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轴承钢连铸坯偏析和致密度的分析

作者：bearingpower 发表时间：2010-12-12

摘要:采用原位分析方法对轴承钢连铸大方坯不同部位的偏析和疏松进行了分析;将原位分析与低倍组织分析结合起来，完整地体现铸坏试样的成分分布和组织特征。轴承钢同一铸坯断面中部的C、Si、Mn元素偏析程度大于边部。轴承钢铸坯边缘部位致密度和均匀性都好于中心部位,即相应的柱状晶区致密度高于等轴晶区。关键词:轴承钢大方坯　原位分析　成分分布　疏松1 前言　随着国内工业的发展,轴承钢需求量日益增加,因此,提高轴承钢质量的研究对企业的发展,从市场需求来看起着非常关键的作用,轴承钢连铸大方坯的组织和成分分布对最终产品产生关键影响。因此,生产厂家对轴承钢连铸坯的质量检验更为严格。　传统的钻样分析方法由于采样等条件的限制,不能进行较大范围内的成分分布分析。硫印和低倍观察虽然可直观地看到硫和碳的偏析情况,但结果不定量,而且其他元素的分布情况也无法得到。而原位统计分布分析技术(Originalposition statistic distribution　 analysis,OPA)(简称原位分析)是对被分析对象原始状态的化学成分和结构进行分析的一项技术,通过对无预燃、连续扫描激发火花放电所产生的光谱信号进行高速数据采集和解析,获得样品表面不同位置原始状态的化学成分以及表面结构信息,实现对被测样品的成分分布、缺陷判别和夹杂状态分析,是宏观和微观相结合的分析方法。　本文采用传统低倍检验分析轴承钢大方坯的凝固组织,同时采用原位分析技术对轴承钢连铸坯的偏析和疏松情况进行分析。2 试验和分析2.1 金属原位分析仪及其参数　分析系统为北京纳克分析仪器公司制造的OPA-100型金属原位分析仪。样品的测试方式为线性而扫描,沿x轴方向连续扫描,扫描速度为1mm/s,y方向为步进方式,间隔为4mm。具体试验参数如下:火花激发频率480Hz,激发电容7.0uF,激发电阻6.0Ω,火花间隙2.0mm,氩气纯度99.999% ,氩气流量80ml/s,电极材料为45度顶角纯钨电极,直径3mm。信号采集速度为100kHz/通道。工作曲线的制作和分析结果的处理采用OPA一100软件进行。2.2 轴承钢大方坯生产工艺简述与试样制备　试验所用轴承钢的主要成分见表1。轴承钢钢水以转炉生产,LF+ RH精炼,大包容量120t。LF炉和RH公称容量均为130t,大方坯连铸机主要参数为:一机六流浇注,铸机半径12m;弧形结晶器长度850mm,液压振动,结晶器电磁搅拌;冶金长度34m,液面自动控制,轻压下;火焰切割;生产铸坯规格280mm×380mm。表1　轴承钢(GCr15)成分/%成分CSiMnPSCr标准0.95-1.000.15-0.350.25-0.45≤0.015≤0.0101.40-1.55实际1.050.260.310.0100.0051.51　　原位分析方法试样制备与常规火花光谱分析的处理方法类似,首先在连铸坯横截面上加工出一个平面,然后用46目树脂砂纸快速磨出新鲜表面。　方坯试样尺寸为280mm×380mm,按照同一中间包浇注，同样时刻分别在不同流中采用不同的拉速生产,各取一块以便对比。将切割下来的整个方坯横截面进行机加工,厚度为15mm。在方坯横断面上从高度方向中心线向上30mm,宽度方向中心线向左40mm开始线切割一块150mm×80mm×15mm钢样,具体如图1所示。　　2.3 试样的扫描区域　由于原位分析仪扫描断面尺寸的限制,在实际分析过程中不是全部试样表面完整扫描,而是在试样上选取一定区域进行扫描。具体的扫描区域如图2所示，扫描面积为40mm×80mm。　　3 结果分析及讨论3.1 低倍组织　从轴承钢大方坯的生产流程来看,由于断面尺寸大,拉速低,相对小断面铸坯而言铸坯完全凝固时间长。图3是轴承钢大方坯横截面的低倍组织照片,铸坯尺寸为280mm×380mm。从低倍照片可观察到,大方坯等轴晶率为48%,疏松区域为100mm×95mm,中心缩孔区域为3mm×3mm。　　　大方坯的柱状晶区由于电磁搅拌的作用发生一定角度的偏移。同时,大方坯的等轴晶区偏离中心位置，这可能与大方坯断面尺寸大而凝固较慢、“结晶器”充分沉积有关。3.2 偏析　　　　常规的铸坯偏析测定方法是采用定点取样，然后进行相应的化学分析，根据不同点得到的化学成分描绘出分布曲线。