轴承钢连铸坯碳偏析的形成机理及影响因素

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1999.02.038 第21卷第2期 北京科技大学学报 Vol.21 No.2 1999年 4月 Journal of University of Science and Technlogy Beijing Apr.1999 轴承钢连铸坯碳偏析的形成机理及影响因素 周德光”傅杰)王平)徐君浩)谢亚庆)李铮) 1)北京科技大学治金学院，北京1000832)大冶特殊钢股份有限公司 摘要对高碳铬轴承钢连铸坯白亮带和中心碳偏析的形成机理及其影响因素进行了系统的分 析研究，提出了改善偏析的措施.同时进行了连铸钢与模铸钢内在质量和疲劳性能的对比试验.结 果表明，连铸轴承钢坯存在轻微的碳偏析(w。/wc0=0.92-1.10),其材质的疲劳寿命达到了模铸钢 的水平 关键词轴承钢；连铸：碳偏析；疲劳寿命 分类号TF762;TF777 含1.0%C和1.5%Cr轴承钢是专用钢中质量 (1)酸蚀分析.对200mm×200mm铸坯进行 要求最为苛刻的钢种，100年来，该钢种成分基本 纵横向酸蚀分析，包括显示树枝晶、白亮带、中心 没变化，而其疲劳寿命却成倍提高，其主要原因 表1合金钢连铸机的主要参数 就在于通过冶炼方法和制备工艺的不断改进使 项目 参 数 钢的组织均匀性和纯净度大幅度提高，连铸轴承 弧形半径/m 9/17.5 钢的组织均匀性及其对性能的影响主要涉及到 中间包容量/t 20 碳偏析问题.至今仍未见报道，已彻底解决了轴 铸坯断面/mm 200×200 承钢连铸坯的中心碳偏析，影响连铸钢坯偏析的 结晶器长度/mm 700 因素很多，如过热度、电磁搅拌方式及强度、二冷 搅拌器长度/mm 400 水量等.关于过热度对偏析的影响，目前已得出 电磁搅拌位置 二冷一段 了明确的结论，即随着过热度的降低，连铸坯的 搅拌方式 单方向连续搅拌；交替式搅拌： 偏析逐渐减少.而关于电磁搅拌和二冷水量等对 间歇交替式搅拌 二冷方式 三段式冷却 偏析的影响目前还有争议， 试验拉速/mm~min500~800 本文对连铸轴承钢碳偏析的形成机理及其对 流数 性能的影响进行系统的分析研究，为改进工艺提 表2试验方案 供理论依据。 二冷水量L·kg1 方案流号 电磁搅拌电流及旋转方式 1研究方法 及配比 0.4/(4:3:3) 没搅拌 试验在大冶特殊钢股份有限公司的50t高功 I 2 0.4/(4:3:3) 200A,左60s停10s右60s 率电弧炉、60tLF+VD以及四流方圆坯连铸机 w 0.4/(4:3:30 200A,左60s停10s右60s 上进行.试验工艺流程为EAF→LF,VD· 4 0.4/(4:3:3) 没搅拌 CC(200mm×200mm)→2t蒸汽锤开坯(120mm 0.4/(5:3:2) 130A,左30s停10s右30s ×120mm)◆250~430mm轧机轧成中20mm~ Ⅱ 2 0.8/(4:3:3) 130A,左30s停10s右30s 中55mm材.连铸机的主要参数见表1.试验内容： 3 0.4/(5:3:2)200A,左30s停10s右30s 4 0.8/(4:3:3)200A,左30s停10s右30s 一是搅拌与不搅拌对比试验（方案I);二是搅拌 0.4/(5:3:2)200A,左10s停7s右10s 强度和搅拌方式对比试验（方案I,Ⅱ，Ⅲ）；三是 Ⅲ 2 0.8/(4:3:3)200A,左10s停7s右10s 二冷强度对比试验（方案Ⅱ，Ⅲ），详见表2. 3 0.4/(5:3:2) 130A,左10s停7s右10s 1999-01-17收稿周德光男，36岁，高级工程师，博士生 4 0.8/(4:3:3)130A,左10s停7s右10s *国家“九五"攻关项目(KF94-04-04-03) 注：()为配比

