D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1983.01.005 北京钢铁学院学报 1983年第1期 稀土元素铈对钢的凝固和 枝晶偏析的影响 北京钢铁学院高瑞珍陈晓光 包头五二研究所刘树模 摘 要 本文用热分析法、金相法和电子探针微区分析考紫了铈对35GrNi.MoV和20Gr MoV二种低合金钢的凝固和枝晶偏析的影响。实验结果表明:稀土元素铈加入钢 中,减轻了钢液一固转变的过冷,推迟钢的包晶反应进行:细化初次晶粒,细化等轴 晶的二次枝晶臂,并在不同程度上减轻了Cr、Mo、V、Mn、Si、Ni等元素的枝晶偏 析。 一、前 言 钢的凝固过程对铸锭和铸件的质量有很大影响。铸锭和铸件无论经历何种热加工和热 处理,铸态组织的某些特征将始终保留在产品中,影响产品的某些使用性能。凝固过程中 产生的许多缺陷,如粗晶、缩松和裂纹等等,则直接危害着产品的使用。 随钢的凝固过程进行,溶质元素的再分配将产生元素的枝晶偏析。铸态组织中元素分 布的不均匀,经热变形加工后将形成带状组织,造成机械性能的各向异性和表面出现软点 和硬点。在热处理过程中,枝晶偏析使得枝晶干和枝晶间奥氏体转变特性不同而得到不同 的显微组织,从而引起强度、硬度和其它性能的不均匀。以致在组织组成间形成应力集中 或导致裂纹产生。 近年来发现,钢中加人适量稀土对改善铸态组织和元素的枝晶偏析有良好的作用1,2)。 不过,目前稀上对钢的凝固和枝晶偏析的影响,实验数据较少,对其机理还不能作出适当 的解释。因此,系统地研究稀土元素对钢的凝固的影响,特别是联系钢的凝固过程来探讨 稀土改善枝晶偏析的原因,具有一定的实际意义。 二、实验方法 选用35CrNi,MoV钢(以下简称35CrNi)和20 CrMoV钢(以下简称20Cr)作为研究对 象。35CrNi钢用中频炉冶炼,20C钢用电弧炉治炼,均铸成棒料,切割成小块作原料。 两种原料的成分见表1。 53
北 京 铜 铁 学 院 学 报 吕 年娜 翔 稀土元素钵对钢的凝固和 枝晶偏析的影响 北 京钢 铁 学院 包头五 二 研 究 所 高瑞 珍 陈晓 光 刘 树 模 摘 要 本文 用热 分 析法 、 金相法和 电子探针微区 分 析考 察了柿 对 和 二 种低合金钢的凝 固和枝晶偏析的影响 。 实验结果表 明 稀土元素饰 加入钢 中 , 减 轻了钢液一固转变的过冷 , 推迟钢的 包晶反应进 行 细 化 初次晶粒 , 细化 等轴 晶的二次枝晶臂 并在不 同程度上减轻了 、 。 、 、 、 、 等元素的枝 晶 偏 析 。 一 、 前 , 去 曰 钢 的凝 固过 程 对铸锭和铸件 的质量有很 大影 响 。 铸锭和铸件无论经历何种热加工和热 处 理 , 铸 态 组织 的某些 特征将 始终保 留在产品 中 , 影响 产品 的某些 使 用性能 。 凝固过 程中 产生的许多缺 陷 , 如 粗晶 、 缩 松和裂 纹等等 , 则直接 危害着产品 的使 用 。 随钢 的凝 固过 程进 行 , 溶 质元素 的再分配将产生元 素 的枝晶 偏析 。 铸态 组 织 中元素分 布的不均匀 , 经热 变形 加工后将形成带状组织 , 造成机械性能的各 向异性和表面 出现软点 和硬点 。 在热处 理过 程 中 , 枝 晶偏析使 得枝 晶干 和枝 晶间奥 氏体转变特性 不 同而得到不 同 的显微组 织 , 从而 引起强度 、 硬 度和其它性能 的不均匀 。 以致在组织组成间 形成 应力集 中 或导致裂纹 产 生 。 近年 来发现 , 钢 中加入适 量稀 土 对改善铸态 组织 和 元 素的枝晶偏析有良好的作用〔 ’ 〕 。 不过 , 目前稀 上对钢 的凝固和枝晶偏析 的影 响 , 实 验 数据较 少 , 对其机理还 不能 作 出适 当 的解释 。 