鎢和稀土對鑄態(tài)高錳鋼夾雜物和組織的影響

曹建新，李朝陽，李永堂，宋建麗

(1.太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.金屬材料成形理論與技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024；3.太原重工股份有限公司能源中心，太原 030024；4.北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192)

高錳鋼作為耐磨材料，在冶金、礦山、電力、煤炭等機(jī)械裝備中長期得到廣泛應(yīng)用。然而隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，在某些特殊工況條件下，傳統(tǒng)高錳鋼已不能滿足生產(chǎn)要求，需要進(jìn)一步提高力學(xué)性能和耐磨性，延長使用壽命。在高錳鋼耐磨件的制造過程中，冶煉、凝固過程是確保制件綜合力學(xué)性能的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，只有在該階段提高鋼的純凈度、并進(jìn)行晶粒細(xì)化，改善組織、減少缺陷，才能保證制件的質(zhì)量與性能要求。在顯微鏡下觀察高錳鋼失效件，發(fā)現(xiàn)剝落部位的晶界上存在著較多的S、P等夾雜物。對高錳鋼來說，采用普通的熔煉方法很難進(jìn)一步減少成分中S、P的含量，因此如何改變高錳鋼耐磨件中夾雜物的形態(tài)和分布、改善顯微組織，從而提高制件的使用壽命，成為一個(gè)亟待解決的問題。

鋼中非金屬夾雜物是影響鑄件質(zhì)量的重要因素，粗大的夾雜物對鑄件性能的劣化尤為嚴(yán)重。國內(nèi)外學(xué)者對如何去除鋼中的夾雜物開展了大量研究。近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)小的夾雜物能夠起到有效細(xì)化晶粒以及第二相強(qiáng)化等作用[1-8]，可以減輕甚至消除其對鋼件性能的破壞作用，利用鋼中的夾雜物來改善鑄件微觀組織是提高其性能的最有效方法之一。有關(guān)學(xué)者研究了Cr-Ni高強(qiáng)度鋼中夾雜物的種類、數(shù)量及分布，通過Ca處理，鋼中原有的MnS被改變?yōu)镃aS，鋼的點(diǎn)蝕敏感性被降低，耐蝕性能得到提高[9]。李陽等在銅錫鐵素體不銹鋼中加入RE，將Al2O3夾雜變質(zhì)成硬度較低的CeAlO3，MnS夾雜逐漸轉(zhuǎn)變成尺寸為1μm3的CeS球狀稀土類夾雜物，且夾雜物總量有所下降；同時(shí)，通過進(jìn)一步研究確定了錫銅鐵素體不銹鋼中RE的最佳添加量[10]。李中元等分析了稀土Ce元素對鋼中夾雜物生成順序及夾雜物變質(zhì)的影響。結(jié)果表明，加入稀土Ce元素后，鋼中可能生成夾雜物的熱力學(xué)排列順序?yàn)镃eAlO3>Al2O3>CeO2>Ce2O3>MnS.稀土Ce元素對S、O夾雜物的形態(tài)和尺寸起到了一定的影響，使其在鋼基體中呈現(xiàn)球狀彌散分布，提高了鋼材性能[11]。這些成果為本研究提供了有益的借鑒。

由于高錳鋼本身具有過冷度低、熱擴(kuò)散慢等特點(diǎn)，在凝固過程中有較大的內(nèi)部溫差，導(dǎo)致鑄件組織粗大，在晶界上容易出現(xiàn)夾雜物的富集與長大，降低了鑄件的強(qiáng)度[12]。P作為高錳鋼中的有害元素，冷卻時(shí)易于偏析而形成磷共晶，是鑄件中主要的夾雜物。但在生產(chǎn)實(shí)際中，要降低鋼中P的含量往往又難以實(shí)現(xiàn)，因此，改變磷共晶在鑄件中的分布形態(tài)，使其適當(dāng)細(xì)化及分散無疑是抑制晶界弱化的有效方法之一。目前關(guān)于這方面的研究和報(bào)道較少。

本文通過添加微量的W和RE對高錳鋼進(jìn)行合金化變質(zhì)處理，研究W和RE對高錳鋼鑄件中夾雜物的形成與分布的影響，為提高耐磨零件的綜合性能提供技術(shù)途徑和參考。

1 高錳鋼鑄件中夾雜物的分布及影響

高錳鋼鑄件凝固過程中，當(dāng)鋼水溫度降至液相線時(shí)，開始結(jié)晶，析出的晶體中C含量為0.4%，相鄰液相中C的含量則隨固相的析出而增加。P在奧氏體中溶解度較小，并與奧氏體枝晶間有較強(qiáng)的潤濕能力，凝固時(shí)在晶界和枝晶處容易出現(xiàn)偏析，形成連續(xù)分布的低熔點(diǎn)磷共晶。凝固后期，奧氏體中C含量愈高，愈容易出現(xiàn)P偏析，形成磷共晶；尤其對于厚壁鑄件，P的嚴(yán)重偏析更加劇了對制件的危害。

