D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2002.01.035 第24卷第1期 北京科技大学学报 Vol.24 No.1 2002年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2002 脉冲电压对GCr1s轴承钢凝固组织的影响 赵显祥”苍大强》王建中) 1)北京科技大学冶金学院，北京1000832)辽宁工学院科研处，锦州121000 摘要首次在实验室条件下将电脉冲处理运用于GC:轴承钢凝固组织的研究，通过改变脉 冲电压得到了枝晶显著细化的凝周组织，在一定程度上使GC:轴承钢的珠光体发生粗化变 化.并且对电脉冲细化金属的机理进行了探讨 关铺词脉冲电压：GCr:轴承钢：凝固组织 分类号TG115.21 用电脉冲改善金属凝固组织新技术，能 一起移至炉外随空气冷却.将所得各试样用砂 使组织细化，有利于提高金属质量.本文在实验 轮锯沿纵向切开，取一半在磨床上磨光，用1：1 室条件下将电脉冲技术应用于GCr钢，通过改 盐酸水溶液在80℃左右热浸20min,然后依次 变脉冲电压观察电脉冲对凝固组织枝晶细化的 用清水和无水酒精冲洗，吹干用以观察其低倍 影响. 组织.另一半制备高倍试样. 1试验 2实验结果 采用中40 mm GCr,轴承钢圆钢作原料，在实 图2是实验所得钢锭凝固组织.比较图2可 验室条件下进行试验，试验设备如图1所示.为 以看出，空白样具有典型的模铸钢锭凝固组织， 消除钢液脱氧带来的影响，试验前炉料经过车 即中心为等轴晶，四周为树枝晶：脉冲电压200 削除锈，加热过程中采用炉底通N,保护.每炉 V下处理钢锭的枝晶比较发达，1次晶臂和2次 次称1700 g GCrs钢置于刚玉坩埚（φ72mm×104 晶臂都比较明显，且整个断面几乎没有等轴晶 mm)内，炉温升至1550℃，保温1h(炉内温度 区：脉冲电压为300V时，钢锭近轴区域出现等 1480℃)：处理前电极预热30s,固定脉冲频率2 轴晶，但范围比较小，树枝晶的1次枝晶臂形态 Hz,处理时间30s,改变脉冲电压(200,300,500， 比较明显，且生长方向近似于传热方向；当脉冲 700V)进行处理；处理完毕后将坩埚连同钢液 电压为500V时，小钢锭的整个纵剖面上大多 电脉冲发生器 数为等轴晶，存在的树枝晶由退化枝晶或取向 电缆 不同的短枝晶组成，这说明在该脉冲电压下有 比较明显的处理效果；但当脉冲电压为700V 热电偶 时，钢锭凝固组织又出现了恶化，除了粗大的等 电极 轴晶外，树枝晶的1次枝晶形态比较明显，这类 坩埚 似于脉冲电压为300V时的情况. 控温仪 为了进一步探究电脉冲孕育处理技术中脉 金属液 硅-组棒炉 冲电压对GC钢凝固组织的影响，取钢锭另一 底座 半先后经过平面砂轮磨平，600#、800#砂纸研 保护（入口 图1实验装置示意图 磨，再经抛光机机械抛光，用4%硝酸酒精溶液 Fig.1 Schematic of experimental setup 擦蚀，观察各试样珠光体，其金相照片如图3所 示. 收稿日期200103-26赵显样男，31岁，讲师，硕士 GCr轴承钢含碳0.98%，属于过共析钢.由 *国家“"973”资助“新一代钢铁材料重大基础研究”项目
第 24卷 第 1期 20 02年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 oJ u r . a l o f U n elv r s ylt o f s e蜘 e e a o d及 c h n o l o盯 Be lj i n g Vb L2 4 NO 一 1 几 b . 2 002 脉冲电压对 G C rl , 轴承钢凝 固组织的影响 赵显祥 ` , 苍大强 ” 王 建中 ” l )北京科技大学冶金学院 , 北京 10 0 0 83 2 )辽宁工学院科研处 , 锦州 12 10 00 摘 要 首次 在实验室 条件下 将电脉冲处理 运用 于 G C r l , 轴承钢 凝固组 织的研究 , 通过 改变 脉 冲电压得 到 了枝 晶显 著细化 的凝 固组织 , 在一定 程度 上使 G C r l , 轴承钢 的珠光体发生 粗化 变 化 . 并且对电脉冲细化金 属 的机理进行了探讨 . 关抽词 脉冲电压 ; G C r . , 轴承钢 ; 凝固组织 分类号 T G l l s . Z I 用 电脉 冲改善金属凝 固组 织新 技术 `回 , 能 使组织细化 , 有利于 提高金属质量 . 本文在实验 室条件下将 电脉 冲技术应用 于 G C lr , 钢 , 通过改 变脉 冲电压观察电脉 冲对凝固组织枝晶细化 的 影响 . 一 起移 至炉 外 随空 气冷却 . 