第 2 1卷 1 9 9 9年 第 2期 4月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s iyt o f S e ie n e e a n d T e c h n l o yg B e ij in g V o l 一 2 1 A P r · N O 一 2 1 9 9 9 轴承钢连铸坯碳偏析的形 成机理及影 响因素 周德 光 )l 傅 杰 )l 王 平 ’ ) 徐君浩)2 谢亚庆 )2 李 铮)2 )l 北京科技大学冶金 学院 , 北京 10 0 0 8 3 2) 大冶特殊钢股份有限 公 司 摘 要 对高碳铬 轴承钢连铸坯 白亮带 和中心碳偏 析的形成机理 及其影 响因 素进行 了系统 的分 析研究 , 提 出了改善偏析 的措施 . 同时进 行了 连铸钢与模铸钢 内在 质量和疲 劳性能的对 比试验 . 结 果表明 , 连铸轴承钢坯存在 轻微 的碳偏析 (w 。 / w c 。 一 0 · 92 一 .1 0) , 其材质的疲劳寿命达到了模 铸钢 的水平 . ` 关键词 轴承钢 ; 连铸 ;碳偏析 ;疲 劳寿命 分类号 T F 7 6 2 ; T F 7 7 7 含 1 . 0% C 和 1 . 5 % C r 轴承 钢是 专用钢 中质量 要求最为苛刻 的钢 种 , 10 年来 , 该 钢种 成分 基本 没 变化 , 而 其疲劳寿命却成倍提高 . 其主 要 原 因 就在于 通 过冶炼方 法 和 制备工 艺 的 不 断改 进 使 钢 的组织 均匀 性和 纯净 度大 幅度 提 高 . 连 铸 轴承 钢 的组 织 均 匀性 及 其对性能 的影 响 主要 涉 及 到 碳 偏析 问题 . 至今 仍未 见 报道 , 已 彻 底 解 决 了 轴 承 钢连铸坯 的 中心碳偏 析 . 影 响 连铸 钢坯 偏 析 的 因 素很 多 , 如过 热 度 、 电磁搅拌方式及 强 度 、 二冷 水 量 等 . 关于 过 热度 对偏 析 的 影 响 , 目前 已 得 出 了 明 确 的结论 , 即 随 着过 热度 的 降低 , 连铸 坯 的 偏 析逐渐 减 少 . 而 关于 电磁 搅拌和二 冷 水量 等 对 偏析的影 响 目前 还有 争议 . 本文 对连 铸轴承钢碳偏 析的形 成机理 及其 对 性能 的影 响 进行 系 统 的分析研 究 , 为改 进工 艺提 供理论依据 . l( )酸 蚀分析 . 对 2 0 ~ x 2 0 ~ 铸坯进行 纵横向酸 蚀分 析 , 包括 显示 树枝 晶 、 白亮 带 、 中心 表1 合金钢连铸机的主 要参数 项 目 参 数 弧形半径 / m 中间包容量 t/ 铸坯断面 / n l l n 结晶器长度 / m r n 搅拌器长度 / r n 们。 电磁搅拌位置 搅拌方式 二冷方式 试验拉速 / ~ · m i n 一 ` 流数 9 / 1 7 . 5 2 0 2 0 0 X 2 0 0 7 0 0 4 0 0 二冷一 段 单方 向连续搅 拌; 交替式搅拌 ; 间歇交替式搅拌 三段式冷却 5 0 0 ~ 8 0 0 4 试验方案 方案 流号 一3)2 1 研究方法 试 验在 大 冶特殊 钢股 份有限公 司 的 50 t 高 功 率 电弧 炉 、 60 t L F + V D 以 及 四 流 方 圆坯 连 铸机 上 进 行 . 试 验 工 艺 流 程 为 E A F , L F, V D , C C ( 2 0 0 un x 2 0 o un ) , Z t蒸 汽锤 开坯 ( 12 0 x m l Zo un ) , 2 5 0一 4 3 0 un 轧 机 轧 成 中 Zo un 一 中5 ~ 材 . 连 铸机 的主要参数见 表 1 . 试验 内容 : 一是 搅拌与不 搅拌 对比试 验 (方 案 )I ; 二是 搅拌 强度 和搅拌方 式对 比试验 (方案 工 , n , nI ) ; 三是 二 冷 强度 对比试验 ( 方 案 且 , 1 ) , 详见 表2 . 19 9 一 01 一 17 收稿 周德光 男 , 36 岁 , 高级工 程师 , 博士 生 * 国家 “ 九五 ” 攻 关项 目(舒94 一 0 4 一 0 4 一 0 3 ) 表 2 二冷水量几 · 及配 比 0 . 4 / ( 4 : 3 : 3) 0 . 4 / ( 4 : 3 : 3 ) 0 . 4 / ( 4 : 3 : 3 0 0 . 4 / ( 4 : 3 : 0 . 4 / ( 5 : 3 : 0 . 8 / ( 4 : 3 : 0 . 4 / ( 5 : 3 : 0 . 8 / ( 4 : 3 : 0 . 4 / ( 5 : 3 : 0 . 8 / ( 4 : 3 : 0 . 4 / ( 5 : 3 : 0 . 