研制熔模鑄造稀土鋼RZG20CrMnMoRe

潘玉洪

1 引言

YG80重型導(dǎo)軌式鑿巖機是開發(fā)礦業(yè)、鐵路交通和水利建設(shè)工程的重要機具。熔模鑄件——缸體，是YG80重型導(dǎo)軌式鑿巖機上重要的零件之一。缸體要具有較高的強度和好的耐磨性；然而，當(dāng)時生產(chǎn)的YG80缸體主要存在兩個問題：一是由于缸體存在縮孔、夾渣等缺陷，鑄件廢品率較高，約為50%；二是由于鑄件存在縮松、鑄態(tài)組織偏析、晶粒粗大、以及夾雜物多等原因，其耐磨性較差，平均進尺3000-4000米，見圖1。

圖1 缸體縱向剖面，酸蝕后的縮孔與縮松

根據(jù)有關(guān)資料介紹：稀土元素對于鑄鋼可提高鋼液的流動性，增強金屬液的補縮能力，改善鑄造工藝性能和提高機械性能；同時稀土在鋼中有凈化、變質(zhì)和合金化作用。我國稀土資源豐富，能否在熔模鑄鋼RZG20CrMnMo中加入稀土1#合金，解決缸體存在的兩個問題呢？

我們開始在熔模鑄鋼RZG20CrMnMo中加入稀土1#合金；通過大量的實驗，成功地研制了稀土熔模鑄鋼RZG20CrMnMoRe，達到了預(yù)期的效果。

2 稀土鋼的化學(xué)成份

RZG20CrMnMoRe的化學(xué)成份見表1。

3 稀土元素的加入工藝

查閱相關(guān)的資料，有的資料把稀土元素描寫成神丹妙藥，能解決很多質(zhì)量問題；而有的資料則認(rèn)為稀土元素作用甚微。盡管稀土元素加入鑄鋼中有諸多很好的作用，但是隨著加入工藝的不同而有很大的差異。

為了探討稀土元素如何在RZG20CrM-nMo中發(fā)揮應(yīng)有的作用，筆者結(jié)合生產(chǎn)做了如下的實驗。

實驗設(shè)備：500公斤無芯工頻感應(yīng)爐（酸性爐襯）。

表1 化學(xué)成份

3.1 加入方法

3.1.1 爐中插入法

金屬液使用鋁進行終脫氧后，停電。

用鐵棍將烘烤充分的裝有稀土1#合金的鐵盒直接插入爐中，并覆蓋草木灰，靜置2～3分鐘，扒渣、出鋼（澆包中事先放入草木灰），澆注試樣。

稀土1#合金的塊度小于60mm；

用0.5mm厚度的鐵皮，自制鐵盒；鐵盒的數(shù)量，根據(jù)實際需要制作；

稀土1#合金的加入量：為工頻爐中金屬液總重量的0.15%。

經(jīng)爐后化驗結(jié)果表明：稀土元素在試樣中的殘留量隨著金屬液出爐時間的延長而減少（見圖2）。

圖2 稀土殘留量與澆注時間的關(guān)系

爐中插入法的優(yōu)缺點：

優(yōu)點：

（1）加入方法簡單；

（2）金屬液的溫度較高，使稀土1#合金能夠充分地溶解；并有利于夾雜物的上浮。

缺點：

（1）稀土元素的燒損率較大，并且同爐金屬液中的稀土殘留量不均勻，隨著出爐時間的延長而減少。

（2）如果稀土1#合金烘烤不充分或其他原因，容易出現(xiàn)安技事故。

3.1.2 爐中投放法

金屬液使用鋁進行終脫氧后，停電。

將烘烤充分的稀土1#合金直接投放到金屬液的表面（稀土1#合金的加入量，為工頻爐中金屬液總重量的0.15%；利用工頻感應(yīng)爐的電磁攪拌現(xiàn)象使稀土元素盡量溶解均勻），并覆蓋草木灰，靜置2～3分鐘，扒渣、出鋼（澆包中事先放入草木灰），澆注試樣。