将所得各试样用 砂 轮锯沿纵 向切 开 , 取一半在磨床上 磨光 , 用 1 : l 盐 酸水溶液在 80 ℃ 左右热浸 加 m in , 然后依次 用 清水 和无水酒精 冲洗 , 吹 干用 以观察其低倍 组织 . 另一 半制备高倍试样 . 1 试验 采用中4 0 m m G C r . 5轴 承钢 圆钢作原料 , 在实 验室 条件 下进行试验 , 试验设备如 图 1 所示 . 为 消除钢液脱氧带来 的影响 , 试验前 炉料经过 车 削除锈 , 加热 过程中采用 炉底通 N Z 保护 . 每炉 次 称 1 7 0 0 g G C r : , 钢置 于 刚玉增涡帅7 2 m m x 10 4 ~ )内 , 炉 温升至 1 5 50 ℃ , 保 温 1 h( 炉内温度 148 0 ℃ ) ; 处理前 电极预热 30 5 , 固定脉 冲频率 2 H z , 处理时间 3 0 5 , 改变脉 冲电压 ( 2 0 0 , 3 0 0 , 5 0 0 , 70 0 v) 进 行处 理 ; 处 理完 毕后将 增涡连同钢液 电脉冲发生器 电缆 热 电偶 电极 柑塌 金属液 硅州 }棒炉 底座 保护 产 (入 口 控温仪 圈 1 实脸装且示意圈 F i g . 1 S e七e . a ti e o f e x P e ir m e n t a l s e加 p 收稿 日期 2 0 01 一3 一 26 赵显祥 男 , 31 岁 , 讲师 . 硕 士 * 国家 , 73 ” 资助 “ 新 一代钢铁材料重 大基础研 究 ” 项 目 2 实验结果 图 2 是实验所得钢锭凝 固组织 . 比较 图 2 可 以看 出 , 空 白样具有典型 的模铸钢锭凝 固组织 , 即中心 为等轴晶 , 四周 为树枝 晶 ; 脉 冲电压 2 0 V 下处理钢锭 的枝晶 比较发达 , 1 次晶臂 和 2 次 晶臂都 比较 明 显 , 且整个断 面几乎没有 等轴 晶 区 ; 脉 冲电压 为 3 0 V 时 , 钢锭 近轴 区域 出现等 轴晶 , 但范围 比较 小 , 树枝 晶的 1 次枝晶臂形态 比较 明显 , 且 生长方 向近似于 传热方向 ; 当脉冲 电压为 5 0 V 时 , 小钢锭 的整 个纵 剖面 上 大多 数为等轴晶 , 存在 的树枝 晶由退化枝 晶或取 向 不同的短枝 晶组成 , 这说 明在该 脉冲电压下有 比较明显的处理效果 ; 但当脉冲 电压为 7 0 V 时 , 钢锭凝固组织又 出现了恶化 , 除了粗大的等 轴晶外 , 树枝晶的 1 次枝晶形 态比较 明显 , 这类 似于 脉冲电压为 3 0 0 V 时 的情况 . 为了进一步探究 电脉冲孕育处理技术 中脉 冲电压对 G C lr s 钢凝 固组织 的影 响 , 取钢锭另一 半先后经过平面砂轮磨平 , 6 0#0 、 8 0 0# 砂 纸研 磨 , 再经抛光机机械抛 光 , 用 4% 硝酸酒精溶 液 擦蚀 , 观察各试样珠光体 , 其金相照 片如图 3 所 不 . G C r . 5轴承钢含碳 .0 98 % , 属 于 过共析钢 . 由 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2002. 01. 035
Vol.24 No.1 赵易祥等：脉冲电压对GCr15凝固组织的影响 ·23· 图2不同脉冲电压时GCrs的凝固组织 Fig.2 Solidification structure of GCrs steel under various pulse voltages 图3不同脉冲电压时GCrs钢珠光体形貌 Fig.3 Perlites shape of GCrsteel under different pluse voltages 图3可知，从珠光体形貌上看，未处理的试样具 3讨论 有典型的过共析钢珠光体结构，其珠光体片层 明显，片层间距较大，平均为0.33μm.在最佳脉 到目前为止对电脉冲影响金属凝固的内在 冲处理电压500V下，珠光体片变粗、变短，出 机制尚不清楚，对该现象的解释也是众说纷纭 现扭曲，片层间距变小，平均为0.137μm,而且 另外，关于液态金属结构人们还认识不清，所以 有短杆状珠光体出现；脉冲处理电压700V时， 只能在基于以下假设的基础上对实验中的现象 片层间距又有所增加，平均为0.25m.含铬轴 作出解释5网. 承钢的特点是由于铬和碳的偏析造成晶粒大小 (1)液态金属是由金属团簇和液态金属原子 很不均匀，只有当压缩比很大时或者钢锭和钢 构成的，这种团簇是由许多金属原子组成并具 坯采用扩散退火才能保证晶粒均匀.影响扩散 有一定尺度和稳定性的原子团：而且不同温度 退火速度的一个重要因素是材料的原始组织， 下这种晶胚的尺度是不一样的，温度高时晶胚 原始组织越细，扩散退火越容易 趋向于小尺度变化，温度低时趋向于大尺度发 凝固理论认为，铸锭的一般疏松、中心疏松 展 和显微偏析是由于树枝晶和晶间偏析引起的化 (2)液态金属内部的团簇稳定存在是相对 学成分不均匀造成的.也就是说化学成分的不 的，在稳定存在的同时也具有类似单个原子热 均匀是树枝晶形成的必然结果.由此我们可以 运动的忽聚忽散的不稳定一面，这种热运动的 通过减少树枝晶数量和改善其形态的途径来达 范围不会超越距离该团簇最近的位垒. 到减小成分不均匀，从而减少铸锭上述组织缺 对于已经存在的团簇来讲，当施加电脉冲 陷的目的 时，团簇外电层结构将由于电场作用而发生畸
