b) 30 50 1400 1400 120 ● 120 180 1200 1200 240 1000 1000 s00 800- 600 8006 480 600L 6005 0.51.0 1.5 2.0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 R WR 图2钢锭截面温度场：(a普通浇注，(b)悬浮浇注 图中数字为冷却时间，单位5 3实验结果讨论 31悬浮浇注对钢锭温度分布的影响 悬浮剂加人到钢锭中，首先是作为冷却剂，通过自身的升温熔化，吸收钢液的过热热量. 根据热平衡条件，悬浮剂吸收的热量应等于金属液放出的热量： CnT-D)=m's [cns(ToL-T)+n(T-To)+] (1) 式中：（一金属液的比热容：m一金属液的质量：T一浇注温度：下-悬浮剂熔化后金属液的温 度：w,一悬浮剂的加入人量，%：c一悬浮剂的固相比热容：T一悬浮剂的液相线温度：T一悬 浮剂的初始温度：(m一悬浮剂的液相比热容：L,一悬浮剂的结晶潜热. 代入悬浮剂及金属液的热物性参数，式(1)可得： T-91.89ws T= (2) 0.952"s+1

·264· 北京科技大学学报 1998年第3期 式(2)确定了悬浮剂加人量与钢液温度降之间的关系.由此可知加入2%的悬浮剂钢液 过热度可降低32℃. 悬浮剂吸收钢液的过热量，在微观上使钢液中质点周围形成一个降温区，在宏观上极大 地改善了钢锭截面的温度分布（如图2b所示） 3.2悬浮浇注对钢锭的凝固速度的影响 凝固速度是钢锭凝固过程一个极其重要的过程变量，它直接影响到钢锭中晶粒的粗细和 元素的偏析. 凝固速度可表示为：R=V/G,式中，V为合金冷却速度，℃s;R为凝固速度，ms;G为温 度梯度，℃m. 悬浮浇注略微提高了钢锭中心区域的拎却速度（如图1b所示），降低了钢锭截面的温度 梯度（如图2b所示），从而增加了钢锭中心区域的凝固速度， 3.3悬浮浇注对钢锭的形核率影响 形核率是在单位体积中单位时间内形成的晶核数目.形核率越高，晶粒和组织越细，钢锭 的力学性能越高.悬浮浇注工艺在增加钢锭凝固速度的同时，也为钢液提供了大量的异质核 心，使钢锭的形核率大大增加.钢锭的组织就会细化.其结果如图3所示 100μm 100um 图3轴承钢锭的组织，浸蚀剂为4%硝酸酒精.(a)普通浇注；(b)悬浮浇注 3,4悬浮浇注与钢锭的凝固方式的关系 钢锭的致密性和健全性与合金的凝固方式密切相关.轴承钢这样的高碳钢，是宽结晶温 度范围的合金，按体积凝固方式进行凝固.其结果是钢锭缩松、缩孔较严重.悬浮浇注工艺降 低了钢锭断面的温度梯度，按常规理论，其缩松应严重，但实验结果显示其中心缩松大为减 小，这是因为悬浮浇注工艺在降低温度梯度的同时缩短了合金的实际结晶温度间隔.下面讨 论冷却条件对实际结晶温度间隔的影响 由平方根定律可知，钢锭凝固的厚度e=KV,则晶体的生长速度R=dedr=l/2·KW, 于是， x=K2/4R2 (3) 对于固液两相区的凝固时间： L-=△T/GR (4 由式(1)与式(2)相等，可推得：

