感应电渣离心浇铸件中的夹杂物

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1998.05.006 第20卷第5期 北京科技大学学报 Vol.20 No.5 1998年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1998 感应电渣离心浇铸件中的夹杂物 徐卫国 陈希春 周德光 傅 北京科技大学冶金学院，北京100083 摘要对感应电渣离心浇铸件中的夹杂物进行了定性和定量分析，讨论了离心机转速对夹杂物 形貌及分布的影响，并计算了感应电渣离心浇铸件中夹杂物的最大尺寸.结果表明：感应电渣离 心浇铸件中硫化物夹杂含量低，分布均匀；氧化物夹杂含量较高，沿径向方向上存在一定的差异， 从铸件外表面至内表面，夹杂物尺寸增大，面积分数增加：离心机转速提高，球形夹杂物比率增 多，而锐角夹杂物比率减少；感应电渣离心浇铸件中夹杂物最大直径仅为6.6μ， 关键词感应电渣离心浇铸；夹杂物：铸件 分类号TF14;TG249.4 感应电渣离心浇铸(Centrifugal Induction Electroslag Casting,简称CESC是80年代末 由北京科技大学电冶金教研室研究开发的一项电渣冶金新技术，该技术的基本原理是采用感 应炉准备合适成分和温度的金属液，用化渣炉准备高温液态熔渣，先将部分熔渣浇人旋转的 铸模内形成渣皮，接着将熔渣和金属液一同浇入，待铸件在离心机铸型中凝固成形后得到致 密无缺陷的优质毛坯川， 利用该技术提供毛坯制造的冷作模具和热作模具，使用寿命可以达到甚至超过由锻件制 造的模具.例如，北京汽车钢圈厂和唐山汽车车轮厂用CIESC GC15V毛坯制作的冷挤压轮 使用寿命与同钢种铸件相比提高1倍以上；大治特殊钢集团公司170分厂等厂用CIESC H13 毛坯制作的ASSEL轧辊使用寿命比同钢种电渣重熔铸件提高50%. 由于感应电渣离心浇铸工艺过程的特殊性，其铸件中夹杂物的特征必然有特殊之处.为 此，本文对感应电渣离心浇铸件中的夹杂物进行定性和定量分析， 1实验方法 (I)取样方法.试样材质为感应电渣离心浇铸件5 CrMnMo,从铸件的3个不同高度上( 上、中、下)和3个横截面点（外表面1、12厚度 处2、内表面3)切取9个试样，如图1所示. (2)分析方法.用金相显微镜、图像自动分析 仪分析非金属夹杂物的类型、大小、数量、形态及 分布；用电子扫描电镜分析非金属夹杂物的成分 及组成. 123 图1取样部位示意图 1997-12.10收稿 徐卫国 男，30岁，讲师，博士

第2 0 卷 19 8 年 第5 期 1 0 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Jo u r n a l o f U n i v e r s i ty o f 灰i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e ij i n g V o l . 2 0 N o . 5 《k L 19 8 感应 电渣离心浇铸件 中的夹杂物 徐卫 国 陈希春 周德 光 傅 杰 北京 科技大学 冶金学院 , 北京 10 0 0 83 摘要 对感应 电渣离心 浇铸件 中的夹杂物进 行 了定性 和 定量分 析 , 讨论 了 离心 机转速 对夹杂物 形貌及分 布 的影 响 , 并 计算 了感 应 电渣 离心浇铸件 中夹杂 物的最大 尺 寸 . 结果 表明 : 感应 电渣 离 心浇铸件 中硫 化物夹杂含量低 , 分布均 匀; 氧化物夹 杂含量较高 , 沿径 向方 向上 存 在一定 的差 异 , 从 铸件外 表面 至内表 面 , 夹 杂物 尺寸增 大 , 面 积分数 增加 ; 离 心机转 速提 高 , 球形 夹杂物 比率增 多 , 而锐角夹杂物 比率减少 ; 感应 电渣 离心 浇铸件 中夹杂物最大直径仅为 .6 6 协m . 关健词 感应电渣 离心浇铸 ; 夹杂物 ; 铸件 分类号 T F 14 ; T C 趁4 9 . 4 感应 电渣离心浇铸 ( ce n 苗 ur g al I n d u e it o n E l e e otr s l吧 C a s it n g , 简称 e I SE )C 是 8 0 年 代末 由北 京科 技大 学 电冶金 教研室 研究 开发 的一项 电渣 冶金 新技 术 . 该 技术 的基本原理 是采 用感 应 炉 准备合适 成分 和温度 的 金属 液 , 用 化渣 炉 准备 高温 液态 熔渣 , 先 将部 分熔渣 浇人 旋转 的 铸模内形 成渣 皮 , 接着 将熔渣 和金 属液 一 同浇人 , 待铸件在 离心 机铸型 中凝 固成 形后 得到 致 密无缺 陷 的优质毛坯 川 . 