因此 , 系统地研究稀土元素对钢的凝 固的影 响 , 特别是联 系钢的 凝 固过 程来探讨 稀 土改善枝晶偏析的原 因 , 具有一定 的实 际意 义 。 二 、 实 验 方 法 选 用 。 钢 以下简称 和 钢 以下 简称 作 为研 究 对 象 。 洞用中频炉 冶炼 , 钢用电弧 沪冶炼 , 均 涛成 棒料 , 切 割成 小 决作 原 料 。 两 种原料的成分 见 表 。 DOI :10.13374/j .issn1001-053x.1983.01.005
表1 两种低合朝原料的成分(%) 轴 女 Ma Ni Mo 36CrNi 1" 0.31 0,46 0.50 1,55 3.00 0,38 0.29 一 3° 0.32 0.35 0.40 1.56 3.12 0.40 0.29 0.035 e 0.32 0.44 0.44 1,35 3.04 0.39 0.32 0.058 6 0.32 0.27 0.51 1.54 3.00 0,38 0.30 0.100 7 0.31 0.33 0.45 1.53 3.04 0,39 0,36 0.44 20CrMoV 0.205 0,26 0.61 0.92 0,55 0.22 注,P<0.024,S<0.021。 实验装置由高温钼丝炉、温控电源、热电偶、微分仪和函数记录仪所组成,其示意图 见图1所示。每炉原料均取80克装入18mm的刚玉坩埚,在高温钼丝炉内氩气保护下熔 化,过热到1580°一1600℃,插入热电偶 ·试样测温偶 测温,然后试样以~1C/S速率冷却, 冷却至1300°C连同坩埚一起淬人盐水,试 微分仪 样在冷却过程中用铂铑热电偶配以TD-10 微分仪和XWT-464台式纪录仪记下试样 XWT-464 的冷却曲线和一次微分曲线。20Cr钢用一 式试记录仪 种原料,加热到1600°C以后,用薄铁皮 炉温测量偶 包住含铈~80%的铁铈合金,插人钢液底 部,保温2一3分钟后冷却,测量冷却曲 图1实验装量示意图 线。 试样直径为中18mm,取距底部20mm处的横截面作金相检查,用电子探针微区分析考 祭各元素枝晶偏析的程度。上部试样用钻屑法分析铈量,以确定每个试样实际残余铈量。 三、实验结果 1,热分析曲线特征值 本实验中热分析法,采用了TD-10测温微分仪,一方面将铂铑热电偶的测温信号在 1300一1700C的量程内增强放大,另一方面对冷却曲线进行一次微分,从而能较准确地 判断相变的转折点。 dT dt 一般低合金钢的典型冷却曲线和微分 (℃/s) 曲线见图2示意,其中: a一液相冷却速度, b一初生相开始生长,其中△T,为析 出新相的过冷度, c一枝晶生长福度,作为液相线, d一第二相开始生成,其中△T为第 (S) 图2低合金的冷却曲线和徽分曲线 54
表 两种低合钠原料的成分 编 号 宜 。 。 。 ‘ 。 。 一 。 。 。 。 。 。 万 。 。 一甘八﹄工︸ 一别引 一幼﹄ 。 。 。 。 。 吕 。 。 。 。 一 一 。 。 。 。 。 。 。 一 奋 注 , 。 。 实验装置 由高温铂丝 炉 、 温控 电源 、 热电偶 、 微分 仪和函数记录 仪所组成 , 其示意图 见 图 所示 。 每炉原料均取 克装入小 吕, 的刚玉增涡 , 在高温钥丝 沪 内氢气保 护 下 熔 化 , 过热到 “ 一 “ , 插人热 电 偶 白 温 微分仪 控 电 源 图 实胜装工 示 意 图 测 温 , 然后试样 以 速 率 冷 却 , 冷却至 “ 连 同增 塌一起 淬人 盐水 , 试 样在冷却过程中用铂锗热 电偶 配 以 一 微分 仪和 一 台式纪录 仪记下 试 样 的 冷却曲线 和一次微分曲线 。 