8 / ( 4 : 3 : )为配 比 电磁搅拌 电流及旋转方式 没搅拌 2 0 0 A , 左 6 0 5停 1 0 5右 6 0 5 2 0 0 A , 左 6 0 5停 1 0 5右 6 0 5 没搅拌 1 3 0 A , 左 3 0 5停 10 5右 3 0 5 1 3 0 A , 左 3 0 5停 10 5右 3 0 5 2 0 0 A , 左 30 5停 10 5右3 0 5 2 0 0 A , 左3 0 5停 10 5右3 0 5 2 0 0 ^ , 左 2 0 5停 7 5右 10 5 2 0 0 A , 左 1 0 5停 7 5右 10 5 1 3 0A , 左 10 5停7 5右 1 0 5 1 3 0A , 左 10 5停 7 5右 1 0 5 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1999. 02. 038

·132 北京科技大学学报 1999年第2期 疏松和裂纹等 1.15 (2)枝晶偏析测定.从柱状晶区取样，在电子 探针上用直径3μm的电子束分别在枝干和枝晶 1.10 间区域内，每隔50μm测量1次铬的含量，根椐晶 白亮带 坯中中区域 边缘 间铬含量的平均值与枝干上铬含量的平均值之 1.05 比，确定铬的平均枝晶偏析系数， 1.00 (3)白亮带分析.对白亮带及附近的组织进行 金相分析，同时采用层层刨屑的方法（每层厚1 0.95 mm),用E983型光电直读光谱仪对白亮带做逐层 光谱分析 0 10 2030 4050 6070 (4)中间坯化学成分分析，为了确定中间坯不 距坯表面距离/mm 图1 电磁搅拌铸坯轧成120mm×120mm中间还的 同区域的碳含量，对120mm×120mm中间坯， 碳含量分布（钢包碳质量分数1.03%） 用5mm的钻头，分别在长200mm的纵向剖面上 的边缘线、白亮带、半径12线、中心线上均匀地 1.10 钻取20个试样；从有代表性的一个坯的中心取一 1.08 一没电磁搅拌 块10mm厚，200mm长的试样，从表面到中心线 1.06 ◆一电避搅拌 逐层连续刨屑样.用CS344型碳硫联合测定仪测 定铸坯不同部位的碳含量， 1.04 (5)碳化物和夹杂物的测定.对中20~中55mm 102 连铸材按YB9-68标准进行高低倍检验，进行碳 1.00 化物和夹杂物分析. 0.98 (6)疲劳寿命试验，接触疲劳寿命试验材料分 0.96 白亮带 3/4半径处 别为连铸工艺和模铸工艺生产的高碳铬轴承钢 坯边缘 12半径处 坯中心 (GCr15)的中35mm热轧材，在相同的条件下球化 图2有电磁搅拌和无电磁撞拌还中的平均碳含量分布 退火，然后切取推力片试样和理化检验试样，推 (每部位取样20个，同炉钢水，钢包中碳质量分数1.03%) 力片经(840±5)℃，20min盐浴淬火，150~ 160℃回火3h,硬度(HRC)63~64,热处理后试 2.2二冷强度对技晶偏析的影响 样经磨床加工至标准要求，在P-52型接触疲劳 铬的平均枝晶偏析系数见表3.从表中可以 试验机上加荷运转.最大接触应力为4410MPa, 看出，二冷水量愈大，枝晶偏析减小，但值得注意 主轴转速为2800~3000rmin,润滑剂是20机 的是，二冷强度过大（比水量0.8Lkg),俦坯的角 油，试验结果用韦伯尔数学统计法处理. 裂较严重；同时将加快铸坯中心树枝晶搭桥现象 (小钢锭”现象)，对改善中心疏松和偏析不利. 2试验结果 表3二冷强度对枝晶间铭偏析系数的影响 2.1电磁搅拌对连铸轴承钢碳偏析的影响 比二冷水量Lkg 0.4 0.8 电磁搅拌对连铸轴承钢碳偏析的影响见图1 枝晶间铬偏析系数 2.249 1.927 和图2.从图中可以看出，连铸轴承钢的碳偏析比 率we/wo(we,wo分别是偏析部位和钢包中的 2.3连铸轴承钢的碳化物和夹杂物 碳质量分数)约为0.92~1.10.电磁搅拌后的铸坯 对连铸材和模铸材的夹杂物和碳化物按 中出现白亮带，并且白亮带通过轧制也不可能消 YB9-68标准进行了检验，结果见表4.从表中可 除.白亮带与碳的负偏析区对应研究表明：搅拌 以看出，2种工艺生产的钢材的夹杂物基本相当， 电流愈大，负偏析愈严重，白亮带愈明显；铸坯在 碳化物偏析连铸比模铸略为严重，除日本山阳连 搅拌区停留的时间越长，白亮带越宽.与日本神 铸钢的带状、网状超标外，其余都能满足技术标 户、山阳等厂不同，)，冶钢轴承钢连铸坯的中心 准要求， 亦发现碳的负偏析（偏析程度较小）， 2.4连铸轴承钢的疲劳寿命 接触疲劳寿命试验结果列于表5