另外，隨著凝固過程的進(jìn)行，尖端的枝晶臂之間，也會(huì)出現(xiàn)Mn和S的不斷富集、偏析。MnS為亞穩(wěn)態(tài)相，與鐵枝晶的固液界面潤濕性差，當(dāng)Mn和S達(dá)到很高的過飽和度時(shí)，MnS開始形核，并被排擠到枝晶臂之間，隨之相互碰撞、結(jié)合而不斷長大。

高錳鋼鑄件凝固形核和結(jié)晶過程中，枝晶尖端C含量增大，加速了磷共晶在晶界上偏析。鑄件凝固后在晶界上形成網(wǎng)狀碳化物、MnS和磷共晶的聚合物。網(wǎng)狀碳化物硬度高、韌性差，加之MnS與鐵枝晶的固液界面潤濕性差，磷共晶熔點(diǎn)低，極易形成偏析產(chǎn)生熱脆。這些因素共同作用，降低了制件的力學(xué)性能。

2 合金化對高錳鋼顯微組織的影響

根據(jù)合金設(shè)計(jì)理論，在傳統(tǒng)高錳鋼中加入微量合金元素，可以改善制件的組織和性能；在澆注凝固過程中添加變質(zhì)劑，可凈化鋼液，減少夾雜物的危害。通過微合金化和變質(zhì)處理共同作用所得到的改性高錳鋼制件，綜合機(jī)械性能和整體質(zhì)量都可得到大幅提高。

2.1 合金化處理

表1 常用合金元素與鐵中位錯(cuò)的交互作用能

從上表中可以推出：合金元素與鐵中位錯(cuò)的結(jié)合強(qiáng)弱順序?yàn)镃o

2.2 變質(zhì)處理

稀土(RE)的化學(xué)性質(zhì)異?；顫?，和O、S都有很大的親合力，它能奪取鋼液中的O和S，形成稀土化合物并從鋼液中大量上浮排除，使鋼液凈化。RE還是很好的還原劑，在一定條件下能夠?qū)撘褐械腜還原成P3-,實(shí)現(xiàn)鋼液的還原脫磷。同時(shí)，即使鋼中有殘留的稀土夾雜物，也會(huì)彌散分布于基體中，大大減少了氧化物和硫化物在晶界的析出量，從而使晶界得以強(qiáng)化。

在熔煉過程中，鋼及合金中的有害雜質(zhì)能與RE生成高熔點(diǎn)化合物。這些化合物質(zhì)點(diǎn)在熱力學(xué)上極為穩(wěn)定，可以作為鋼液中的結(jié)晶核心，在過冷度較低的條件下能大量形核，從而避免了柱狀晶和粗大樹枝晶的形成，起到了明顯的細(xì)化晶粒作用。

3 W和RE對高錳鋼顯微組織的影響

3.1 試驗(yàn)材料及方法

將廢鋼、高錳鐵、低錳鐵、鎢鐵等材料在1 000 kg中頻感應(yīng)爐中熔化，鑄件采用水玻璃砂造型，澆注溫度為1 480 ℃，實(shí)驗(yàn)過程中采用Al進(jìn)行終脫氧，在出鋼轉(zhuǎn)包過程向包底沖入RE進(jìn)行變質(zhì)處理。試樣為標(biāo)準(zhǔn)Y型基爾試塊，普通高錳鋼與改性高錳鋼各澆注兩件，實(shí)測化學(xué)成分如表2所示。采用線切割從試塊上直接截取試樣，尺寸為20 mm×20 mm，經(jīng)磨削、拋光，采用5%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，5%的鹽酸溶液擦洗，利用JSM-5610LV型掃描電鏡進(jìn)行組織觀察和能譜分析，采用JEM-200CX型透射電鏡進(jìn)行衍射分析。

表2 高錳鋼鑄件的化學(xué)成分(wt%)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.2.1 試驗(yàn)結(jié)果

如圖1所示為普通高錳鋼和改性高錳鋼的鑄態(tài)組織SEM圖。由圖1(a)可以看出，普通高錳鋼鑄態(tài)組織晶粒比較粗大，析出碳化物呈網(wǎng)狀分布于晶界上。圖1(b)中改性高錳鋼的晶粒得到細(xì)化，晶界上碳化物明顯減少，呈非連續(xù)、彌散分布狀態(tài)，有利于降低對制件的有害作用。

圖1 普通高錳鋼與改性高錳鋼鑄態(tài)組織Fig.1 Structure of high manganese steel castings

如圖2為改性高錳鋼晶界和晶內(nèi)析出顆粒的分布情況及能譜分析。由圖2(a)可見，晶界上的夾雜物較少，呈聚集態(tài)，不連續(xù)。同時(shí)在晶內(nèi)和晶界上還存在彌散分布的顆粒。