利 用 该技术提供毛坯制 造的冷作模具 和热作模 具 , 使用 寿命可 以 达到 甚至 超过 由锻件 制 造 的模 具 . 例如 , 北 京 汽车钢 圈厂 和唐山汽车车轮厂 用 cI ES C G C r l S V 毛坯 制作 的冷挤压 轮 使用寿命 与同 钢种铸件 相 比提 高 l 倍 以 上 ; 大冶特殊 钢集团公 司 170 分厂等 厂用 CI ES C H 13 毛坯制 作 的 A S S EL 轧辊使用寿命 比同钢种 电渣重熔 铸件 提高 50 % . 由于感 应 电渣 离心浇 铸工 艺过程 的特殊性 , 其 铸件 中夹 杂 物 的特征 必然 有特 殊 之处 . 为 此 , 本文对感应 电渣离心 浇铸件中的夹杂物进行 定性和 定量 分析 . 1 实验方 法 l( ) 取样 方法 . 试 样材质 为感 应 电渣离心 浇铸件 s c r M n M o , 从 铸件 的 3 个不 同高度 上 ( 上 、 中 、 下) 和 3 个横截 面点 ( 外表 面 1 、 12/ 厚度 处 2 、 内表 面 3) 切取 9 个试样 , 如 图 1 所 示 . (2 ) 分 析 方法 . 用 金相 显微镜 、 图像 自动分析 仪分析非金 属夹杂物 的类 型 、 大 小 、 数 量 、 形 态及 分布 ; 用电子 扫描 电镜分析 非金 属夹 杂物 的成分 及 组成 . 上 霹寻) 李摹兰{ 腆 图 1 取样 部位 示意 图 f 9 7 一 12 一 10 收稿 徐卫国 男 , 30 岁 , 讲师 . 博 士 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1998. 05. 006

·432· 北京科技大学学报 1998年第5期 2 实验结果 2.1非金属夹杂物的类型 感应电渣离心浇铸件中存在的非金属夹杂物主要是氧化物、硫化物.从铸件的金相检验 分析中可以看出，硫化物夹杂含量低，其面积分数为0.01%；氧化物夹杂含量较高，多以球状 形态存在，基本上是复杂的尖晶石和铝酸盐玻璃 2.2非金属夹杂物的分布 硫化物夹杂比较细小，分布均匀，沿径向和轴向无明显的差别.氧化物夹杂的尺寸均小于 10μm,其中绝大部分小于4μm,沿轴向无差别，但在径向上有一定的差异，见表1， 表1电渣离心浇铸件氧化物、疏化物夹杂含量及尺寸分布 试样面积分 1mm2上夹杂物数量/个 类型 位置数/% ∑≤1.0μm1.0~2.0μm2.0~3.0μm3.0~4.0μm4.0~5.0μm5.0~6.0μm26.0μum 氧化物I# 0.07 124 92 48 7 3 0 0 夹杂 2# 0.3 75 45 36 24 9 2 0 3# 0.18 34 25 34 23 16 硫化物1# 0.01 1 0 0 0 0 夹杂 2# 0.01 2 1 0 0 0 0 3# 0.01 2 0 0 0 氧化物夹杂沿轴向方向上的分布变化可以用线性规律来描述，在铸件外部(1#位)，夹杂 物细小，大部分小于1μm,其加权平均直径为1.3μm:铸件中部(2#位)，夹杂物尺寸增大，加 权平均直径为1.9μm;铸件内部(3#位)，其加权平均直径已增大至2.4μm. 3讨论 3.1离心机转速的影响 夹杂物数量及尺寸沿径向上的偏析情况可以用不同尺寸夹杂物的内浮速度的差别来解 释，当离心机转速一定时，尺寸大的夹杂物所受的内浮力大，即向铸件内表面漂移的速度大， 因而尺寸大的夹杂物向内层偏聚.随着离心机转速的提高，非金属夹杂物数量降低，但同时小 的夹杂物相互碰撞而凝集的概率也增大，从而加剧夹杂物的偏聚☒， 在不同的离心机转速下，锐角氧化物夹杂的 数量与球形氧化物夹杂数量之比()也随之发生 1.5 变化，见图2.离心机转速提高，K值降低，即当离 1.0 心力提高时，球形夹杂物比率增多，而锐角夹杂物 0.5 比率减少 3.2夹杂物的最大尺寸 0100200300400500 ω/(rmin') 夹杂物在离心力作用下内浮运动的雷诺数 图2离心机转速对锐角与球形氧化物 au Re= (1) 夹杂数量之比()的影响