钢用一 种原料 , 加热到 以后 , 用 薄 铁 皮 包住含饰 的铁 钟合金 , 插人钢液底 部 , 保温 一 分钟后冷却 , 测 最 冷 却 曲 线 。 试样直径 为拟 , 取距 底部 处 的横截面 作金相 检查 , 用 电子探针微 区分析考 察各元素枝晶偏析的程度 。 上部试样用钻屑法分 析饰 量 , 以确定每个试样实 际残 余饰 。 三 、 实 验 结 果 飞 热分析曲线特征位 本实验 中热分析法 , 采 用 了 一 。 测温微分 仪 , 一方面将铂锗热 电偶 的 测温 信 号 在 。一 “ 的量程 内增强放大 , 另一方面 对冷却 曲线 进行一次微分 , 从而能较准 确 地 判断相变的 转折点 。 、 一般低合金钢的典型冷却曲线和微分 曲线见 图 示意 , 其中 一液相 冷却速度 一初生相开始生长 , 其中△ 为析 出新相 的过冷度 , 一枝晶生长温度 , 作 为液相线, 一第二相开始生成 , 其中△ , 为 第 牲 ℃ 图 低 合 金 的 冷 却 曲线和 徽 分 曲 线
二相析出过冷, 一第二相生长的最高温度,作为第二相形成温度, f一凝固结束,作为固相线温度。 两种低合金钢的热分析曲线特征值见表2,数据为2一3次测量结果的平均值。 热分析实验结果表明: (1)铈加人钢中,减轻了液固转变时的液相过冷。35CNi钢中不含铈的试样过冷度 为2一3°C,加铈的各组试样,其过冷很不明显。20C钢不含铈的试样过冷度为6一8°C, 铈含量为0.048%时,过冷度降到1一2°C,铈量再增加,过冷极不明显。 (2)铈推迟了钢的包晶反应。在二种低合金钢中,随着铈量的增加, 包晶反应温度均 有明显地下降。特别是,20Cr钢中含0.80%C©的试样,其包晶反应消失,液相全部结晶成 表2 二种低合金钢的热分析曲线特征值 含Ce量 冷 液相线 液相过冷 包 线 包晶过冷 固相线 结品间隔 编 号 % .C/S C C C C C C 35CrNi 1 0 0,85 1498 2-3 1496 1421 77 3* 0.026 0.85 1494 1490 1-2 1406 88 9 0.046 0.85 1490 1482 3-4 1404 86 6 0.080 0,85 1493 1486 中 1409 84 0.20 0.85 1490 一 1482 1402 88 20Cr 1 0 0.7 1506 6—8 1463 1438 67 2* 0.048 0,7 1504 1-2 1461 1435 69 3* 0.347 0.7 1505 1453 1428 77 4 0.80 0.7 1500 1422(6→Y) 1440 60 8相,而在凝固后发生ò→Y转变。此外,随着含铈量的增加,从液相析出到包晶反应开始 的时间间隔也逐渐加大。 (3)铈加入钢中,有降低液相线,固相线的倾向。 2.铸态组织 本实验的试样尺寸较小,凝固后的宏观组织为等轴晶组织。35CN钢的宏观组织表 明,随着钢中含铈量的增加,钢的等轴晶的初次晶粒得到明显细化,见图3(见图版)。不 过,对细化初次晶粒,铈的含量似乎有一个最佳值,当铈量为0.046一0.080%时,初次晶 粒最细,再进一步增加铈量,初生晶粒却略 有增大。20Cr钢的宏观组织和35CrNi钢相 似,加入铈也使初次晶粒得到明显细化。 为直接观祭枝晶生长的过程,将35Cr Ni钢的1(0%Cc),4*(0.058%Ce),5 (0.10%Ce)试样在凝固后40秒淬入盐水, 所得组织如图4(见图版)。不加铈的试样 树枝晶一次臂十分发达,许多互相平行的 散热长大 敢热长大 一次臂构成一个大的初次晶粒,初生晶粒 ()不加饰 (b)加钠 数密签无儿。而加筋的试样中树枝晶的一 图5钟对解的等态组织影响 55
