铈对高锰钢奥氏体胞晶稳定性及锰的枝晶偏析的影响

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1983.01.006 北京钢铁半院学报 1983年第1期 铈对高锰钢奥氏体胞晶稳定性 及锰的枝晶偏析的影响 铸工教研室胡汉起钟雪友力航 摘 要 作者对铸造用高锰钢采用定向凝固并严格控制工艺参数获得了稳定的奥氏体胞晶 组织，发现随着铈量增加，胞晶前沿转向枝晶发展，并有游离晶出现。与此同时， 用电子探针微区分析考察了铈对高锰钢中锰在定向凝固条件下获得的胞晶、柱状 晶及等轴晶内偏析的定量影响，在前人研究成果的基础上，考虑到固相反扩散这一 因素，导出了高锰钢中锰元素的溶质分布表达式，通过对实验数据进行理论分析， 发现溶质平衡分配系数K。值是影响枝晶偏析的决定性因素。 一、前 言 稀土元素缩小钢铸锭（件）中的柱状晶区、扩大等轴晶区、并细化晶粒的作用已为不 少文献所报导1,2,3、4)。稀土元素的这一作用被认为是稀土夹杂的非均质形核作用造成 的。大桥彻郎通过自己的过冷度实验并根据Bramfit的非均质形核匹配度的计算证明稀土 氧化物比A12O,、SiO2等更可能成为非自发晶核5)。近年来国内陆续报导了稀土元素在 铁基合金中能够固溶，并有合金化作用的效果〔2、G、7、8)。作者最近采用定向凝固工艺 获得了高锰钢单相奥氏体的平面晶组织，在此基础上测定了C的溶质平衡分配系数K。 值9)。这就更加明确了稀土元素加人钢中之后除了形成夹杂外，剩余的量将会溶解于钢 液并在长大着的晶体固一液面上进行溶质的平衡分布，即稀土元素以原子状态-一部分固溶 于已凝固相之中，同时在固液界面前沿的液相一侧造成富集。这些新的研究成果势必会扩 大我们对稀土元素在细化钢的结晶组织方面所起作用的认识。为此，有必要用实验手段来 证明稀土元素在凝固前沿的富集作用对结晶组织的影响。 稀土元素改变钢中其它合金元素的枝晶偏析已为不少研究成果所证实(2、3、4,10)。 但是，已往的工作多是在工业条件下进行的，凝固工艺参数控制不易严格，要深入考察稀 土元素对钢的凝固及偏析的影响，必须严格控制工艺条件，即液相温度梯度G与凝固速 度R值。否则，这些外界因素的影响可能会掩盖稀土元素的作用。六十年代以来，许多研 究者对金属的枝晶生长及溶质元素的显微偏析从理论到实验做了大量工作并导出了描述合 64

北 京 铜 铁 学 院 学 报 年 第 期 钵对高锰钢奥氏体胞晶稳定性 及锰的枝晶偏析的影响 铸 工 教研 室 胡汉起 钟 雪友 力航 摘 要 作者对铸造 用高锰钢采用定 向凝固 并严格控制工艺 参数 获得了 稳定 的奥氏体胞 晶 组织 ，发现随着饰 量增 加 ， 胞晶前沿转 向枝晶发展 ， 并有游离晶 出现 。 与此同时 ， 用 电子探针微区 分析考察了柿 对 高锰钢中锰在定 向凝固 条件下获得的胞晶 、 柱状 晶及等 轴晶内偏析 的定量影响 。 在前人研究成果 的基础 上 ， 考 虑到固相反扩 散 这一 因素 ， 导 出了高锰钢 中锰元素 的溶 质分布表 达式 ，通 过对实验数据进行理论分析 ， 发现溶质平 衡分 配系数 。 值是 影响枝晶偏析的决定性 因素 。 一 、 前 一 一 舀 稀土元素缩 小钢铸锭 件 中的柱状晶区 、 扩大等轴晶区 、 并细化晶粒 的作 用 已为不 少文献所报导〔 、 、 、 ‘ 〕 。 稀 土元素 的这一作 用被认 为是稀 土夹杂 的非均质形核 作 用 造 成 的 。 大桥彻郎通过 自己 的过 冷度实验并根 据 的非均质形 核匹配度的计算证明 稀 土 氧化物比 、 等更可能成 为非 自发晶核〔 “ 〕 。 近年来国 内陆续报导了稀土 元 素在 铁基合金 中能够固 溶 ， 并有合金化作 用 的效果〔 、 、 、 〕 。 作者最近采用定 向 凝固 工 艺 获得了高锰 钢单相奥氏体 的平面晶 组织 ， 在此基 础上 测定了 的溶质平 衡 分配 系 数 。 值〔 〕 。 这 就更 加明确了稀土元素 加人钢 中之 后除了形成夹杂外 ， 剩余的 量将会溶解 于 钢 液并 在长大 着 的晶 体固一液面上进行溶质的平衡分 布 ， 即稀土元素以原子 状态一 部分固溶 于 已凝固相之 中， 同时 在固液 界面前沿 的液相一侧 造成富集 。 这些新 的研究成果 势必会扩 大我们对稀 土元素在细 化钢 的结晶组 织方面所起作 用 的认识 。 为此 ， 有必 要用实验 手段来 证明稀 土元素在 凝固前沿 的 富集 作 用 对结晶组织 的影 响 。 稀土元素改变钢 中其它合金元素的枝晶偏析 已 为不少研究成果 所 证 实〔 、 、 ‘ 、 〕 。 但是 ， 已往 的工作多是在工业 条件下进行 的 ， 凝固 工艺 参数控制不易严格 ， 要深入考察稀 土元 素对钢 的凝固及 偏析的影响 ， 必 须 严格 控制工艺条件 ， 即液相温度梯度 ‘ 与凝 固 速 度 值 。 否则 ， 这 些外界因素的影响可能会掩盖稀土元素 的作用 。 六 十年代以来 ， 许多 研 究者对余属的枝晶生长及溶质元素的显微偏析从理论到实验做了大 工作并导出了描 述合 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1983．01．006

