摘要：采用原位分析方法對(duì)軸承鋼連鑄大方坯不同部位的偏析和疏松進(jìn)行了分析;將原位分析與低倍組織分析結(jié)合起來(lái)，完整地體現(xiàn)鑄壞試樣的成分分布和組織特征。軸承鋼同一鑄坯斷面中部的C、Si、Mn元素偏析程度大于邊部。軸承鋼鑄坯邊緣部位致密度和均勻性都好于中心部位,即相應(yīng)的柱狀晶區(qū)致密度高于等軸晶區(qū)。

　　關(guān)鍵詞：軸承鋼大方坯　 原位分析　 成分分布　 疏松

　　1 前言

　　隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)的發(fā)展,軸承鋼需求量日益增加,因此,提高軸承鋼質(zhì)量的研究對(duì)企業(yè)的發(fā)展,從市場(chǎng)需求來(lái)看起著非常關(guān)鍵的作用,軸承鋼連鑄大方坯的組織和成分分布對(duì)Z終產(chǎn)品產(chǎn)生關(guān)鍵影響。因此,生產(chǎn)廠家對(duì)軸承鋼連鑄坯的質(zhì)量檢驗(yàn)更為嚴(yán)格。

　　傳統(tǒng)的鉆樣分析方法由于采樣等條件的限制,不能進(jìn)行較大范圍內(nèi)的成分分布分析。硫印和低倍觀察雖然可直觀地看到硫和碳的偏析情況,但結(jié)果不定量,而且其他元素的分布情況也無(wú)法得到。而原位統(tǒng)計(jì)分布分析技術(shù)(Originalposition statistic distribution　 analysis,OPA)(簡(jiǎn)稱原位分析)是對(duì)被分析對(duì)象原始狀態(tài)的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的一項(xiàng)技術(shù),通過(guò)對(duì)無(wú)預(yù)燃、連續(xù)掃描激發(fā)火花放電所產(chǎn)生的光譜信號(hào)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集和解析,獲得樣品表面不同位置原始狀態(tài)的化學(xué)成分以及表面結(jié)構(gòu)信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)樣品的成分分布、缺陷判別和夾雜狀態(tài)分析,是宏觀和微觀相結(jié)合的分析方法。

　　本文采用傳統(tǒng)低倍檢驗(yàn)分析軸承鋼大方坯的凝固組織,同時(shí)采用原位分析技術(shù)對(duì)軸承鋼連鑄坯的偏析和疏松情況進(jìn)行分析。

　　2 試驗(yàn)和分析

　　2.1 金屬原位分析儀及其參數(shù)

　　分析系統(tǒng)為北京納克分析儀器公司制造的OPA-100型金屬原位分析儀。樣品的測(cè)試方式為線性而掃描,沿x軸方向連續(xù)掃描,掃描速度為1mm/s,y方向?yàn)椴竭M(jìn)方式,間隔為4mm。具體試驗(yàn)參數(shù)如下:火花激發(fā)頻率480Hz,激發(fā)電容7.0uF,激發(fā)電阻6.0Ω,火花間隙2.0mm,氬氣純度99.999% ,氬氣流量80ml/s,電極材料為45度頂角純鎢電極,直徑3mm。信號(hào)采集速度為100kHz/通道。工作曲線的制作和分析結(jié)果的處理采用OPA一100軟件進(jìn)行。

　　2.2 軸承鋼大方坯生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)述與試樣制備

　　試驗(yàn)所用軸承鋼的主要成分見表1。軸承鋼鋼水以轉(zhuǎn)爐生產(chǎn),LF+ RH精煉,大包容量120t。LF爐和RH公稱容量均為130t,大方坯連鑄機(jī)主要參數(shù)為:一機(jī)六流澆注,鑄機(jī)半徑12m;弧形結(jié)晶器長(zhǎng)度850mm,液壓振動(dòng),結(jié)晶器電磁攪拌;冶金長(zhǎng)度34m,液面自動(dòng)控制,輕壓下;火焰切割;生產(chǎn)鑄坯規(guī)格280mm×380mm。

表1　 軸承鋼(GCr15)成分/%

 

 