二相析出过 冷, 一第二相 生长的最 高温度 , 作 为 第二相形成温度, 一凝固 结束 , 作 为固相线温度 。 两 种低合金钢 的热分 析曲线特征值见表 , 数据为 一 次测量结果的平均值 。 热分 析实验 结果表明 柿 加人钢 中 , 减轻了液 固转变时 的液相过 冷 。 钢 中不含饰 的试样过 冷 度 为 一 , 加饰 的各组试 样 , 其过 冷很 不明显 。 钢不含饰 的试样 过 冷 度为 一 , 饰 含量 为 时 , 过 冷度降到 一 , 饰量再增 加 , 过 冷极不明显 。 饰 推迟 了钢的 包晶反 应 。 在二种低合 金钢 中 , 随 着柿 量 的增加 , 包晶反应温度均 有明显地下 降 。 特别是 , 钢中含 的 试样 , 其包晶反 应消失 , 液相全部结晶成 裹 二种低 合金 钢的热 分析 曲线特征 值 编 号 的舀勺一 孟,舀通 公 ‘ ’ 】 。 “ · “ · 一 , 一二立 , 上竺一 冷 速 液 相 妞 液 相过 冷 包 晶 幼 包晶 过冷 固 相线 。 一 一 一 。 。 一 吕吕 。 。 。 。 。 。 吕 。 一 。 。 一 。 。 。 。 相 , 而 在 凝 固后发生 ,丫转变 。 此外 , 随 着含钟 量 的增 加 , 从液相析 出到 包晶反应开 始 的 时间 间 隔也 逐 渐加大 。 柿 加入钢 中 , 有降低液相线 , 固相线的倾向 。 铸态组织 本实验的 试样 尺寸较小 , 凝固 后 的宏观组 织 为等轴晶组 织 。 钢的 宏观组 织 表 明 , 随 着钢中含饰 量 的增 加 , 钢 的等轴晶 的初次晶粒得到明 显细化 , 见 图 见图版 。 不 过 , 对细化 初次晶粒 , 柿 的含量似乎有一 个最佳值 , 当饰 量 为。 一 。 。 时 , 初次晶 拉最细 , 再进 一步增 加柿 量 ,初生 晶粒 却略 有增大 。 钢 的 宏观组 织 和 钢相 似 , 加人饰 也 使初次晶 粒 得到明 显细 化 。 为直接 观 察枝 晶 生长的 过 程 , 将 钢 的 希 , , · 试样在凝固 后 秒淬人盐 水 , 所得 组 织 如 图 见 图版 。 不加饰 的试样 树枝晶一 次臂十分发达 , 许多互相平 行的 一 次臂构成 一 个大 的初次晶粒 , 初生晶粒 数寥寥无 儿 。 而加柿 的 试样 中树枝晶的一 、 久 ‘ 龟 龟 , 气 ‘ ’ 、 , 、 、 , 不 加饰 加钟 图 ‘ 扮对俐的 特 态组 织形 响
次臂排列混乱,纵横交错。可以看出它们是由液体中许多晶胚发源,以各自位向向液体中 发展,构成了众多的细小初次晶粒。一般钢和加铈钢的铸态组织差别可以概括成图5所 示。 在检查宏观组织时初步发现,加入铈不但细化了初次晶粒,而且还细化等轴晶的二次 枝晶臂。在金相显微镜下测量了35CNi钢等轴晶的二次枝晶臂间距,结果见表3。 表3 二次枝晶障间距随铈含量的变化 学 样号 3 4 5 7 钟 麦 % 0 0.026 0.046 0.080 0.20 枝晶间距μ 116 106 95 96 86 试样中的二次枝晶臂的测量是在一个试样中均匀地选取十个视场,每个视场选取4一10 个典型二次臂测量,算出平均值,然后将10个视场的数据取算术平均值。20C钢由于含碳 量较低,枝晶组织腐蚀不够清楚,在金相显微镜下较难判断典型的二次枝晶臂,故没有定 量地测量。但从枝晶臂的轮廓来看,随着铈含量的增加,树枝晶结构也得到明显地细化。 3,电子探针检查结果 本实验在1300°C将试样淬入盐水,35CrNi钢的显微组织全部为马氏体,20Cr钢基本 上也都是马氏体,仅在奥氏体晶界处有少量下贝氏体组织。