稀土優(yōu)化低碳當(dāng)量鑄鋼成分設(shè)計(jì)及正火溫度對其性能的影響

明科宇，李 海，付勝敏，任向前

（中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，河北張家口 075000）

隨著我國汽車、機(jī)械裝備、軍事工業(yè)的發(fā)展，對鑄鋼的材質(zhì)要求不斷提高。很多鑄鋼件不僅要求其強(qiáng)度高，而且要求低碳當(dāng)量以獲得良好的焊接性能。針對此類鑄鋼件，目前大部分鑄造廠家都采用對鑄件進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理的方式，用低碳當(dāng)量材質(zhì)獲得高強(qiáng)度。但隨著鑄造技術(shù)向“高、精、尖”方向發(fā)展，很多鑄件對變形量的控制要求愈來愈嚴(yán)。許多結(jié)構(gòu)長、輕、薄的鑄件，調(diào)質(zhì)淬火能滿足鑄件力學(xué)性能要求，但不易于鑄件變形量控制。

利用稀土對材料的凈化和對組織的細(xì)化作用[1]，取代部分合金元素，提高材質(zhì)強(qiáng)度，是獲得低碳當(dāng)量高強(qiáng)度正火處理鑄鋼件的有效手段。稀土在鋼中的作用有細(xì)化晶粒、變質(zhì)夾雜物、凈化鋼液和微合金化四種[2-7]，可以顯著提高鑄鋼性能。

本研究通過優(yōu)化調(diào)整ZG25Mn2 成分，適當(dāng)降低C、Mn 元素含量，并在其基礎(chǔ)上加入稀土硅鐵合金，設(shè)計(jì)一種正火處理的鑄鋼材質(zhì)，并研究其成分和正火熱處理工藝對其組織與性能的影響。

1 研制目標(biāo)及試驗(yàn)方法

1.1 研制目標(biāo)

研制的低碳當(dāng)量高強(qiáng)度稀土鑄鋼，碳當(dāng)量Ceq≤0.61%，熱處理方式為正火處理，成分和力學(xué)性能符合美國標(biāo)準(zhǔn)ASTMA148 90-60 高強(qiáng)度鑄鋼結(jié)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

1.2 試驗(yàn)方法

為了滿足上述要求，以ZG25Mn2 為基礎(chǔ)，進(jìn)行成分優(yōu)化設(shè)計(jì)。碳當(dāng)量計(jì)算采用國際焊接學(xué)會(huì)公式：

ZG25Mn2 主要元素碳當(dāng)量0.48%≤Ceq≤0.61%，正火后力學(xué)性能屈服強(qiáng)度345～440MPa，抗拉強(qiáng)度590～685 MPa，塑韌性良好。

為了凈化晶界，細(xì)化晶粒，改善鋼液流動(dòng)性以及鑄態(tài)組織和焊接性，成分設(shè)計(jì)中加入0.3%～0.4%稀土硅鐵合金Fe-Si-Re（含有Ce-Ti-Si-B 等活性元素），這些元素在鋼中的主要作用是分割與細(xì)化碳化物，最終達(dá)到改善鋼的纖維組織，改變鋼種夾雜物形態(tài)，提高鑄鋼綜合力學(xué)性能的目的[8]。

為了保證新材質(zhì)力學(xué)性能和碳當(dāng)量Ceq≤0.61%，適當(dāng)壓縮C 元素的范圍至0.25%～0.30%，考慮廢鋼中Cr、Ni、Mo 等殘留元素碳當(dāng)量0.04%～0.06%，降低Mn 元素含量至1.4%～1.6%，以滿足其碳當(dāng)量要求。S、P 含量按照公司現(xiàn)有技術(shù)水平，控制在0.030%以下。稀土按生產(chǎn)廠家提供的經(jīng)驗(yàn)，加入量為鋼液重量的0.3%～0.4%，采用鋼包沖入法加入。

采用250kg 中性中頻試驗(yàn)爐冶煉試驗(yàn)鋼，澆注標(biāo)準(zhǔn)鑄造基爾試棒，利用250kg 中頻爐試驗(yàn)進(jìn)行冶煉，其化學(xué)成分及碳當(dāng)量見表1。其中Q1 材質(zhì)稀土加入量為鋼液重量的0.3%，Q2 材質(zhì)稀土加入量為0.4%，Ceq為材質(zhì)包含殘留元素的碳當(dāng)量。

表1 試樣化學(xué)成分及碳當(dāng)量 %

熱處理采用880℃、900℃、920℃三種正火熱處理溫度，保溫4 小時(shí)，室溫下試樣的力學(xué)性能見表2。使用SHT4106 型1000kN 萬能試驗(yàn)機(jī)測試其強(qiáng)度和伸長率，采用MEF4 型金相顯微鏡（OM）和CamScan 掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行金相檢測。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 稀土加入對性能的影響

表2 室溫下試樣的力學(xué)性能

比較表2 中Q1 和Q2 的力學(xué)性能，在C、Mn、Si 等元素相近的情況下，加入硅鐵稀土材質(zhì)的屈服強(qiáng)度能提高30MPa 以上(未加稀土材質(zhì)屈服強(qiáng)度384MPa)，而且對材質(zhì)塑性也有所改善。對比材質(zhì)Q1 和Q2，當(dāng)稀土加入量從0.3%提升至0.4%，材質(zhì)屈服強(qiáng)度提高了少許，但斷后伸長率和斷面收縮率有顯著提高。

