高碳铬轴承钢连铸凝固宏观偏析与碳化物尺寸控制研究

The macrosegregation and large-size carbide in the continuous casting strand are the critical factors to deteriorate the fatigue life of bearings. However, the control mechanisms are not very effective. Therefore, the precipitation, migration, and dissolution of carbide in high carbon-chromium bearing steel is investigated in this program, with experimental research and numerical simulation. Firstly, the melt rheological behavior in the mushy zone is measured by the high-temperature physical property analyzer. The melt viscosities with different cooling parameters and shear parameters are quantitatively characterized. Secondly, the thermodynamic and kinetic study of primary carbide precipitation are investigated by the Thermo-Calc database and the high temperature microscope. Then，a multiphase-multiscale-multifield solidification model is built to simulate the solute transport and carbide precipitation in the continuous casting process. The effects of cooling intensity, electromagnetic stirring, and mechanical reduction on strand macrosegregation evolution and carbide migration are investigated. The technical parameters on the macrosegregation improvement and carbide dispersion distribution are obtained. Thirdly, the effect of pulsed electrical current on the diffusion rate of C and Cr elements are explored by the laboratory experiment. The key factors influencing the carbide dissolution will be obtained, which provides new guidance for the control mechanism of carbide size in high carbon-chromium bearing steel.

连铸坯宏观偏析与大尺寸液析碳化物是降低轴承疲劳寿命的主要影响因素，目前对其仍缺乏稳定有效的控制。本项目以高碳铬轴承钢为研究对象，以碳化物析出—迁移—回溶为主线，采用实验研究与数值模拟相结合手段开展工作。首先测定高碳铬轴承钢两相区熔体黏性，定量表征熔体黏度与冷却参数、剪切参数的函数关系，阐明合金熔体流变特性；其次基于Thermo-Calc热力学数据库和高温共聚焦显微镜，开展碳化物析出热力学与动力学研究，揭示碳化物液析临界条件；在此基础上结合熔体流动、晶粒生长、碳化物析出行为，建立多相—多尺度—多外场凝固模型，阐明冷却强度—电磁搅拌—机械压下复合作用下铸坯宏观偏析演变与碳化物析出迁移特征，改善铸坯宏观偏析，促进碳化物弥散分布；然后开展热处理过程中电脉冲作用下碳化物回溶实验研究，探究电脉冲参数对C、Cr元素扩散的影响规律，揭示促进碳化物快速回溶的关键因素，为碳化物尺寸控制提供新思路。

采用数值模拟、实验室实验、工业实验方法研究钢凝固过程中流体流动、溶质偏析、碳化物析出行为，揭示了冷却参数和搅拌参数对表观粘度的影响规律，阐述了电磁搅拌和机械压下作用下熔体流动和溶质传输行为，分析了不同冷却速率条件下凝固组织和碳化物析出规律，探究了电脉冲作用下碳化物回溶行为，这为连铸坯溶质偏析和碳化物控制提供理论支撑。.(1) 通过筛选材料制作氧化铝-氧化锆质耐高温粘度计探头，采用高温熔体物性分析仪，测量高碳轴承钢降温过程中表观粘度变化曲线，获得熔体表观粘度的转变温度。研究认为随着冷却速率和剪切速率的增加，金属熔体转变温度明显降低。.(2) 采用直读光谱、刨片分析、钻屑取样方法对连铸坯溶质偏析进行研究，分析了机械压下和电磁搅拌的作用规律，认为结晶器电磁搅拌能提高等轴晶率和改善宏观偏析，但半宏观偏析斑点明显增加，采用末端电磁搅拌存在最佳搅拌强度。结晶器电磁搅拌过程中，在铜板内设置绝缘层能够显著降低铜板屏蔽作用，且组合式绝缘层时效果更为明显。连铸过程中采用较大压下量，能够明显降低连铸坯中心偏析，机械压下区间应覆盖连铸坯的凝固重点位置。.(3) 通过高温共聚焦研究高碳轴承钢凝固组织和碳化物析出行为。在加热过程中，溶质偏析区和碳化物在达到固相线温度之前已经熔化。在凝固阶段，随着冷却速率加快，凝固组织细化，碳化物尺寸明显减小，但数密度增加。凝固过程中，温度降低至1673 K之前，凝固组织已经形成，而碳化物在凝固后期逐渐析出。在凝固后续冷却阶段，当冷却速率大于300 K/min时，液析碳化物尺寸仍然能够明显降低。.(4) 采用高温电阻炉和脉冲电源开展碳化物回溶实验研究。采用电脉冲处理后高碳轴承钢试样中液析碳化物尺寸明显减少。随着热处理温度升高和热处理时间延长，试样中残余液析碳化物尺寸减小。采用低频率电脉冲时，残余的液析碳化物甚至可以消除，这有利于高碳轴承钢生产。