马氏体相变为无扩散型相变, 这意味着高温时合金的状态通过淬火已固定下来,这为研究元素的枝晶偏析,不受其它因 素干扰提供了有利的条件。 为了定量地刻划某个元素的枝晶偏析倾向,通常采用偏析比: 本实验中偏析比按下式计算: 丧4 电子探针对35CrNi钢各元素枝晶偏析比的测定结果 元 Cr Ni Mo Si 号 1 1,68 1,26 3.43 3.45 1.60 1.42 (0%Ce) 3* 1.50 1,11 3.00 2,71 1.67 1.65 (0.026%Ce) 4° 1,39 1.43 3.20 1,59 1.86 1.98 (0,046%Ce) 5◆ 1.07 1.14 2.56 1.68 1,11 1.07 (0.080%C。) 7° 1.06 1,04 1.92 1,50 1,38 1.19 (0.20%Ce) s-8接量奈餐} (1) 56
次臂排列 混 乱 , 纵横交错 。 可 以看出它们是 由液体中许多晶胚发源 , 以各 自位向向液休中 发展 , 构成了 众 多的 细小初次晶粒 。 一般钢和加饰钢的铸态组 织差别 可以概括 成 图 所 示 。 在检查宏观组 织 时初步发现 , 加人饰 不但 细化了初次晶粒 , 而且还细化 等轴晶的二次 枝晶臂 。 在金相显微 镜下测量了 钢等轴晶 的二次枝晶臂间距 , 结果见表 。 衰 二次枝晶臂 间距随饰含量 的变化 试 样 号 肺 皿 枝 晶 间 跟 。 。 。 试样 中的二次枝晶臂 的测 量是在一个试样 中均匀地选取十 个视场 ,每个视场选取 一 个典型二次臂测量 , 算 出平均值 , 然后将 个视场的数据取算术平均值 。 钢由于含碳 量 较低 , 枝晶组织腐蚀不够清楚 , 在金 相显微镜下 较难判断典型 的二次枝晶臂 , 故没有定 最地测 量 。 但从枝 晶臂 的轮廓来看 , 随着柿 含量 的增 加 , 树枝 晶结构也 得到明显地细化 。 。 电子探针检查结果 本实验在 将试 样淬入盐水 , 钢的显微组织全部 为马 氏体 , 钢 基 本 上也都是马 氏体 , 仅在奥 氏体晶界处有少量 下 贝氏体组织 。 马 氏体相变为无扩散型相变 , 这意味着高温时合 金 的状态通过淬火 已固定 下来 , 这为研究元素的枝晶偏析 , 不受其它因 素干扰提供 了有利 的条件 。 为了定量地刻 划某个元素的枝晶偏析倾向 , 通常采 用偏析 比 本实验 中偏析比按下式计算 衰 电子探针对 钢各元素枝晶偏析 比的侧定结果 沐。犷 一 一 一 一 。 。 。 。 一 。 。 。 。 。 。 一 。 。 。 。 一 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 二二 一 枝晶间最大 浓度 下芍 一一 一矛飞山下石尸二二飞云 一 气二丁二不 砚一 一 与二 气仪 的卞最小浓反
S=C.,(枝晶间平均脉冲数-枝晶间本底脉冲数) C。。(枝晶干平均脉冲数一校晶干本底脉冲数) (2) 35CNi钢用日产ASM-SX扫描电镜的探针部分测定元素浓度,计时10秒。一般选取 1一2个视场,对二次枝晶臂的枝晶间和枝晶干中心分别测定5一10个点,·各取平均值,计算 得到偏析比,结果见表4。 20Cr钢用日产JXA~3A型电子探针测定各元素的浓度,计时20秒。每个试样选取三 个视场,每个视场取一个典型的二次臂,对枝晶千中心和枝晶间中心分别测定3点,取平 均值后得到偏析比,结果见表5。 