北 京 科 技 大 学 学 报 i , , 9年 第 2期 边缘 只只 } , 只 ) . . . . . . . 、 . ` ’ 甘佩 辉* , 曰肆日 岁、沐ē巴 .一 有“ ù雏’.i 妇 ; 祖川宁 : 0 10 2 0 3 0 4 0 5 0 6() 70 距坯表面距离加 m 电磁搅拌铸 坯轧成 120 . 口. 口 x 120 . n . 口 中间坯的 碳含一分布 (栩包碳质 , 分橄 1 .03 % ) 即.0. 疏松 和 裂纹 等 . (2 )枝 晶偏 析测 定 . 从柱状 晶 区 取 样 , 在 电 子 探针 上 用 直 径 3 “ m 的 电 子束 分别 在 枝 干和 枝 晶 间 区域 内 , 每 隔 5 0 卜m 测 量 l 次铬 的含量 , 根据 晶 间铬 含 量 的 平 均 值 与枝 干上 铬 含 量 的平 均 值 之 比 , 确 定铬 的平均 枝 晶偏 析系 数 . (3 ) 白亮 带分 析 . 对 白亮带 及 附近 的组 织 进行 金 相 分 析 , 同 时采 用 层 层 刨 屑 的方 法 ( 每 层 厚 1 ~ ) , 用 E 9 83 型光 电直 读光 谱仪对 白亮带做逐层 光谱分析 . (4 ) 中间坯 化学成 分分析 . 为 了确 定 中间坯 不 同 区域 的 碳 含 量 , 对 12 0 刃仙n x 120 r n 幻n 中 间 坯 , 用 5 幻仙。 的钻 头 , 分别在 长 2 0 r n n n 的纵 向剖 面上 的边 缘线 、 白亮 带 、 半径 l 2/ 线 、 中心 线上 均匀地 钻取 20 个试样 ; 从有代表性 的一 个坯 的 中心取 一 块 10 〔n r n 厚 、 2 0 刃。 n 。 长 的试样 , 从表 面到 中心 线 逐层连 续刨 屑 样 . 用 C s3 4 4 型碳硫联 合测 定 仪测 定 铸坯 不 同部 位的碳 含量 . (5 ) 碳化物 和夹杂物 的 测定 . 对 中20 一 中5 ~ 连 铸材 按 Y B g 一 68 标 准 进 行 高低 倍检 验 , 进 行 碳 化物和 夹杂 物 分析 . (6) 疲劳 寿 命试验 . 接 触疲 劳 寿命试验 材料 分 别 为 连 铸工 艺 和模 铸工 艺 生 产 的高 碳 铬 轴 承 钢 ( G c r 15) 的 中3 5 ~ 热 轧材 , 在 相 同 的条 件下 球 化 退 火 , 然 后 切 取 推 力 片 试 样 和 理 化 检 验 试 样 . 推 力 片 经 ( 8 4 0 士 5 ) oC , 2 0 m i n 盐 浴 淬 火 , 1 5 0 一 16 0 oC 回 火 3 h , 硬 度 ( H R C ) 6 3 一 6 4 , 热 处理 后 试 样经 磨 床 加 工 至 标 准 要 求 , 在 PJ 一 52 型 接 触疲 劳 试 验 机上 加 荷运 转 . 最 大 接 触应力 为 4 4 10 M aP , 主 轴 转 速 为 2 8 0 0 一 3 0 0 0 r/ m in , 润 滑 剂 是 2 0 # 机 油 , 试验结 果用 韦 伯尔 数学 统计 法处理 . 1 . 10 1 . 0 8 1 . 06 ~ - . ~ ~ 没电磁搅拌 - 月卜 - . 电磁搅拌 _ 1 . 0 4 不 巨 1 . 02 沁 1 . 0 0 0 9 8 0 . 9 6 坯边缘 白亮带 1畔径碧半径处 坯帆 图2 有 电磁搅拌和无电磁搅拌坯中的平均碳含t 分布 (每部位取样20 个 , 同炉钢水 , 钢包中碳质 , 分数 L 03 % ) 2 试验结果 2 . 1 电磁搅拌对连铸轴承钢 碳偏析的影 响 电磁搅拌对连 铸轴 承 钢碳 偏 析 的影 响 见 图 1 和 图 2 . 从 图中可 以 看 出 , 连 铸轴承 钢 的碳偏 析 比 率 w 。 / w co (wc , w c 。 分别 是 偏 析部 位 和 钢 包 中 的 碳 质量 分 数) 约 为 0 . 92 一 1 . 10 . 电 磁 搅拌 后 的铸坯 中 出现 白亮 带 , 并 且 白亮带通 过 轧 制也 不 可 能消 除 . 白亮 带与碳 的负 偏 析 区 对应 . 