北 京 科 技 大 学 学 报 19 9 8年 第 5期 2 实验结 果 2 . 1 非金属 夹杂物 的类 型 感 应 电渣 离心 浇 铸件 中存 在 的非金 属 夹 杂物 主要 是 氧 化物 、 硫 化物 . 从 铸件 的金 相检验 分 析 中可 以 看 出 , 硫 化 物夹 杂含 量低 , 其 面 积分 数 为 .0 01 % ; 氧 化物 夹 杂含 量 较 高 , 多 以 球状 形 态存在 , 基本 上是 复 杂 的尖 晶石和 铝酸 盐玻 璃 . .2 2 非金 属夹 杂物的 分布 硫化物夹杂 比较 细小 , 分 布均 匀 , 沿 径 向和轴 向无 明显的 差别 . 氧化 物夹 杂 的尺寸 均小于 10 协m , 其 中绝大 部分 小于 4 协m , 沿轴 向无差 别 , 但在 径 向上 有一 定的差 异 , 见表 1 . 表 1 电渣离心 浇铸件 氧化物 、 硫化物夹杂含t 及尺寸分布 试样 面 积分 位 置 数/ % 1 ~ 2上夹杂物数量 /个 类 型 工` 1 . 0协m 1 . 0 一 2刀协m Z乃一 3 . 0协m 3 . 0一 4 . 0协m 4 . 0 一 5 . 0 协m 5 . 0 一 6 . 0协m 之 6 . 0 协m 氧化物 夹杂 1 非 2 非 0 . 0 7 0 . 13 1 2 4 9 2 4 8 7 5 4 5 3 6 3 非 0 . 1 8 3 4 2 5 3 4 2 3 1 6 7 3 硫化物 l 非 0 · 0 1 1 1 1 0 0 0 0 夹杂 2 非 o · 0 1 2 1 1 0 0 0 0 3 朴 0 . 0 1 2 1 1 0 0 0 0 氧化 物夹 杂 沿轴 向方 向上 的分布 变化 可 以 用 线性 规律来 描 述 . 在铸件外 部 ( #l 位 ) , 夹杂 物 细小 , 大 部分 小 于 1 协m , 其加 权平 均 直 径为 1 . 3 协m ; 铸 件 中部 (#2 位 ) , 夹杂 物尺 寸增 大 , 加 权 平 均直径 为 1 . 9 卜m ; 铸件 内部 (#3 位 ) , 其加 权平 均直 径 已增 大至 2 . 4 卜m . 3 讨论 3 . 1 离心机转速 的影 响 夹杂 物 数量 及 尺寸 沿 径 向上 的偏 析情况可 以 用 不 同尺 寸夹杂物 的 内浮速度 的差 别来解 释 . 当离心 机转 速 一 定 时 , 尺 寸大 的夹杂物所 受 的 内浮力 大 , 即 向铸件 内表 面漂移 的 速度 大 , 因而尺 寸 大 的夹 杂物 向内层偏 聚 . 随着 离心 机转速 的提 高 , 非金 属夹 杂物数 量降低 , 但 同时小 的夹杂 物相 互 碰撞 而 凝集 的概 率也 增大 , 从而加 剧 夹杂物 的偏 聚 12] . 在 不 同 的离 心 机 转 速 下 , 锐 角 氧 化 物 夹 杂 的 数 量 与 球 形 氧 化 物 夹 杂 数 量 之 比 ( 幻 也 随 之 发生 变 化 , 见 图 2 . 离 心 机 转 速 提 高 , K 值 降低 , 即 当离 心 力提 高 时 , 球 形 夹 杂物 比 率增 多 , 而 锐 角夹 杂物 比率减 少 . .3 2 夹杂物 的最 大尺 寸 夹杂 物 在 离 心 力 作 用 下 内 浮 运 动 的雷 诺 数 d u 掩 = — ( l ) V 火 . _ _ 甲一卜 10 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 毋 / ( r · im n 图2 离心机转速对锐角与球形氧化物 夹杂数且之 比(幻的影 响

Vol.20 No.5 徐卫国等：感应电渣离心浇铸件中的夹杂物 ·433· 式中：d为夹杂物直径，这里假定为10μm;4为夹杂物分离速度，由模型实验测得为 0.306cm/s;v为钢液的运动粘度，v-0.008cm1s.把上述数值代入(1)式，得Re=3.8×10-2.当 R

v .lo 20 吻 .5 徐卫国 等 :感应 电渣 离心 浇铸件 中的夹杂物 . 4 3 3 . 式 中 : d 为 夹 杂 物 直 径 , 这 里 假 定 为 10 协m ; “ 为 夹 杂 物 分 离 速 度 , 由 模 型 实 验 测 得 为 0 . 30 6 c而sl[] ; v 为钢液 的运动 粘度 , v 一 0 . 0 08 c m Z s/ . 把上 述数 值代 人 (l ) 式 , 得 掩一 3 . 8 x 10 一 ’ . 当 凡< 2 时 , 夹杂物在 离心力作用下 , 由于密度 差所产 生 的 内浮 速度 为 : 2 ~ P m 一 P , , U = 一 . 人 . — · r - 9 产m ( 2 ) 式 中 , 天七田 ZR , . 为铸模 旋转 角速 度 , R 为旋 转半 径 , 即 夹杂 物 与旋 转 中心 的距 离 . 夹 杂 物半 径 ()r 越 大 , 与旋转 中心 轴的距离越 远 , 内浮速 度越大 . 因 此 , 只 要 夹杂 物 的尺寸 大于 某一 临界 半 径 , 则大 于此尺 寸的夹杂 物就不会残 存于铸件 内 . .sr 可 由以 下公 式计 算 : 犷 r 临 一 [ g u m ax · 拜m ZK · 勿 m 一 P s ) ( 3 ) 式 中 , R = 2 0 e m , u钩 . 3 0 6 e耐s 讲 。 = 0 . 0 0 5 7 6 p a · s , 山 = 9 0 0 r/ m i n 币 m 一 7 . 2 g z c m , , 户 s = 2 . 