丧5 电子探针对20C钢各元素枝晶偏析的测定结果 元 Cr Mo Ma 偏析比 平均值 偏析比 平均值 偏桥比 平均值 偏析比 平均值 1 1.28 1.75 2.17 1.21 1.19 1,21 1,78 1.67 1.40 1.59 1.22 1.24 (0%Ce) 1.16 1,49 1.20 1,29 2° 1.09 1.77 1.60 1.03 1.17 1.10 1.63 1.49 1.65 1,48 1.16 1.07 (0.048%Ce) 1,05 1,07 1,20 1.02 3 1.08 1.54 1,46 1.05 1,08 1.07 1.59 1.45 1.33 1.37 1.07 1.06 (0.347%Ce) 1.04 1.21 1.32 1.05 三、实验结果的讨论 1.铈对钢凝固的形响 热分析和铸态组织检查的结果表明,铈的加入对钢凝固过程发生了如下影响: (1)减轻液相析出过冷,初次晶粒明显细化 一般合金中由于存在大量的夹杂,结晶都是从非均质形核开始。对非均质形核而言, 核心越有效,形核功就越小,结晶所需的过冷度也越小。核心的有效性与平衡接触角日有 关 液幅上 cos=OsL-Osc 5赣Cs OLC T7T7T文 dze 窗桐$ 日角越小,则非质形核越容易。 图6非均质形校示意图 大桥彻郎等人〔3)曾研究过钢的凝固过程中氧化物非均质形核的有效性。实验中发现, 在纯铁中加入稀土,形成稀土氧化物等夹杂,纯铁结晶时临界过冷度为3°C,而在同样条 件下,A120,是14°C,SiO2是30°C,MnO是53°C。通过理论分析和计算,大桥认为稀土 氧化物和8-F的平衡接触角比其它氧化物小得多,所以稀土氧化物能更有效地作非均质 形核的核心。 本实验中,不加铈的试样,液相析出的过冷都较大,加铈以后液相析出过冷就很不明 57
宝 二 枝 晶 间平均丛兰卿 一 枝 晶间本匾丛冲越 … 枝 晶 干 平均脉冲数 一 枝 晶干本底脉 冲数 钢用 日产 一 扫描 电镜的探针部分测定元素浓度 , 计时 秒 。 一般 选 取 一 个视场 , 对 二次枝 晶臂的枝晶 间和枝晶干中心 分别 定 一 个点 , 各取平均值 ,计算 得到偏析比 , 结果见表 。 钢 用 日产 一 型 电子探针测定各元 素的 浓度 , 计时 秒 。 每个试 样 选 取 三 个视场 , 每个视场取一 个典型 的二次臂 , 对枝晶 干 中心和枝晶间 中心 分别测定 点 , 、 取平 均值后得到偏析 比 , 结果见表 。 衰 电子探针对 钢各元 素枝晶偏析的测定结果 偏 析 比 平 均 值 偏析 比 平 均 值 偏 析 比 平 均值 偏析 比 平 均位 。 。 。 。 。 。 一 。 。 。 。 。 。 。 。 一 。 一 。 。 。 。 。 。 。 。 土 。 。 。 。 三 、 实验结果的讨论 饰对铜凝固 的影响 热分析和铸 态组 织 检查的 结果表 明 , 饰的 加人对钢 凝 固过 程发 生了 如下影 响 减轻液相 析 出过 冷 , 初次晶 粒明 显细化 一般合金 中由于存在大 量的 夹 杂 , 结晶都 是从非均质形核开始 。 对非均 质形 核而言 , 核心 越有效 , 形 核功就 越小 , 结晶所需 的过 冷度也 越小 。 核心 的有效性与 平 衡接触 角 有 关 口 一 口 口 角越小 , 则非 质形核越容易 。 图 非 均质 形 核 示 意 图 大桥彻 郎等人〔 〕 曾研究过钢的 凝 固过程 中氧化 物非均 质形核的有效性 。 实 验 中发现 , 在纯铁中加人稀土 , 形成稀土氧化物等夹 杂 , 纯铁结晶时临界过 冷度 为 , 而在 同 样条 件下 , 。 是 “ , 是 , 是 “ 。 通 过 理论 分析和计算 , 大 桥认 为稀 土 氧化物和卜 的平 衡接触角 比其它氧 化 物 小得 多 , 所 以稀土 氧化 物能 更有效地 作 非 均 质 形核的 核心 。 本实验 中 , 不 加饰 的试样 , 液相析 出的过 冷都较大 , 加饰以后液相析 出过 冷就很 不明