研究 表 明 : 搅 拌 电流 愈大 , 负偏 析 愈 严 重 , 白亮 带愈 明 显 ; 铸 坯 在 搅拌 区停 留 的 时 间 越长 , 白亮 带越 宽 . 与 日本神 户 、 山 阳等厂不 同 1 刃 , 冶钢 轴承 钢 连 铸坯 的 中心 亦发 现碳 的 负偏析 ( 偏 析程 度较 小 ) . .2 2 二 冷强度对技晶偏析的影晌 铬 的 平均 枝 晶偏 析系数见表 3 . 从表 中可 以 看 出 , 二 冷水 量 愈大 , 枝 晶偏 析减小 , 但值得 注意 的是 , 二冷强度过大 ( 比水量 .0 8 L 瓜g ) , 铸坯的角 裂较 严重 ; 同时将加 快铸坯 中心树枝晶搭桥 现象 ( ” 小 钢 锭 ” 现 象) , 对改善 中心 疏松和偏析不 利 . 表3 二冷强度对枝 晶间铬偏析系数的影 晌 比二 冷水量几 · gk 一 , .0 4 .0 8 枝 晶间铬偏析系数 .2 2 49 1 . 9 27 .2 3 连铸轴承 钢的碳化物和夹杂物 对连 铸 材 和 模铸材 的 夹杂 物 和 碳 化 物 按 Y B g 一 6 8 标 准进 行 了检 验 , 结 果 见 表 4 . 从表 中可 以 看 出 , 2 种 工艺生产的钢 材 的夹杂物 基本 相 当 , 碳 化 物偏 析 连铸 比模铸 略为严 重 , 除 日本 山 阳 连 铸钢 的带状 、 网状 超 标外 , 其余都能 满 足技 术标 准要求 . .2 4 连铸轴承钢 的疲劳寿命 接 触疲劳寿命试验结果 列 于表 5

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

·134 北京科技大学学报 1999年第2期 面，连铸工艺不同于大钢锭模铸工艺，中心疏松 铸钢白亮带和中心偏析区域的球化退火组织和 和偏析不可能完全消除，因为连铸坯在凝固过程 淬，回火组织观察表明，未发现和基体其余组织 中总存在周期性的树枝晶搭桥现象(“小钢锭”现 不同，硬度值也基本相当. 象)，在搭桥处由于优先结晶，也形成负偏析，连铸 坯的尺寸越小，这种现象就越严重.这种搭桥阻 4结论 止了液相穴上部的钢液向下部中空区的补缩，当 (1)二冷一段电磁搅拌能够改善中心疏松和 桥下面的钢液继续凝固时，得不到上面钢液的补 偏析，但铸坯不可避免地将出现碳的负偏析带 充而形成疏松或缩孔，同时由于凝固收缩的作 (白亮带)，同时在铸坯的心部也存在一定程度的 用，吸聚了靠近中心两边树枝晶间富集溶质的液 负偏析.搅拌强度越大，负偏析越严重.(2)连铸轴 体，形成了具有疏松的中心结构，因此伴有严重 承钢的碳偏析(wew0=0.92~1.10)对疲劳性能 的中心偏析，碳含量越高钢种，这种偏析越严重. 基本没有影响，试验结果表明，连铸钢的疲劳寿 为了改善连铸坯的中心碳偏析，有人提出如 命可超过模铸钢的水平， 开发低过热度浇注、电磁搅拌、轻压下技术 等A1.这些技术对改善中心疏松、降低偏析有一 参考文献 定的作用，但还不足以消除中心偏析.近年来又 I Kenji Doi,Susumu Okushima,Kiyoshi Shiwaku. 开发了连续锻压技术，通过合适的锻压工艺，可 Production of Super Clean Bearing Quality Steel by 将凝固未端的钢液挤到最后一根坯，从而达到消 BOF-CC Process.In:Steelmaking Conference Proceed- 除中心偏析的目的.尽管这种连续锻压工艺没有 ings(70).Pittsburgh,1987.77 从理论上消除中心偏析，但由于富集杂质被排挤 2 Uesugi T,Tsubota K.Quality of High-Carbon Chromium 到最后一根坏子凝固，从宏观角度看，先凝固的 Bearing Steel Produced in the Electric Arc Furnace- Ladle Furnace-RH Vacuum Degassing Vessel-Verti- 绝大部分铸坯达到了改善中心偏析目的. cal Continuous Caster.In:Hoo JJ C ed,Effect of 3.3碳偏析对疲劳性能的影响 Steel Manufacturing Processes on the Quality of Bear- 额定寿命L。