VoL21 No.2 周德光等：轴承钢连铸坯碳偏析的形成机理及影响因素 ·133· 表4连铸钢与模铸钢的夹杂物和碳化物 夹杂物评级 碳化物评级 序号 工艺 直径/mm 硫化物 氧化物 点状 带状 网状 连铸、电搅 35 2.5 0.5 0 2.5 2.5 3 连铸、未电搅 35 2.0 1.0 0 2.5 2.5 d 模铸 35 2.5 1.5 0 2.0 2.5 4 连铸、电搅 40 2.0 1.5 0 3.0 3.0 J 连铸、未电搅 40 3.0 1.0 0 2.0 3.0 6 模铸 45 1.5 1.0 0 2.0 3.0 日本山阳连铸 34 2.0 1.5 0 4.0 4.0 8 SKF模铸 55 2.5 1.0 0 1.5 3.0 表5连铸与模注轴承钢接触疲劳试验结果 白亮带是在搅拌区内形成的，其宽度也就应 接触疲劳寿命r 该是铸坯在搅拌区内凝固的厚度，白亮带的宽度 序号 工艺 L1o/×103Lo/X103 Weibull钭率a 从1200(28~35)=400/e,可得e为9~11mm. 】连铸、电搅 3.19 8.33 1.97 实测的白亮带出现位置为离表面25~ 2连铸、未电搅 3.21 14.55 1.25 35mm,白亮带宽度为3~10mm,计算结果与其 3模铸 2.36 4.50 2.92 基本相符.因此我们认为白亮带的位置、宽度是 由凝固系数和凝固时间两方面决定的.由于搅拌 3讨论 的旋流作用，使漂浮在凝固前沿的低熔点富集溶 3.1白亮带的形成机理 质向中心方向运动，因此在铸坯的搅拌部位出现 将200mm×200mm试样的横断面白亮带做 负偏析带（白亮带），同时在紧跟其后的位置伴有 成分分析，结果表明，白亮带中碳含量的偏析较 一轻微的正偏析区；搅拌强度越大，富集溶质及 大，从图1和图2中可以看出，白亮带中碳含量的 轻元素向中心偏聚越激烈，白亮带愈明显，负偏 最小值(wc.)与钢包成分(wc)相差近0.1%，并 析愈严重；在搅拌强度和搅拌方式一定的情况 且搅拌强度越大，碳偏析越严重.搅拌电流200A 下，二冷强度增加，凝固系数(K值)增大，白亮带 的碳偏析比130A的严重.肉眼观察表明，搅拌强 变宽；拉速增大，相对来说，铸坏在搅拌区的停留 度越大，白亮带越明显.白亮带的宽度与搅拌强 时间缩短，白亮带变窄. 度的关系不明显，这一点与以往的认识不太一 3.2中心负偏析的形成机理 致.以往一般认为搅拌愈强，则白亮带愈宽3) 用红外碳硫分析仪测定铸坯上的碳含量分 下面对白亮带的成因及影响因素作一理论探讨. 布见图1和图2.从图中可以看出，电磁搅拌后连 e=KVi (1) 铸坯的中心，也存在相当程度的负偏析，搅拌强 K=VA(T-Ts)/LtP (2) 度愈大，搅拌时间愈长，负偏析愈严重.关于轴承 式中：e为凝固壳厚度；K为凝固系数；t为时间；T 钢连铸坯中心存在严重的负偏析，还没有见文献 为液相线温度；T、为铸坯表面温度；1m为钢的导 报道，下面对其成因作分析， 热系数；L为结品潜热Pm为钢的密度. K=Ws/WL (3) 由(1)式可求出钢液从结晶器弯月面进人搅 式中：K为元素的偏析系数；w。为固相中元素质 拌区时凝固的坯壳厚度，进而求出白亮带宽 量分数；w为液相中元素质量分数 度.