　　大方坯的柱狀晶區(qū)由于電磁攪拌的作用發(fā)生一定角度的偏移。同時(shí),大方坯的等軸晶區(qū)偏離中心位置，這可能與大方坯斷面尺寸大而凝固較慢、“結(jié)晶器”充分沉積有關(guān)。

(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

 

 

圖4鑄坯試樣中各元素在允許偏差范圍內(nèi)的統(tǒng)計(jì)分布

 

 

　

表2　 樣品各元素在大方坯中統(tǒng)計(jì)結(jié)果

 

　　由圖4和表2可見,同一塊鑄坯中C,Si,Mn的偏析情況是越靠近鑄坯中部偏析越嚴(yán)重,而由于P,S含量低,多以?shī)A雜物形式存在,分布的隨機(jī)性較強(qiáng),沒(méi)有什么規(guī)律,P和S的平含量都在允許范圍之內(nèi)。在鑄坯中部Mn的偏析情況非常嚴(yán)重,中部的四個(gè)掃描區(qū)域內(nèi)Mn的平均含量都在鋼種要求的下限0.45%之下。

 

　　從圖5和圖6可以看出,Z大偏析度為試樣偏析峰值與平均值的比值,代表了元素分布的極端情況,從元素分布二維等高圖可以準(zhǔn)確定位偏析的位置和大小。很明顯,同一方坯上邊緣部位C的Z大偏析度小于中部,與允許差范圍內(nèi)所占的權(quán)重比率的分析結(jié)果一致,如表3。

 

表3　 各元素的Z大偏析度

 

 

 

 

(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

 

 

圖6鑄坯試樣各元素二維等高圖

 

　

　　3.3 缺陷和致密度

 

　　在原位分析方法中，通過(guò)測(cè)定連續(xù)掃描過(guò)程中基體譜線強(qiáng)度的異常變化，不僅可以顯示樣品表面不同部位疏松的變化和部分缺陷的情況，還可以定量計(jì)算出樣品的疏松度。由于定量表征疏松度指標(biāo)沒(méi)有統(tǒng)一的方法，而采用樣品的表征密度來(lái)表示原位分析所測(cè)得的疏松度。原理是通過(guò)計(jì)算低于正常值(20%)的基體譜線強(qiáng)度在總的激發(fā)次數(shù)中所占的比例，得到它與樣品平均密度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由此計(jì)算出用樣品表征密度(致密度)表示的鑄坯疏松度定量指標(biāo)。

　

　　通過(guò)上述方法，對(duì)樣品進(jìn)行了疏松度測(cè)定，見圖7和圖8。暖色表示致密度高，冷色表示致密度低，三維疏松圖中坐標(biāo)作了壓縮處理，使掃描區(qū)域看起來(lái)接近正方形，以使作圖方便。

 

　　　

 

 

 

 

 

　　由圖7和圖8可以看出，鑄坯邊緣的部分致密度(>0.83)和均勻性都好于中心部位(<0.66),縮孔和疏松位于圖上的深色部位。從疏松圖上看不出裂紋和疏松的明顯差別。鑄坯邊緣致密度則沒(méi)有根本的差別。另外,從軸承鋼的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)而言,沒(méi)有追求高的等軸晶率，說(shuō)明在軸承鋼大斷面澆注引起的緩冷條件下得到致密的等軸晶區(qū)比較困難。

 

　　4 結(jié)論

 

　　原位分析方法對(duì)分析鑄坯成分分布和疏松、缺陷具有連續(xù)、定量和直觀的優(yōu)點(diǎn)，適用于對(duì)質(zhì)量檢驗(yàn)比較嚴(yán)格的軸承鋼鑄坯。將低倍組織分析與原位分析結(jié)合起來(lái)，能較完整地體現(xiàn)鑄坯試樣的成分分布特征。

 

　　軸承鋼同一鑄坯斷面中部的C,Si,M。元素偏析程度大于邊部,其中Mn含量均低于鋼種下限;帶裂紋的鑄坯試樣(相應(yīng)于高拉速)偏析比無(wú)裂紋的鑄坯嚴(yán)重,其中C的偏析更為顯著。軸承鋼鑄坯邊緣部位致密度和均勻性都好于中心部位,坯樣邊部致密度達(dá)到0.8～0.85,中心達(dá)到0.5～0.7。