●24 北京科技大学学报 2002年第1期 变.这种畸变将会导致团簇一侧外电层电位的 (2)不同的脉冲电压对GCr1,钢的影响不同， 降低，而团簇一侧外电层电位的降低有利于该 不同实验条件下存在一个最佳脉冲电压 团簇周围的团簇或原子与之结合.当向金属液 参考文献 中引人电脉冲时，实质上是向液态金属施加了 1 Misra A K.A Novel Solidification Technique of Metals 电场；由于电场的影响使团篪外电层结构发生 and Alloys under the Influence of Applied Potential[J]. 畸变，该原子团或团簇就长大成为更大尺度的 Metals Trans,1985,16A:1354 团簇.按照传统凝固理论的观点，该原子团或团 2素荣山，哪红春，何冠虎.直接晶化法制备块状纳米 簇尺度越大，其形核或结晶需要克服的位垒（或 材料的探索【脉冲电流下无序金属介质的成核理论 势垒)就越小，从而形核率也就越高，而形核率 [J】.材料研究学报，1995,9(3)：219 的提高会增大等轴晶区，减小柱状晶区，使金属 3 Li Jianming,Li Shengli,Li Jin,et al.Modification of Soli- dification Structure by Pulse Electric Discharging [J], 凝固组织更加均匀 Scripta Metallurgica Materialia,1994,12(31):1691 4宋维锡.金属学M.北京：冶金工业出版社，1979 4结论 了冯端，金国钧.凝聚态物理学新论M).上海：上海科学 技术出版社.，1992.286 (I)脉冲能够改变GCr:钢的凝固组织，对 6王建中.电脉冲孕育处理技术研究与液态金属团簇 GCr,钢高倍组织或低倍组织结构都能发生一 结构假设[D]:[博士学位论文]，北京：北京科技大学， 定的变化 1999 Solidified Structure Improvement of GCrs Steel with Electro-pulse Voltage ZHAO Yuxiang",CANG Dagiang,WANG Jianzhong" 1)Metallurgical Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Engineering Collage Liaoning,Jinzhou 121000,China ABSTRACT Electro-pulse treatment was first used in bearing steel-GCris in laboratory.The experimental results show that the solidification structure is fined significantly through changing in electro-pulse voltage Simultaneously it is found that the perlities are coarsened gradually under the electro-scanning microscope. The mechanism of EPM for improving the solidificatian structure has been discussed as well. KEY WORDS electro-pulse voltage;GCris:solidification structure