分析原因，稀土是鋼的表面活性元素以及強(qiáng)碳化物形成元素，并能與鋼液中氮、氫、氧、硫、磷等元素有極強(qiáng)的親和力和吸附力，加入鋼液中后能顯著降低鋼液表面張力，增加結(jié)晶核心，減少形成柱狀晶的引領(lǐng)相，細(xì)化晶粒。稀土可在長大的晶粒和固-液相界面上富集，有效阻礙晶粒長大，使夾雜物變質(zhì)成球狀，減少對液體的流動(dòng)阻力，消除針狀或網(wǎng)狀鐵素體，使鐵素體分布均勻，并同時(shí)擴(kuò)大鐵素體相區(qū)，減少共析膨脹量，提升材質(zhì)的屈服強(qiáng)度和塑性。同時(shí)，F(xiàn)e-Si-Re 中含有的強(qiáng)碳化物形成元素Ti，經(jīng)微合金化后也能提高材質(zhì)的強(qiáng)度。

2.2 熱處理工藝對性能的影響

從表2 可以看出，隨著正火溫度從880℃提升至920℃，Q1、Q2 材質(zhì)的屈服和抗拉強(qiáng)度先提高然后降低，在900℃時(shí)，材質(zhì)的綜合力學(xué)性能最理想。這是因?yàn)殡S著正火溫度的提高，材質(zhì)中Mn 在奧氏體中固溶度提高，提高材質(zhì)的強(qiáng)度和硬度[9,10]，但隨著溫度進(jìn)一步提高，過量的元素固溶會(huì)造成奧氏體穩(wěn)定性增加[11]，正火組織中殘留奧氏體增加，降低材質(zhì)強(qiáng)度、硬度。

2.3 稀土對金相組織的影響

圖1 為ZG25Mn2 以及Q2 材質(zhì)相同熱處理工藝下的金相對比照片。由圖可知，未加稀土?xí)r金相組織為珠光體加塊狀鐵素體，晶粒度為6.0 級(jí)。加入稀土后金相組織為珠光體加塊狀及極少量針狀鐵素體，晶粒度為7.5 級(jí)。根據(jù)SEM掃描電鏡給出的夾雜物級(jí)別，加入稀土后氧化物為1～1.5 級(jí)，硫化物為0.5 級(jí)，夾雜物改善明顯。

對比金相組織，加入稀土后組織改善不明顯，但晶粒度改善十分明顯。這是因?yàn)橄⊥磷鳛楸砻婊钚栽兀尤脘撘褐性黾恿司Ш撕诵?。同時(shí)稀土易富集在晶界前沿，阻止鑄態(tài)晶粒長大的同時(shí)抑制了正火過程中奧氏體晶粒的長大，進(jìn)一步細(xì)化晶粒。

對于夾雜物的改善，主要是稀土元素與氧、硫的親和力較強(qiáng),能形成高熔點(diǎn)的氧、硫復(fù)合夾雜物。高熔點(diǎn)的復(fù)合夾雜物，會(huì)呈球狀不斷從鋼液中上浮排除，使鋼中夾雜物大大減少。同時(shí)稀土與氧的強(qiáng)親和力，使鋼液中氧含量降至極低，不僅極大地減少了鋼液中硅酸鹽等氧化夾雜物的形成，而且可以使夾雜物變得更加均勻、細(xì)小，因此稀土對鑄鋼中的夾雜物起到了很好的變質(zhì)作用[12]，進(jìn)一步凈化鋼液。

圖1 ZG25Mn2 金相與Q2 正火后金相對比

3 生產(chǎn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證材質(zhì)的鑄造性能，實(shí)踐生產(chǎn)中利用3t 堿性電弧爐冶煉鋼液5t，澆注產(chǎn)品為汽車彈簧支架，采用樹脂砂鑄造工藝，每箱8 件，單件重量22kg，最大壁厚30mm，最小壁厚15mm。在出鋼溫度1635～1645℃，澆注溫度1595℃±5℃時(shí)，用8t塞桿式底注鋼包連續(xù)澆注10 箱，未出現(xiàn)澆不足、冷隔等鑄造缺陷，實(shí)踐應(yīng)用中新材質(zhì)的鑄造性能良好。

為了驗(yàn)證材質(zhì)的可焊性，計(jì)算出鋼的可焊性與焊接裂紋敏感指數(shù)Pcm 值在0.345%～0.43%，理論上可以用奧氏體不銹鋼進(jìn)行冷焊[13]。在生產(chǎn)實(shí)踐中，采用低合金高強(qiáng)度焊條焊接，預(yù)熱溫度T0≥180℃，焊接性能良好。

4 結(jié)論

（1）在優(yōu)化ZG25Mn2 成分的基礎(chǔ)上加入稀土，可提升鑄鋼屈服強(qiáng)度30MPa 以上。

（2）鑄鋼中加入稀土，可有效強(qiáng)化晶界，細(xì)化晶粒，與未加稀土的鑄鋼相比，正火熱處理后晶粒度可從6 級(jí)最高提升至7.5 級(jí)。

（3）鑄鋼中加入稀土，可有效降低硫化物、硅酸鹽等非金屬夾雜物，提高鋼水純凈度。