圖2 改性高錳鋼不同區(qū)域能譜分析結(jié)果Fig.2 EDS of modified high manganese steel

由圖2(b)能譜分析結(jié)果可知，鑄件基體晶核內(nèi)基本沒有硫化物和磷共晶夾雜物存在(S、P的含量很低)。而由圖2(c)所示能譜分析可以確定，組織中析出的顆粒中有一部分為W的碳化物，其S、P的含量高于基體，說明有硫化物和磷共晶存在。除此之外，鑄件中還分布著一些細(xì)小的碳化物。

圖3(a)為彌散分布的析出顆粒SEM放大圖，采用透射電鏡對析出相進(jìn)行選區(qū)衍射斑點(diǎn)分析，通過計(jì)算標(biāo)定，可以確定該相為W2C，如圖3(b)所示。

圖3 析出顆粒的SEM形貌及TEM圖Fig.3 SEM and TEM of precipitated particles

對析出顆粒的不同區(qū)域，即圖3(a)中的A、B、C區(qū)域，同時(shí)進(jìn)行了能譜分析，結(jié)果如圖4(a)-(c)所示。

由圖4(a)可以看出，析出顆粒中W2C占整個(gè)析出相的大部分體積。圖4(b)顯示，B區(qū)域S的含量比基體和其他部位偏高，這個(gè)區(qū)域有MnS的存在。圖4(c)顯示該區(qū)P含量明顯偏高，證明此部位P出現(xiàn)偏析，會(huì)形成磷共晶。硫化物和磷共晶位于析出顆粒的外側(cè)邊緣，隨W2C彌散分布于鑄件中。鑄件組織中沒有出現(xiàn)連續(xù)分布的磷共晶。

3.2.2 分析與討論

試驗(yàn)過程中采用W進(jìn)行微合金化，澆注過程中用稀土進(jìn)行變質(zhì)處理。W元素是強(qiáng)碳化物形成元素，W和C的結(jié)合力強(qiáng)于Mn和C，且W2C的熔點(diǎn)為2 785 ℃[15]。經(jīng)過計(jì)算可知，在1 300 ℃以上，C和W反應(yīng)生成W2C，故在含W高錳鋼液凝固相變過程中，會(huì)有W2C優(yōu)先結(jié)晶，與鋼液潤濕的W2C作為異質(zhì)核心促進(jìn)高錳鋼非均勻形核，從而使鑄件晶粒細(xì)化。MnS析出溫度為1 375℃，磷共晶的析出溫度為950 ℃～1 005 ℃.因此，在凝固過程中夾雜物的析出順序?yàn)閃2C>MnS>磷共晶。磷共晶分布于W2C顆粒的外側(cè)和晶界上，在晶界上也呈聚集態(tài)而沒有形成連續(xù)分布。

圖4 析出顆粒不同區(qū)域的能譜分析結(jié)果Fig.4 EDS of precipitated particles in different regions

RE是強(qiáng)的脫S劑，脫S率可達(dá)到80%以上。鋼液熔煉中大部分S都以硫化物的形式形成鋼渣被去除，因此，改性高錳鋼中S含量較少。RE和C之間可以形成碳化物，其熔點(diǎn)一般在2 000 ℃以上，這些碳化物在奧氏體析出C之前就已經(jīng)存在，冷卻過程中可以作為結(jié)晶核心，減少了晶界上碳化物的析出。因此，經(jīng)RE變質(zhì)處理后，高錳鋼鑄態(tài)組織中夾雜物數(shù)量減少，晶界上夾雜物的形狀轉(zhuǎn)化為不連續(xù)的團(tuán)塊狀，晶內(nèi)的碳化物形狀也可由針狀轉(zhuǎn)向塊狀。

4 結(jié)論

(1)在高錳鋼鑄件熔煉過程中加入微量W進(jìn)行微合金化處理，能夠使高錳鋼鑄件晶粒得到細(xì)化，凝固過程中高熔點(diǎn)的W2C作為異質(zhì)核心促進(jìn)了鋼液非均勻形核。

(2)添加1%左右的W和0.3%RE，改變了鑄件中夾雜物的分布和形貌，使晶界上原有的網(wǎng)狀碳化物轉(zhuǎn)化為細(xì)小的塊狀，彌散分布于晶內(nèi)和晶界，有利于提高鋼基體的強(qiáng)度。

(3)微合金化和變質(zhì)處理可使高錳鋼鑄件中有害的低熔點(diǎn)磷共晶呈聚集態(tài)彌散分布，改善了鑄件的熱脆性，為獲得高質(zhì)量鑄件提供了一種有效途徑。