阅读文章前辛苦您点下“关注”，方便讨论和分享，为了回馈您的支持，我将每日更新优质内容文|玉莹沙编辑|玉莹沙GCr15钢作为高碳铬轴承钢的代表钢种，被广泛应用于机械、航天等工业领域，而轴承工作环境复杂，需要承受不同的交变应力，因此需要具有良好的强韧性以及耐磨性等综合力学性能。
PMO作为一种新型电磁场技术，是将脉冲电流导入感应线圈中，在铸坯固-液界面附近形成特定的脉冲电磁效应。
再通过电致过冷和磁致过冷共同作用促进固-液界面前沿金属液形核并形成“结晶雨”，从而达到细化凝固组织，改善宏观偏析的目的，在众多物理外场中，PMO技术作为后起之秀目前已成功被商业应用。
但是PMO会对金属凝固过程中枝晶生长产生扰动，从而改变铸坯的枝晶间距。
在不同条件下PMO对枝晶间距的影响不尽相同，且关于PMO峰值电流和频率对轴承钢定向凝固组织的影响研究尚缺乏规律性的认识。
本次实验研究了不同抽拉速率下PMO峰值电流和频率对定向凝固GCr15轴承钢枝晶臂间距的影响，并分析其作用机制。
试验材料与方法试验材料为GCr15轴承钢，其化学成分如表1所示，试样尺寸为ϕ7.5mm×180mm。
实验装置由熔炼真空腔、顶部送料系统、底部引晶快淬系统、真空系统、控制系统组成，其内部结构如图1所示，该装置可实现PMO作用下的定向凝固。
抽拉速率为4~5000μm/s。
图1将试样置于ϕ8mm×300mm刚玉管中，刚玉管固定在引晶杆上。
经过3次洗气以保持试验在无氧或低氧环境下进行，加热至1430℃保温30min，获得熔体内稳定的温度场，然后按照设定的PMO参数及抽拉速率进行定向凝固试验，具体参数如表2所示。
最后将热电偶埋入试样，以30μm/s的速度从热区向冷区移动获得炉内温度分布，然后通过数学模型拟合方法得到固-液界面前沿的温度梯度。
将定向凝固试样沿纵向截取糊状区，制成金相试样，并用三硝基甲苯酚饱和水溶液腐蚀，对固-液界面附近的一次、二次枝晶臂间距进行统计，统计方法如图2所示。
试验结果与分析对于导热性好，且截面细小的钢类铸件，在加入隔热层后径向方向的热流传热可大大减少，此时便可以用稳态下的一维方程来描述铸件中的传热：式中：p为钢液的密度；Cp为钢液的定压比热容，V′为抽拉速率，aL=为热扩散系数，用其一般式T=T1+AeBZ对温度数据拟合，结果如表3所示。
将表3中的温度拟合表达式对z求导即可得到温度梯度。
如表4所示，将固-液界面处温度梯度z=0时温度梯度表达式的值，记为GZ=0。
由表4可知，经过PMO处理后的固-液界面前沿液相中的温度梯度均有所提高，这是由于金属固相和液相存在电导率差异，产生焦耳热，导致固-液界面前沿温度梯度增大，而且PMO改变熔体对流，也会对温度梯度产生影响。
当峰值电流为150kiA时，电磁力较小，抑制了自然对流，导致温度分布不均匀，液相温度梯度增加。
但当PMO峰值电流增加到350kiA时，熔体对流增强，温度梯度相较于150kiA时降低了19℃/cm。
同时由于对流使得高温熔体流向固-液界面前沿，提高了固-液界面附近液相的温度，使温度梯度比0kiA时高出14℃/cm。
PMO峰值电流对枝晶臂间距的影响图3为当抽拉速率为100μm/s，频率为240kfHz时，不同PMO峰值电流下GCr15轴承钢的定向凝固组织，当峰值电流为350kiA时，枝晶得到明显细化。
枝晶臂间距随脉冲电流峰值变化的情况如图4所示，通过对比分析可知，随着PMO峰值电流的增加，一、二次枝晶臂间距都先增大后减小。
当PMO峰值电流为150kiA时，一、二次枝晶臂间距分别增加了3.13%和8.88%。
当PMO峰值电流为250kiA时，一、二次枝晶臂间距分别增加了4.96%和13.22%。
但是当峰值电流增加至350kiA时，枝晶臂间距显著减小，一次枝晶臂间距减小了16.37%，二次枝晶臂间距减小了17.03%。
图5为当抽拉速率为100μm/s，峰值电流为350kiA时，不同PMO频率下的固-液界面定向凝固组织。
由图5可知，不同频率下的GCr15轴承钢定向凝固组织均得到了细化。
观察图6可以发现，随着PMO频率的增加，一次枝晶臂间距先减小后增大，二次枝晶臂间距逐渐增大。
当频率为240kfHz时，一次枝晶臂间距最小，且其二次枝晶臂间距与频率为90kfHz时的10.94μm相比仅增加了0.36μm，为11.30μm。
PMO作用使固-液界面前沿的温度场、溶质场出现扰动，并且随着PMO频率的增加，强制对流逐步增强，固液界面处的热流散失加快，温度梯度降低，枝晶臂间距增大。
但由于受到焦耳热的影响，温度梯度始终高于未施加PMO处理时的温度梯度，因此PMO处理后枝晶臂间距相对未处理试样都有所减小。
图7是PMO峰值电流为350kiA，频率为240kfHz，不同抽拉速率下GCr15轴承钢定向凝固组织。