投放稀土1#合金的塊度約為60mm，不超過100mm；

經(jīng)爐后化驗結(jié)果表明：稀土元素在試樣中的殘留量與金屬液出爐時間沒有一定的關(guān)系（見圖3）。

圖3 稀土殘留量與澆注時間的關(guān)系

爐中投放法的優(yōu)缺點：

優(yōu)點：

（1）加入方法簡單；

（2）金屬液的溫度較高，使稀土1#合金能夠充分地溶解，并有利于夾雜物的上??；

（3）試樣中的稀土元素殘留量比較均勻，稀土元素的殘留量見圖3。

缺點：

（1）稀土元素的燒損率很大，稀土元素的回收率為15%～25%。

（2）如果稀土1#合金烘烤不充分或其他原因，容易出現(xiàn)安技事故。

3.1.3 澆包沖入法

在烘烤好的澆包中放入烘烤充分的稀土1#合金，并放入草木灰。

注：稀土1#合金的烘烤溫度為500℃；

加入量為澆包中金屬液總重量的0.15%；其塊度＜40mm。

金屬液使用鋁進行終脫氧后，停電；再往澆包中注入金屬液（溫度為1570℃～1590℃，光學(xué)高溫測溫儀，未校正），金屬液注滿澆包后，靜置2～3分鐘，扒渣、澆注試樣。

為了防止金屬液的二次氧化，應(yīng)適當(dāng)?shù)靥岣叱鲣摵蜐沧⑺俣取?/p>

經(jīng)爐后化驗結(jié)果表明：稀土元素在試樣中的殘留量較高。

澆包沖入法的優(yōu)缺點：

優(yōu)點：

（1）加入方法簡單、容易操作；

（2）試樣中的稀土元素殘留量比較均勻，回收率為50%～80%。

缺點：

（1）各澆包中金屬液的溫度無法控制一致。

3.1.4 三種加入方法對比

選擇加入方法的依據(jù)是：生產(chǎn)中操作簡單；而且稀土元素的回收率較高、殘留量較穩(wěn)定。

三種不同的加入方法的稀土元素回收率和殘留量見表2。

由表2可知：三種加入方法中，以澆包沖入法的效果最好，能夠得到較高的回收率和較穩(wěn)定的稀土元素殘留量。

表2

在以后的試驗中均采用澆包沖入法。

3.2 加入量

加入量要“適當(dāng)”。多則金屬液的質(zhì)量變差，少則起不到應(yīng)有的作用。據(jù)資料介紹，稀土元素的加入量按S.K.Lu提出的公式估算：Re加入=5.85([O]初始–[O]殘留)+2.93([S]初始-[S]殘留)+Re殘留

該公式對生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義,但是沒有考慮到稀土元素的燒損。筆者認(rèn)為稀土元素的加入量應(yīng)滿足四方面的要求：脫氧、脫硫、燒損和殘留。

3.2.1 稀土1#合金加入量

為摸索稀土元素的較佳加入量，選用同爐鋼液，采用澆包沖入法，分別在澆包中加入不同重量的稀土1#合金（0；0.15%；0.30%；0.40%、0.50%和0.60%。），得到六種單根成型試樣（如圖4）和小鋼錠。

圖4 彎曲試樣和一次沖擊試樣的尺寸

3.2.2 制作試樣

單根成型試樣稍加磨削即可。

前四種小鋼錠均鍛成φ20 mm的圓棒和15×15 mm的方棒。后兩種鋼錠（稀土加入量≥0.50%）在鍛造過程中發(fā)生開裂，并且隨著稀土元素加入量的增加開裂加重。這是稀土元素加入量過多，產(chǎn)生富集引起鋼材的熱裂性[2]。

3.2.3 試樣熱處理

試樣經(jīng)900～920℃×1小時正火；

650～680℃×2小時回火；

920-940℃×14小時表面滲碳；

830～850℃×20分鐘淬火；180～200℃×1小時回火。

其機械性能見表3。

表3

3.2.4 較佳加入量

為了尋求較佳的稀土1#合金加入量，筆者再次實驗。

3.2.4.1 試樣種類

將澆注的成型試樣，經(jīng)稍微加工，達到圖3（彎曲試樣和一次沖擊試樣）的要求。

3.2.4.2 加入量

為了找出稀土1#合金的較佳加入量，采用同爐金屬液，只是在澆包中加入不同重量的稀土1#合金。稀土1#合金的加入量按照澆包中金屬液重量的：0（即沒有添加稀土1#合金）；0.10%；0.15%；0.20%四種。