是用来衡量轴承钢接触疲劳特 ing Steels.Philadelphia:ASTM,1988.278 性优劣的，它最能反映轴承钢的质量.Weibull斜 3纪振双，姚留枋，唐仲和，等.连铸过程采用电避搅拌 率α也是衡量质量稳定性的重要指标，它的值大 时的负偏析带的形成机理.钢铁研究学报，1993,52)：9 于1.0表示质量稳定性较高.由表5可见，连铸工 4 Bridge M R,Rogers G D.Structural Effects and Band 艺生产的轴承钢材的L。是模铸材的1.35倍以 Segregate Formation during Electromagnetic Stiring 上.3组钢材的Weibull斜率a都在1.0以上，所以 of Strand-Cast Steel.Metallurgical Transactions B, 它们的质量都很稳定.这就说明：连铸轴承钢的 1984.15B(9):581 5蔡开科.浇注与凝固.北京：冶金工业出版社，1987 wwc在0.92~1.10范围内(wc为偏析部位碳的质 6 Birat J P.EMS on Billet,Bloom,and Slab Continuous 量分数，w,为钢包中分析碳的质量分数)，白亮 Casters:State of the Art in 1982.Ironmaking and Steel 带和中心偏析对疲劳寿命几乎没有影响，这与日 making,1983,10(6):269 本山阳、神户等公司的试验结果基本相符.对连 Formation Mechanism of Carbon Segregation for Bearing Steel Concasting Billet and Its Influencing Factors Zhou Deguang Fu Jie Wang Ping Xu Junhuo?Xie Yaqing Li Zheng 1)Metallurgy School,UST Beijing.Beijing 100083,China 2)Daye Special Steel Co.,Ltd ABSTRACT The mechanism of "white band"and central carbon segregation formation of high-car- bon chromium bearing steel concasting billets have been discussed.Comparative tests of metallurgical quality and fatigue property between the concasting steel and ingot casting steel showed that the carbon segregation (we/wco)in steel produced by concasting process was 0.92~1.10 and the fatigue life of the former steel was equal to that of the latter steel. KEY WORDS bearing steel;concasting;carbon segregation;fatigue life

北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 99年 第 2期 面 , 连 铸 工 艺 不 同 于 大 钢 锭 模 铸工 艺 , 中 心 疏 松 和偏 析 不 可 能 完全 消 除 , 因为 连铸 坯 在凝 固过 程 中总 存 在 周 期性 的树 枝 晶搭 桥 现 象 ( “ 小 钢 锭 ” 现 象) , 在 搭桥 处 由于优 先结 晶 , 也形 成 负偏 析 , 连铸 坯 的 尺 寸 越 小 , 这 种 现 象 就 越 严 重 . 这 种 搭 桥 阻 止 了 液相 穴 上 部 的 钢液 向下 部 中空 区 的补 缩 , 当 桥 下 面 的钢 液 继 续凝 固时 , 得 不 到 上面 钢 液 的补 充 而 形 成 疏 松 或 缩 孔 . 