Vol.20 No.3 于艳等：悬浮浇注对GCr15轴承钢凝固过程的影响 ·265· △T=GK2/4R (5) 将R=G代人(3)式得： △T=GK2/4 (6) 式中：G一温度梯度；R一晶体长大速度（即凝固速度）：一合金的冷却速度；△T一合金结晶的 温度间隔，；K一合金钢锭的凝固系数， 由公式(6)可以看出，实际结晶温度间隔与温度梯度的平方成正比.悬浮浇注工艺极大地 改善了钢锭截面温度分布，因此也减小了钢锭结晶温度间隔，同时也细化了结晶组织，从而降 低了钢锭的中心缩松和缩孔，改善了钢锭的质量.普通浇注和悬浮浇注钢锭中心区域实测结 晶温度间隔分别为60℃和15℃. 3.5悬浮浇注对有效溶质分配系数的影响 GC15轴承钢碳元素含量高，偏析系数大，故碳元素的中心偏析严重，其化学分析结果见 图4.凝固速度对成分偏析有重要影响，用有效分配系数K来讨论液相中有对流作用的溶质 再分配.有效分配系数是与凝固速度有关的物理量，它与凝固速度的关系如下：) K=Cs/Co=Ko/[K+(1-K)e] (7) 式中：K一平衡溶质分配系数；δ、一边界层厚度；D,一溶质在液相中的扩散系数 由此可见，凝固速度越大，C越向C。趋近，偏析越小.悬浮浇注工艺提高了钢锭的凝固 速度，也极大地改善了钢锭中C,S,P的偏析，如图4所示， 1.00 。悬浮浇注 0.022o悬浮浇注 0.021·普通浇注 (b) 0.020。悬浮浇注 ·普通浇注 0.019 (c) 0.96 0.020 ·普通浇注 0.018 0.019 0.92 9 80.017 交0.017 006 0.88 0.015 0.015 0.014 0.84t 0.0131 0.0134 00.250.500.751.00 00.250.500.751.00 00.250.500.751.00 X/R R XR 图4不同工艺钢锭截面上的元素分布：(a)碳；(b)硫：(c)磷 4结论 悬浮浇注工艺降低了钢液的过热度，改善了钢锭截面的温度分布；提高了钢锭的形核率， 合金的组织得到细化；减小了合金的结晶温度间隔，减弱了钢锭中心缩松程度；并极大地提高 了钢锭的凝固速度，改善了钢锭截面C,S,P分布. 参考文献 ,1王金华.悬浮铸造，北京：国防工业出版社，1982 2胡汉起.金属凝固原理.北京：机械工业出版社，1991 (下转306页)

·306· 北京科技大学学报 1998年第3期 参考文献 1舒迪前.预测控制系统及其应用.北京：机械工业出版社，1996 2 Tamk D W.Hopfield J J.Simple Neural Optimization Netwoeks:AD A /D Converterm Signal Deci. sion Networks,and a Linear Programming Circnit.IEEE Trand CAS,1986,33:544 3石中锁.板形板神经网络预测控制与H控制系统的研究：[博士论文].北京：北京科技大学，1997 AGC-ASC Decoupled Neural Networks Predictive Control Method Shi Zhongsuo Sun Yikang Information Engineering School UST Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT The coupling models for the thickness-crown objects is established.A Dynamic Matrix Controller based on the TH neural networks is given with the conver- gence property.The computer simulations with the AGC-ASC decoupled neural networks predictive control system is complemented and it shows that the stable states of neural networks are reached with on more that one us,this has not only satisfied the fast prop- erty of rolling process,but also obtained a higher control index. KEY WORDS control/dynamic matrix control;neural networks;AGC-ASC synthetic system;convergence 中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中 (上接265页) Effects of Suspension Casting on Solidification Process of GCr15 Steel Ingot Yu Yan Zhai Oijie Xing Changhu Chen Jinbao Hu Hangi Foundry Institution.UST Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT The mechanism of inoculation in the case of suspension casting process has been studied through solidification kinetics.The effect of suspension casting process on temperature field,solidification rate,temperature gap of crystallization,effective distribu tion coefficient of solute and nucleation frequency during solidification process in steel ingot were discussed on the base of experiments.It has been found that the suspension casting process can increase both cooling rate and solidification rate of steel ingot, improve the temperature field and solute distribution,narrow the temperature gap of crystal- lication,and increase the nucleation frequency.Thus,the solidification time can be shorten, the solute can be well distributied,the shrinkage porosity can be reduced and the grain of crystallization can be fined. K EY WORDS suspension cating process;solidification kinetics;solidification rate;GCrl5 Steel