3.2.4.3 熱處理工藝

采用與YG80缸體相同的熱處理工藝，即：

（1）真滲碳：主要考核試樣的滲碳層強度，其熱處理工藝參數(shù)：

滲碳：溫度T=940±10℃；時間h=24小時；

回火：溫度T=650℃；時間h=2小時；

淬火：溫度T=840±10℃；時間h=20分鐘；

回火：溫度T=160℃；時間h=1小時。

（2）假滲碳：主要考核試樣的心部強度。

試樣處理方法：將試樣裝在密封的鐵盒中，其余處理方法與真滲碳完全相同。

3.2.4.4 機械性能試驗

拉伸試驗在30噸萬能材料試驗機上進行；沖擊試驗在15/30公斤·米沖擊試驗機上進行。

每組試樣5支樣品，取其算術(shù)平均值（去除離散度大的，即認(rèn)為不正常的數(shù)據(jù)）。結(jié)果見表4。

在上述范圍內(nèi)，雖然加入稀土量不同；但是試樣的彎曲強度有所增加，沖擊韌性隨著加入量的增加而提高，甚至提高2～3倍。

表4

3.2.5 較佳加入量

從提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本等諸方面綜合考慮，應(yīng)采用澆包沖入法；加入稀土1#合金為0.15%為宜。這時稀土元素的回收率為50～80%，殘留量為0.08～0.12%。

3.3 生產(chǎn)中應(yīng)注意的問題

3.3.1 控制金屬液出爐溫度

稀土1#合金加入到金屬液中是吸熱反應(yīng)。隨著稀土1#合金加入量的增加，金屬液溫度降低越多；當(dāng)澆包中的金屬液重量為60～70公斤時，加入0.15%的稀土1#合金，金屬液降溫約為40～60℃（光學(xué)高溫計，未校正）；同時，隨著稀土1#合金加入量的增加，夾雜物增多。

采用澆包沖入法時，為了使稀土1#合金能充分溶解，并分布均勻，同時有利于夾雜物的上浮，金屬液出爐時的溫度應(yīng)略高些，RZG20CrMnMoRe金屬液的出爐溫度應(yīng)控制在1570℃～1590℃。

3.3.2 加入稀土的種類

在加入工藝相同的情況下，分別加入稀土1#合金和混合稀土的效果相近；但是混合稀土的價格昂貴，并且烘烤溫度不如稀土1#合金容易控制；因此，正常生產(chǎn)中以采用稀土1#合金為宜。

3.3.3 稀土1#合金的塊度和烘烤溫度

烘烤的目的主要是去除稀土中的水分。烘烤混合稀土的溫度以200℃～300℃為宜；烘烤稀土1#合金的溫度以500℃～700℃為宜。如果混合稀土的烘烤溫度達到700℃時，幾乎變成稀土氧化物，見圖5。

3.3.4 稀土的加入順序

圖5 稀土氧化物×50

由于稀土元素與氧的親和力很大，所以金屬液必須在用鋁進行終脫氧以后，才能按照需要的量加入。

3.3.5 草木灰的作用

必須事先在澆包中放入草木灰，使其保護澆包中經(jīng)過稀土元素處理過的金屬液產(chǎn)生二次氧化。金屬液二次氧化的結(jié)果，是形成大團狀的稀土化合物，還可能有損于硫化物的形成，甚至有“回硫”現(xiàn)象，即脫硫效果不明顯。

3.3.6 靜置時間的控制

經(jīng)過稀土元素處理過的金屬液應(yīng)靜置2～3分鐘，以利于夾雜物的上浮和去除。靜置時間太短，不利于夾雜物的上??；靜置時間太長，金屬液容易產(chǎn)生二次氧化，并且金屬液降溫太多。

4 澆注試樣和試驗缸體

采用同爐鋼液，分別澆注不加稀土元素的RZG20CrMnMo缸體和試樣，加稀土1#合金（澆包沖入法，加入量為0.15%）的RZG20CrMnMoRe的缸體和試樣。

4.1 澆注試樣

4.2 機械性能

表5 化學(xué)成份

楔形試樣經(jīng)正火、回火（工藝同前）處理后，分別加工成彎曲、沖擊和磨損試樣的毛坯。再經(jīng)滲碳、淬火、回火（工藝同前）處理后加工成試樣，其機械性能見表6。磨損試驗結(jié)果見表7。

機械性能表明：RZG20CrMnMoRe比RZG20CrMnMo的彎曲強度有所提高，沖擊韌性提高很大。真滲碳（代表滲碳層組織）提高50%；假滲碳（代表心部組織）提高近3倍。磨損試驗說明，RZG20CrMnMoRe比RZG20CrMnMo耐磨性提高10～20%。

表6 試樣的機械性能測試結(jié)果

表7 試樣的磨損試驗結(jié)果

4.3 稀土1#合金除氣效果

澆注RZG20CRMnMoRe試驗缸體時，由于稀土元素與金屬液中的氣體形成稀土化合物，使金屬液凝固前少析出或不析出氣體；從而減少了熔模鑄件因氣體產(chǎn)生的廢品，同時減少、減輕了缸體的縮孔與縮松，見表8、圖6。