假设从结晶器弯月面到搅拌区的凝固系数不 凝固过程中，不可避免地存在选分结晶，碳 变，取其值为23mm·min1/24,弯月面到搅拌 在铁中的K值为0.13，由(3)式计算出碳含量为 区的距离为1200mm,搅拌区长度为400mm;试 1.0%左右的轴承钢液开始结晶时的枝晶干上碳 验的实际拉坯速度为500~800mm/min,则钢液 含量w为013%.在电磁搅拌的作用下，树枝晶 从弯月面到搅拌区的时间t为1.5~2.4min.将凝 将被切断，一部分被切断的枝晶将被溶化，剩余 固系数及时间代人(1)式得凝固壳的厚度e为 部分枝晶将被搅拌旋流逐渐旋至中心附近，形成 28~35mm. 晶核，使部分钢水先凝固，形成负偏析；另一方V 0 1 L2 N O J 周德光等 : 轴承钢连铸坯碳偏析的形成机理及 影响因 素 表 连铸4 钢 与模铸钢的夹杂物和碳化物 序号 工 艺 直径 Z u n n 夹 杂 物 评 级 碳 化 物 评 级 硫化物 氧化物 点状 带状 网状 连铸 、 电搅 连铸 、 未电搅 模铸 连铸 、 电搅 连铸 、 未 电搅 模铸 日 本山 阳 连铸 K 模S铸 f 5 3 5 3 0 . 5 1 . 0 1 . 5 1 . 5 1 . 0 1 . 0 1 . 5 1 . 0 2 . 5 2 . 5 2 . 5 2 . 5 2 . 0 2 . 5 3 . 0 3 . 0 勺ō月 0 ù . … 2 ,乙 2 2 . 0 3 . 0 2 . 0 3 . 0 亡J0 ù I 飞ù J 4 3 4 5 5 2 . 0 2 . 5 4 . 0 4 . 0 5 3 . 0 表 5 连 铸与模 注轴承钢接触 疲劳试验 结果 序号 工艺 接触疲劳寿命r/ 乙 L。 / x l o , 乙5。 / x l o , w e i b u ll乍卜率a 连 铸 、 电搅 连 铸 、 未 电搅 模铸 3 . 1 9 3 . 2 1 2 . 36 1 4 . 5 5 4 5 0 1 . 9 7 1 . 2 5 2 . 9 2 3 讨论 .3 1 白亮 带 的形成机理 将 2 0 0 ~ x 2 0 0 ~ 试样 的 横断 面 白亮 带做 成 分 分 析 , 结 果 表 明 , 白亮 带 中碳 含 量 的偏 析较 大 . 从图 1 和 图 2 中可 以 看 出 , 白亮带 中碳 含量 的 最 小值 (w c, ~ )与钢 包成 分 w( c0) 相 差 近 0 . 1% , 并 且 搅拌 强度 越大 , 碳 偏 析越严 重 . 搅 拌 电流 2 0 A 的碳偏析 比 1 3 0 A 的严重 . 肉眼 观察 表 明 , 搅拌强 度越大 , 白亮带越 明显 . 白亮 带的 宽度 与搅 拌强 度 的 关 系 不 明 显 , 这 一 点与 以 往 的认 识 不 太 一 致 . 以 往 一般认 为搅拌 愈 强 , 则 白亮 带愈 宽 l[ , 3,4] . 下 面对 白亮带 的成 因及影 响因素作一理论探讨 . 。 = 犬石 ( l ) K = 谁贰兀 一 均 /乌 p 二 (2) 式 中 : 。 为凝固壳厚度 ; K 为凝 固系数 ; t为时 间 ; 人 为 液相 线温 度 ; T s为铸坯 表面温 度 ; 礼 为钢 的 导 热系数 ; L力结晶潜热 ; p m为钢的密度 . 由 ( l) 式可求出钢液从结晶器 弯月 面进 人搅 拌 区 时凝 固 的 坯 壳 厚 度 , 进 而 求 出 白亮 带宽 度 . 