由图7可知，随着抽拉速率的增加，枝晶逐渐变得细小，在抽拉速率为50μm/s时，界面处具有较为发达的二次枝晶。
由表5可知，试验中抽拉速率与冷却速率成正比，抽拉速率越高，冷却速率越大，糊状区长度减小，局部凝固时间缩短，热量来不及扩散，二次枝晶生长受到抑制，因此二次枝晶臂间距减小。
由图8可知，当抽拉速率低于200μm/s时，在PMO作用下，一次枝晶臂间距和二次枝晶臂间距都明显减小，且抽拉速率越低，减小的幅度越大。
当抽拉速度为50μm/s时，一次枝晶臂间距从未处理的262.72μm减小到处理后的152.18μm，减小幅度达42.08%,二次枝晶臂间距从未处理的27.67μm减小到处理后的14.25μm，减小幅度达48.50%。
当抽拉速率提高至100μm/s时，一次枝晶臂间距从未处理的89.06μm减小到处理后的74.48μm，减小幅度为16.37%,二次枝晶臂间距从未处理的13.62μm减小到处理后的11.30μm，减小幅度为17.03%。
当抽拉速率为200μm/s时，一次枝晶臂间距从未处理的80.00μm减小到处理后的79.61μm，仅减小了0.49%，二次枝晶臂间距从未处理的10.17μm增大到处理后的10.86μm，增加幅度为6.78%。
综上所述，在低抽拉速率下，PMO对枝晶的细化更显著。
当抽拉速率为200μm/s时，在PMO作用下，二次枝晶臂间距略微增大，可能是由于抽拉速率较大时，熔体流动的增强，减小了溶质边界层的厚度并促进溶质从界面的转移，从而消除了枝晶生长障碍，导致二次枝晶臂间距增大。
在定向凝固过程中，冷却速率越大，固-液界面处的散热能力就越强，枝晶越细小，凝固组织一次枝晶臂间距λ1与温度梯度G和抽拉速率V的关系为：式中：ΔT0、D、k都是与材料相关的系数，由于GCr15轴承钢为高碳钢，其二次枝晶臂间距λ2可表示为：式中：tf为局部凝固时间，其与冷却速度CR的关系为：由式（2）~（4）可知，凝固过程中冷却速率越大，枝晶臂间距越小，通过上述实验的温度梯度结果可知，当固-液界面前沿温度梯度不变时，一次枝晶臂间距取决于抽拉速度，抽拉速度越大，枝晶间距越小。
在相同抽拉速率下，PMO会使固-液界面前沿的温度梯度升高，冷却速率增大，一次枝晶臂间距减小，二次枝晶的生长空间减小，局部凝固时间缩短，因此二次枝晶臂间距也减小。
当PMO峰值电流为150和250kiA时，平均一、二次枝晶臂间距反而增大，说明PMO作用下枝晶的生长除了受温度梯度的影响外，还会受到其他因素的影响。
通过对比枝晶形貌发现，在峰值电流为0kiA时，枝晶出现汇聚型竞争生长，非择优取向枝晶生长角度为-35.2°，晶粒A区与晶粒B区之间的溶质富集严重，枝晶生长受到抑制。
这使得择优枝晶与非择优枝晶平均一次枝晶臂间距小于稳态下择优枝晶的一次枝晶臂间距。
由于竞争生长的枝晶取向偏离温度梯度方向，二次枝晶臂的生长方向与温度梯度方向夹角减小，二次枝晶生长优势增大，二次枝晶臂间距增大。
峰值电流为350kiA时，枝晶竞争生长消失，枝晶取向一致，由于温度梯度的升高，组织更致密。
研究表明，在一定的温度梯度和抽拉速率下，柱状晶的一次枝晶臂间距存在一个稳定区间[λmin-λmax]。
当λ1<λmin时，会由于相邻枝晶臂之间强烈的溶质相互作用，出现枝晶的竞争生长，此时通过湮灭机制，一次枝晶臂间距会增大至稳定区间内。
当λ1>λmax时，枝晶间溶质富集较轻，过冷度大，有利于通过侧向分叉机制减小一次枝晶臂间距。
当峰值电流为0kiA时，由于温度梯度较小导致λ1较大，超出稳定区间，因此发生汇聚型竞争生长。
峰值电流为250kiA时，固-液界面前沿温度梯度最大，因此导致λ1<λmin，发生发散型竞争生长，使得枝晶臂间距增大。
因此可以推断出，当抽拉速度不变时，PMO导致固-液界面前沿温度梯度升高，冷却速率增大，使得一次枝晶臂间距减小。
这在空间上对二次枝晶生长起到了抑制作用，并且界面温度梯度的提高还会造成局部凝固时间的缩短，因此二次枝晶臂间距也随之减小。
结论第一：PMO对GCr15轴承钢定向凝固组织有显著影响。
当PMO频率不变时，随着峰值电流的增加，一、二次枝晶臂间距先增大后减小。
当PMO峰值电流为350kiA时，一、二次枝晶臂间距最小。
当PMO峰值电流为350kiA时，随着频率从90、240、390kfHz依次增大，GCr15轴承钢的一、二次枝晶臂间距都呈现先减小后增大的趋势。
第二：在低于200μm/s的抽拉速率下施加PMO后，GCr15轴承钢凝固组织得到不同程度的细化，且抽拉速率越低，PMO细化效果越显著。
第三：PMO处理后在焦耳热和强制对流的影响下，固-液界面前沿温度梯度增大，一次枝晶臂间距减小。
一次枝晶臂间距的减小使得二次枝晶的生长空间受限，再加上局部凝固时间缩短，使得二次枝晶臂间距也随之减小。
但是PMO对凝固前沿的溶质场产生扰动时，会造成枝晶的非对称生长，这可能会导致枝晶臂间距增大。