表8 澆注試驗缸體結(jié)果

4.4 稀土1#合金脫硫效果

稀土元素的脫硫效果與稀土元素的加入量、金屬液溫度、金屬液中氧和硫的起始含量，“二次氧化”的程度等一系列因素有關(guān)，見表9。正常情況下，脫硫率40%～50%。

圖6 縮孔與縮松（左：加稀土）、（右：沒有加稀土）

表9 稀土脫硫效果與影響因素

4.5 對夾雜物和組織的影響

4.5.1 夾雜物

全相圖中，RZG20CrMnMo鋼中主要存在帶尖角的硅酸鹽、氧化物和硫化物，見圖7a。RZG20CrMnMoRe鋼中，由于稀土的親和力大于錳、鐵、硅等，很容易形成呈圓形的稀土化合物，見圖7b。

圖7 鑄件中的夾雜物×100

4.5.2 組織

生成高熔點和彌散的稀土化合物在鋼液中起到晶核作用，細(xì)化了晶粒（圖8a：沒有加稀土；圖8b：加稀土）；減輕了樹枝偏折（圖9a：沒有加稀土；圖9b：加稀土），減少了殘余奧氏體的含量，并改善了碳化物的形態(tài)和增加了點狀碳化物層的深度，同時提高了顯微硬度（見表10）。這可能是稀土元素使鐵的晶格常數(shù)增大，也可以認(rèn)為稀土元素在鐵中形成固溶體，引起晶格畸變，并使之硬化。即常說的稀土元素的合金作用。

5 缸體壽命礦山試驗

5.1 試驗地點

試驗缸體的壽命是在湖北省某鋼鐵公司某鐵礦進行現(xiàn)場裝機試驗。

5.2 試驗條件

巖石硬度f=12～16

氣壓0.5～0.6MPa

水壓0.5～0.7MPa

圖8 稀土細(xì)化了晶粒

圖9 減輕了樹枝狀偏析×100

5.3 試驗結(jié)果

RZG20CrMnMoRe缸體現(xiàn)場試驗結(jié)果，見表11。

經(jīng)過十個多月的礦山壽命試驗，RZG20CrMnMoRe的試驗缸體進尺超過萬米，是原RZG20CrMnMo缸體壽命的2倍以上，收到了預(yù)期的效果。

表10 表面距離與顯微硬度

表11 進尺記錄

5.4 后續(xù)

在添加稀土1#合金的基礎(chǔ)上，又進一步減少缸體的壁厚，使缸體的工作面更加致密，進一步提高了缸體的使用壽命。

注意：缸體的壁厚不能減少過大，否則易產(chǎn)生缸體變形等缺陷。

6 結(jié)論

（1）在稀土元素加入工藝合理的前提下，才能使其起到除氣、脫硫、提高金屬液流動性等作用；從而減少熔模鑄件因縮孔、縮松和氣孔產(chǎn)生的缺陷，降低了熔模鑄件的廢品率。

（2）在RZG20CrMnMoRe中加入稀土元素的工藝：應(yīng)采用澆包沖入法；加入稀土1#合金為0.15%為宜。稀土元素的回收率為50～80%，殘留量為0.08～0.12%。

（3）加入稀土元素生成高熔點和彌散的稀土化合物在鋼液中起到晶核作用，細(xì)化了晶粒；減輕了樹枝偏折；改善了碳化物的形態(tài)和增加了點狀碳化物層的深度；從而提高了機械性能和耐磨性，提高了缸體的使用壽命。（參加試驗的還有周汝汶、馮德全、趙潤民等；包鋼冶金研究所的程玉琢、紀(jì)克明工程師給予了技術(shù)指導(dǎo)，謹(jǐn)致謝意。）

[1]潘玉洪，周汝汶，馮德全等.稀土元素在風(fēng)動鑿巖機精鑄件中的應(yīng)用[J].甘肅機械1980（1）：43-49.

[2]五二研究所編.稀土金屬在兵器工業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展[J].北京：科技參考資料.五二研究所1975（2）.

[3]陳佩芳.稀土金屬在鋼中的應(yīng)用[J].沈陽：鑄造.1979（3）：6-8.

[4]稀土編寫組.稀土（下）[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1978.

[5]包鋼冶金研究所技術(shù)情報室編.稀土在鋼鐵中的應(yīng)用（國外部分）[Z].包頭：包鋼冶金研究所技術(shù)情報室，1973.

[6]包鋼中央實驗室編.稀土元素對鋼中氣體、非金屬夾雜物的影響[Z].包頭：包鋼冶金研究所中央實驗室，1964.

[7]鞍鋼鋼鐵研究所編.16MnRe鋼試驗研究總結(jié)[Z].鞍山：鞍鋼鋼鐵研究所.