假 设从结 晶 器弯月 面到 搅拌 区的凝固系 数不 变 , 取 其 值为 23 ~ · m in 一 ’ ` 2 15 , 弯月 面到 搅拌 区 的距离 为 1 Zo r n r n , 搅拌 区 长 度为 4 0 r n刃。 ; 试 验 的实 际拉 坯速 度 为 5 0 一 s o tr 田盯in in , 则 钢液 从弯月 面到搅拌 区 的时 间 t 为 1 . 5 一 .2 4 m in . 将凝 固 系 数及 时 间 代人 l( ) 式 得 凝 固 壳 的 厚 度 。 为 2 8 一 3 5 r n r n . 白亮带 是 在搅 拌 区 内形 成 的 , 其 宽度 也就 应 该 是 铸 坯在 搅拌 区 内凝 固的 厚度 , 白亮 带 的宽 度 从 1 2 0 0 /( 2 5 一 3 5 ) = 4 0 0 / e * [ , ] , 可得 e ; 为 9 一 l l nu . 实 测 的 白 亮 带 出 现 位 置 为 离 表 面 25 一 3 5 ~ , 白亮 带宽 度 为 3 一 10 ~ , 计 算结果 与 其 基 本相 符 . 因此 我 们认 为 白亮 带的 位 置 、 宽度是 由凝 固 系数 和凝 固时 间两 方 面决 定 的 . 由于搅拌 的旋 流作 用 , 使漂 浮 在凝 固前沿 的低 熔点富集溶 质 向中心 方 向运 动 , 因此 在 铸坯 的搅 拌 部位 出现 负偏 析 带 ( 白亮 带 ) , 同时 在 紧跟其 后 的位 置伴 有 一 轻 微 的 正 偏 析 区 ; 搅 拌 强 度 越 大 , 富 集 溶 质 及 轻 元 素 向 中心 偏 聚 越 激 烈 , 白亮 带 愈 明 显 , 负偏 析 愈 严 重 ; 在 搅 拌 强 度 和 搅 拌 方 式 一 定 的情 况 下 , 二 冷 强 度 增加 , 凝 固系 数 (K 值 )增 大 , 白亮 带 变 宽 ; 拉速 增 大 , 相 对来 说 , 铸坯 在搅拌 区 的停 留 时 间缩 短 , 白亮 带变窄 . .3 2 中心负偏析的形成机理 用 红外 碳 硫分 析 仪测 定 铸坯 上 的碳 含 量 分 布 见 图 l 和 图 2 . 从图 中可 以 看 出 , 电磁 搅 拌后 连 铸坯 的 中心 , 也 存 在 相 当程 度 的 负 偏 析 , 搅 拌 强 度愈 大 , 搅拌时 间愈 长 , 负偏 析 愈严重 . 关 于轴承 钢 连铸坯 中心 存在 严重 的负 偏析 , 还 没 有见 文 献 报道 , 下 面对其成 因作分析 . K = w s / wL ( 3 ) 式 中 : K 为 元素的偏 析 系数 ; w , 为 固 相 中元 素质 量分数 ; wL 为液相 中元 素质量分数 . 凝 固过 程 中 , 不 可避 免地 存在 选分 结 晶 , 碳 在铁中的 K 值为 0 . 13 5[] , 由 (3) 式计算出碳含 量 为 1 . 0% 左右 的轴承 钢 液 开 始结 晶 时 的枝 晶 干上 碳 含 量 w , 为 0 . 13 % . 在 电磁 搅拌 的作 用 下 , 树枝 晶 将被 切 断 , 一部 分被 切 断 的 枝 晶 将被 溶 化 , 剩 余 部 分枝 晶将被 搅拌旋流逐 渐 旋至 中心 附 近 , 形 成 晶 核 , 使部分 钢 水先凝 固 , 形 成 负偏 析 ; 另 一 方