同 时 由 于 凝 固 收 缩 的 作 用 , 吸聚 了 靠近 中心 两边 树枝 晶 间 富集 溶 质 的液 体 , 形 成 了 具有 疏 松 的 中 心 结 构 , 因此 伴 有 严 重 的 中心偏 析 , 碳 含 量越 高钢 种 , 这种 偏析 越严 重 . 为 了改 善 连铸坯 的 中心 碳 偏 析 , 有 人 提 出 如 开 发 低 过 热 度 浇 注 、 电 磁 搅 拌 、 轻 压 下 技 术 等 14, 6] . 这 些 技 术 对改 善 中 心疏 松 、 降低 偏 析 有 一 定 的作 用 , 但 还 不 足 以 消 除 中 心偏 析 . 近 年 来 又 开 发 了 连 续 锻 压 技 术 , 通 过 合 适 的锻 压 工 艺 , 可 将凝固 末 端的 钢液 挤 到 最 后一 根 坯 , 从而 达 到 消 除 中心 偏 析的 目的 . 尽 管 这 种 连续 锻 压 工艺 没 有 从理 论上 消 除 中心 偏 析 , 但 由于 富集 杂 质被 排 挤 到 最 后 一 根 坯 子 凝 固 , 从 宏 观 角 度 看 , 先凝 固 的 绝大 部分铸 坯 达到 了改 善 中心偏 析 目的 . .3 3 碳偏析对疲劳 性能的影 响 额定 寿命 L , 。 是 用来 衡量 轴 承 钢接 触疲 劳特 性 优劣 的 , 它 最 能 反 映 轴 承钢 的质 量 . W ie b ul l 斜 率 a 也是 衡量 质 量 稳定 性 的 重要 指 标 , 它 的值 大 于 1 . 0 表 示 质量 稳 定性 较 高 . 由表 5 可见 , 连铸工 艺 生 产 的 轴承 钢 材 的 几 。 是 模 铸材 的 1 . 35 倍以 上 . 3 组钢 材 的 W ie b ul l 斜率 a 都在 1 0 以 上 , 所 以 它 们 的 质 量 都很稳 定 . 这 就 说 明 : 连 铸轴 承 钢 的 w 了w c 。 在 .0 92 一 1 . 10 范 围 内 ( w 。 为偏 析部 位碳 的质 量 分 数 , w c 。 为 钢 包 中分 析碳 的 质 量 分 数 ) , 白亮 带和 中心偏 析 对疲 劳 寿命几 乎 没有 影 响 , 这 与 日 本 山 阳 、 神 户 等 公 司 的 试 验 结 果 基 本 相 符 . 对连 铸钢 白亮 带 和 中心 偏 析 区 域 的 球化 退火 组 织 和 淬 一 回 火组 织 观 察 表 明 , 未发 现 和基体其余组织 不 同 , 硬度 值也基 本相 当 . 4 结 论 (l ) 二 冷 一段 电磁搅拌能够改 善中心 疏松和 偏 析 , 但 铸 坯 不 可 避 免 地 将 出现 碳 的 负偏析 带 ( 白亮带) , 同 时在 铸坯 的心部 也存在一定程 度 的 负偏 析 . 搅拌强度越 大 , 负偏析越严重 . (2) 连铸轴 承 钢 的碳 偏 析 w( c/ w c 。 = .0 92 一 1 . 10 )对疲劳性 能 基 本 没 有 影 响 , 试验 结 果 表 明 , 连铸钢的疲劳寿 命可超 过模铸钢 的水平 . 参 考 文 献 1 K e inj D in , S us u r n u O k u s h如a , 幻 y o 面 Sih w 汕田 . p or du c t i o n o f s uP er C l e an B e 别n n g Qau il yt S奴姆 1 妙 B O F 一 C C Por e e s s . in : St e e恤ak 加9 C o 几er er n c e h 侧冶目 . in g s ( 7 0 ) . P ist b u r g h , 19 8 7 . 7 7 2 U e s u g i T , T s ub o at K . Q u a liyt o f H i hg 一 C的 o n Cbj or 面创口 B e a n n g S t e e l Por du e ed in ht e E lec 幼e A r c F u n 业` e . L a d l e F unacr e 一 RH V ac u um D e g as s ing V e s s e l . V 。 五 . e a l C o lt in uo u s C as ter . nI : H o o J J C ed, E场比 t of S t e e l M a n u afC t ir i n g Por e e s s e s o n het 伽 a il yt o f B 。 