8 6 9 / e m , . 代人 (3 )式 , 得 、 一 3 . 3 协m . 所 以 , 感应 电渣离心 浇铸件 中最大夹杂 物直径 为 6 . 6 卜m , 这 与实验 结果 相符 . 4 结论 ( l) 感 应 电渣 离心 浇铸件中硫 化物 夹杂 含量低 , 面积 分 数 为 0 . 0 1% , 分 布 均匀 . 氧 化物 夹 杂 含量 较 高 , 多 以 球状形态 存在 , 数量 与尺寸 沿径 向方 向有差 异 , 从铸 件外 表 面至 内表面 , 夹 杂 物尺 寸增 大 , 面积分数增大 . (2 ) 离心 机转速提高 , 球形夹杂物 比率增多 , 而 锐角 夹杂 物 比 率减 少 . (3 ) 试验 条件下 , 感应 电渣离心浇铸件 中最大 夹杂物 直径 为 6 . 6 卜m . 参 考 文 献 1 徐 卫国 . 感应电渣离心浇铸工艺及理论研究 : [ 博士 学位论 文〕 . 北京 : 北 京科技大学 , 1 9 94 Z M 叨。朋p B H . 3 月 e KT p o 脚队o s a T rH e乃 H既 助阳K阴 P” 月 H B K a M e T ~ a . 枷 e B : H a y K o B a 八y袱 a 1 9 8 8 nI e l u s i o n s i n C e n tr ifu g a l I n d u e t i o n E l e e t r o s l a g C a s t i n g s Xu 附ig u o hC e n 不c h u n 及 o u D ge u a n g uF iJ e M e atl l l l r g y S e h o o l , U S T B e ij i n g , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , C h 一n a A B S T R A C T I n e lus i o n s i n eC n itr fu g al I n duc it o n E l e e tr o s l a g C as it n g s m ac h i n e W e 代 q ua lita it v e l y q uan it ta it v e l y a n al y z e d . hT e i n fl ue nc e s i n e lus i o n s P a te m W C 化 o f hte e e n t ir fu g a l d i s c u s s e d . 们l e ro ta it o n a l l a r g e s t s i z e o f ht e s pe e d o n i n c l u s i o n s ht e e as it n g s W as ht C a n d d i s itr b u it o n al s o C a l C u l a te d . 丁七e re s u lts id s itr b u te d a n d ht C re a re S o r n C c o n te n t 1 5 l o w , w 场l e th e S h o w C o n et n t ht a t s u lPhi d e i n c l u s l o n s o f o x i d e 一n e lus i o n s 1 5 a l . e hi g h e V C n a n d ` d 、护 甘 ` hn d i fe er n c e s a l o n g ar d i a l d i er c it o n . W i t h t h e i n e er as e ht e e e n itr fu g a l m ac hi n e or at it o n a l s ep e d , ht e ar it o o f or u n d . i n c l u s i o n s i n c l u s i o n s d e e er as e s . hT e l a gr e s t d i am e et r o f th e i n e l u s i o n s I n C 代a S C S a n d 0 f het 一n t h e e as it n g s 1 5 r a it o o n l y o f s h a pr 6 . 6 卜m . K E Y W O R D S e e n itr gfu a l i n d u c it o n e l e e t or s l a g e a s it n g : i n e l u s i o n s ; e as it n g