显然这种方法获得的结果无法连续，还会因采样间隔过大而影响分析的准确性。原位分析可得到不同成分的连续变化的准确结果，能真实反映出样品表面的成分和缺陷的变化情况。对于轴承钢，C元素的偏析对力学性能影响较大。图4列出了试样各元素在允许偏差范围内的统计分布，表2则是对应试样样品各元素在大方坯中统计结果，表示各元素分布情况对平均值附近一定范围内区间的覆盖情况。应当注意的是，各元素的平均含量是用每块试样上元素的平均值来表示的，跟铸坯总体含量均值不同。　(a) C元素分布; (b) Si元素分布(c)Mn元素分布; (d) P元素分布(e) S元素分布;(f)　 A1元素分布(g)Cr元素分布图4铸坯试样中各元素在允许偏差范围内的统计分布　表2　样品各元素在大方坯中统计结果项目CSiMnPSAlCr统计均匀度/%72.1174.5080.6397.5594.1992.2770.64所在区间0.990-1.1100.2410-0.2810.2770-0.3370.0080-0.01200.0030-0.00700.0090-0.01901.4260-1.5860统计偏析度/%0.13330.17440.18900.14700.41450.45580.4558　　由图4和表2可见,同一块铸坯中C,Si,Mn的偏析情况是越靠近铸坯中部偏析越严重,而由于P,S含量低,多以夹杂物形式存在,分布的随机性较强,没有什么规律,P和S的平含量都在允许范围之内。在铸坯中部Mn的偏析情况非常严重,中部的四个扫描区域内Mn的平均含量都在钢种要求的下限0.45%之下。　从图5和图6可以看出,最大偏析度为试样偏析峰值与平均值的比值,代表了元素分布的极端情况,从元素分布二维等高图可以准确定位偏析的位置和大小。很明显,同一方坯上边缘部位C的最大偏析度小于中部,与允许差范围内所占的权重比率的分析结果一致,如表3。表3　各元素的最大偏析度元素平均含量CO/%最大偏析位置(x,y)最大偏析度C/COC1.050(41.33,18.00)1.491Si0.261(99.67,28.00)1.218Mn0.307(14.00,16.00)1.244P0.010(40.33,12.00)1.227S0.005(55.67,20.00)1.919Al0.014(25.67,4.00)3.021Cr1.506(14.00,16.00)1.116　　图5铸坯试样各元素三维分布图　(a) C元素分布; (b) Si元素分布(c)Mn元素分布; (d) P元素分布(e) S元素分布;(f)　 A1元素分布(g)Cr元素分布图6铸坯试样各元素二维等高图　3.3 缺陷和致密度　在原位分析方法中，通过测定连续扫描过程中基体谱线强度的异常变化，不仅可以显示样品表面不同部位疏松的变化和部分缺陷的情况，还可以定量计算出样品的疏松度。由于定量表征疏松度指标没有统一的方法，而采用样品的表征密度来表示原位分析所测得的疏松度。原理是通过计算低于正常值(20%)的基体谱线强度在总的激发次数中所占的比例，得到它与样品平均密度之间的对应关系，由此计算出用样品表征密度(致密度)表示的铸坯疏松度定量指标。　通过上述方法，对样品进行了疏松度测定，见图7和图8。暖色表示致密度高，冷色表示致密度低，三维疏松图中坐标作了压缩处理，使扫描区域看起来接近正方形，以使作图方便。　　　　　　　由图7和图8可以看出，铸坯边缘的部分致密度(>0.83)和均匀性都好于中心部位(<0.66),缩孔和疏松位于图上的深色部位。从疏松图上看不出裂纹和疏松的明显差别。铸坯边缘致密度则没有根本的差别。另外,从轴承钢的行业标准而言,没有追求高的等轴晶率，说明在轴承钢大断面浇注引起的缓冷条件下得到致密的等轴晶区比较困难。4 结论　原位分析方法对分析铸坯成分分布和疏松、缺陷具有连续、定量和直观的优点，适用于对质量检验比较严格的轴承钢铸坯。将低倍组织分析与原位分析结合起来，能较完整地体现铸坯试样的成分分布特征。　轴承钢同一铸坯断面中部的C,Si,M。元素偏析程度大于边部,其中Mn含量均低于钢种下限;带裂纹的铸坯试样(相应于高拉速)偏析比无裂纹的铸坯严重,其中C的偏析更为显著。轴承钢铸坯边缘部位致密度和均匀性都好于中心部位,坯样边部致密度达到0.8～0.85,中心达到0.5～0.7。

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