趁 ` in g S t e e l s . Ph i adl e lPin a: A S TM , 19 88 . 2 7 8 3 纪振 双 , 姚 留仿 , 唐仲和 , 等 . 连铸过程采用电磁搅拌 时的负偏析带的形成机理 . 钢铁研究学报 , 19 93 ,5 (2 ) :9 4 B ir dg e M R , OR g esr G D . St ” c tU . 1 E fe c t s an d B助d S e 『e g aet F o mr at i o n diur n g E l eC lt 劝幽p 比c Sitr 位 g o f S tr an d 一 C as t S t e e l . M e at ll山召ic ia T . 口别玲it o nS B , 19 8 4 , 1 5B ( 9 ) : 5 8 1 5 蔡开科 . 浇注与凝 固 . 北京:冶金工业出版社 , 19 87 6 B lar t J P . E M S o n B i le 仁B fo o m , 叨d S l a b C o n tin u o u s C as t e sr : S at e o f ht e A r t in 1 98 2 . 加哑公加9 an d s姗l m a k in g , 19 8 3 , 1 0( 6 ) : 2 6 9 F o mr a t i o n M e e h an i s m o f C a r b o n S e g r e g at i o n fo r B e iar n g S t e e l C o n c a s t i n g B i l l e t a n d It s I n fl u e n c in g F a e t o r s 肋 o u D卿 a n g , , 凡 五e ` , 肠 n g 尸in g , , xu 九 n 丙u o , , ixe aY o i心 , 乙i 肋 e n扩 , 1) M e at llur g y S e h o o l , U S T B e ij i n g , B e ij in g 10 0 0 8 3 , C h i n a Z ) D ay e S pe c i a l S te l C o . , L td A B S T R A C T T h e m e e h a n i s m o f ” w h i t e b a n d , , an d e e n atr l e ar b o n s e g er g iat o n fo n n a t i o n b o n e hr o m i u m b e a ir n g s t e e l e o n e a s t i n g b ill e t s h a v e b e e n d i s e u s s e d . C o m Par a t i v e t e s t s o f o f h i g h 一 e a r - m e alt hi r g i e a l qu a li yt a n d fa t ig u e P r o P e 坎 e汕 o n s e g r e g at i o n ( w C / w c 。 ) b e wt e e n ht e c o n c a s t i n g s t e e l an d in g o t e a s t i n g s t e e l s h o w e d t h at i n s t e e l P or d u e e d b y e o n e a s t i n g Por e e s s w a s 0 . 9 2一 1 . 10 an d ht e fat t h e g l e life o f t h e fo mr e r s t e e l w a s e q u a l t o ht at o f ht e l a t e r s t e e l . K E Y W O R D S b e iar n g s t e e l; e o n e a s t i n g ; e ar b o n s e g r e g at i o n : fa t i g u e life