北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 2 年 第 1 期 变 . 这种畸变将会导致 团簇一侧外 电层 电位 的 降低 , 而 团簇一侧外 电层 电位 的降低有 利于 该 团簇 周围的团 簇或原子与之结合 . 当向金属 液 中引人电脉冲时 , 实质上 是 向液态 金属施加 了 电场 ; 由于 电场 的影 响使团簇外 电层结构发 生 畸变 , 该原子 团或 团簇就长大成 为更大 尺度 的 团簇 . 按照传统凝固理论的观点 , 该原子 团或团 簇 尺度越大 , 其形核或结 晶需要克服的位 垒(或 势 垒 ) 就越小 , 从 而形核率也 就越 高 , 而形核率 的提高会增大等轴 晶区 , 减小柱状 晶区 , 使金属 凝 固组织更加均匀 . (2 ) 不 同的脉冲电压对 G C lr , 钢的影 响不同 , 不 同实验 条件下 存在一个最佳脉 冲电压 . 今 考 文 献 4 结论 ( l) 脉冲能够改变 G rC : , 钢的凝 固组织 , 对 G C lr , 钢 高倍组织 或低倍组 织 结构都 能发生一 定 的 变 化 . M l sar A K . A N vo e l S o li di几iat on l ’e e hn iq u e o f M . at l s an d A ll o y s u n d e r th e Id u e n e e o f A PP li e d P心nt i a l [ J l . M e扭 l s rT 即s , 19 85 , I 6 A : 13 5 4 秦 荣山 , 邓红春 , 何冠虎 . 直接晶化法制备块状 纳米 材 料的探索 I 脉冲电流下无 序金属介质的成核理论 [ J ] . 材料研究学报 , 199 5 , 9 ( 3) : 2 19 L i Ji a月m i n g , L 二S h e ng li , L I J玩 , e t a l . M do iif cat i朋 o f s o ji - di if c iat on s 切u c h 甘 e 勿 P u l s e E l e c t r i c D i s c h agr i n g [ J ] , S e r iPat M e at ll u gr i c a M 咖ir 川i氏 19 94 , 12( 3 1) : 16 9 1 宋维 锡 . 金属学脚 1 . 北 京: 冶金工业 出版社 , 19 79 冯端 , 金 国钧 . 凝聚态物理学新 论【M l . 上海 :上海科学 技 术 出版社 , 19 9 2 . 2 8 6 王建中 . 电脉冲孕育处理技术研究与液态金属 团簇 结构假设 〔D ] : 【博士学位论文 ] , 北 京 : 北京科技大学 , 19 9 9 S o lidiif e d S t u c tUr e Im P or v e m e n t o f G C r , , S et e l w iht E l e e tr o 一 P u l s e VO l t a g e Z月月 O , cA N G D 啊沁心 ) , 洲刀 G iJ a 刀z h 。衅 l ) M . at ll u玛 i e a l Eng i昭 r ing S c h o l , U S T B . U吨 , B e幼ing l 0() 0 8 3 , C h in a Z ) E咚i n e e r ha C 0 ll吧 e L i aon 沁肠 J访 hz o u 12 l 0 0() . C h in a A B S T RA C T E l e c t r O一u l s e tre a o n e nt w a s ifr s t u s e d i n b e iar n g s t e e l 一 G C r . , i n l a b o ar t o yr . hT e e x Pe r如 e ant l r e s u lt s s h o w ht a t ht e s o liid if c at ion s trU e utr e 1 5 if en d s i g in if e ant l y t hr o u gh c h an g ign in e l e e otr 一 Pu l s e v o lat g e . S ha u lt a n e o u s ly it 1 5 fo un d ht a t het Pe r liti e s aer c o a r s en e d gr a d期ll y un d盯 ht e e l e c otr 一 s c a n n i n g m i的 s c o Pe . hT e m e c h an i sm o f E PM fo r im Pr o v i n g ht e s o liid if e a t i曲 s utr e tU r . h a s b e e n d i s e u s s e d a s w e ll . K E Y W O R D S e l e c tr o · uP l s e v o lt a g e ; G C r : , : s o lid iif ca t i o n s七” c权犷 e