金元素显微偏析的表达式111么、13,14们，这就大大推动了凝固理论的发展。只是这些研究 成果多是在有色金属二元合金的条件下得到验证的，有的甚至还处于理论分析阶段。它们 是否适用于多元的铁基合金还有待于更多的实验加以考察。另外，在影响显微偏析的很多 因素中找出主要因素这将是有实际意义的。 二、试验装置与试样制备 本实验用的定向凝固炉系采用立式的钥丝电阻加热方式，并用高纯H,气保护，中65mm 钢玉管作钼丝衬管。用机械传动使炉体上升，而凝固坩埚（钢玉管）通过其下端的水冷结 晶器固定在支架上，由于炉体加热区相对于坩埚产生的向上运动，使钢液定向凝固。使用 KTDJN200/210型可控硅温控电源控制炉温。钢料加热熔化及定向凝固期间通入Ar气保 护。炉体的行走速度通过改变直流电机的输入电压来控制。设备的结构框图及炉体结构图 见图1和图2。 坩场 温挖电偶炉体 可控硅 直流调 温控电源 行走机构 压电源 坩埚1問定架 液 评 减速机制 直流电机 图1定向凝固炉结构枢图 数气入口 控温电偶 损络坩埚 氧化铝砖盖 定向凝固坩埚 高锰钢料 纯铁片 炉丝 钢玉福斗 水冷铜套 钢玉炉衬管 石棉毡 水冷结晶器 密封软胶膜 图2加料时的炉体纵制面图 坩埚材料的选择要防止试验过程中高温钢液内稀土元素对它的强烈作用，以保证钢液 在定向，凝固过程中有一定的稀土残留量。根据几种常用的耐火材料与稀土元素C相互作用 65

金元素显微偏析的表达式〔 ‘ 、 念 、 、 ” ， 这就大大推动了凝固理论的发展 。 只是这些研究 成果多是在有色金属 二元合金 的 条件下得到验证 的 ， 有的甚 至 还处于理论分析阶段 。 它们 是否适 用于 多元 的铁 基合金还有待于更多 的实验加以考察 。 另外 ， 在影响显微偏析的很 多 因素 中找 出主要 因素这将是有实 际意义 的 。 二 、 试验装置与试样制备 本 实验 用 的定 向凝固沪 系采用立 式 的钥丝 电阻 加热 方式 ， 并用高纯 气保护 ， 小 二 钢玉 管作铂丝衬 管 。 用机械 传动使炉体上 升 ， 而凝固增涡 钢玉管 通 过其下 端 的水冷结 晶器固定 在 支架上 ， 由于 炉体加热区相对于柑塌产生的 向上运动 ， 使钢液定 向凝固 。 使用 。 。 。 型 可控硅温控 电源控制 护温 。 钢料加热 熔化及定 向凝固期间通入 气 保 护 。 炉 体的 行走速度通 过改变直流 电机的输人 电压 来控制 。 设备的 结构框图及炉 休结构图 见图 和 图 。 ’ 走机构 可控硅 温控 电源 减 ，坐机 构 直流调 压电源 图 定 向凝 固护 结构框 图 姐气入 口 控 温 电偶 一口一一 一 塑型鲤 一一渔一一一些一一一生一一 、 、 纯铁片 护丝 钠玉诵斗 恐弓酥价 一 一一 一、 、 、 、 公抽 水冷银套 一一 、 钢玉炉衬管 、 圈 加 料时的护休 纵 剑面 田 柑 竭材料的选择 要防 止 试验过 程中高温钢液 内稀土元素对它的 强烈 作 用 ， 以保证钢 液 在定 向凝固过 程 中有一定的 稀 土残 留量 。 根据几 种常 用的 耐火材料与稀 土 元素 相互作 用

的热力学和动力学曲线（图3，图4）可以着出A1,O,对℃e有较好的热化学稳定性，同时 其来源也较方便。 1G· (KcaIo =20 0S0 l加第一批Ce l加幕二批Ce I加第三批Ce Ce% ▲粘土砖坩埚 -60 0.40 。钱砖坩埚 ·氧化铝坩埚 MgO 0.30 SiO. 21s0 0.20 N -220 Ce(): A10 CaO 0.10h -260 -300L 10 20 30405060708090 500100016002000 T(℃) 时间（分） 图3某些常用耐火材料及Ce02的生成自由能曲线C15) 图4在不同坩拥中铁液内Ce变化的动力学曲线C16] R:mm/hr !:定向凝固所使用的原始高锰 1钢料的成分为：1.36%C,1.02% 12 Sj,13.73%Mn,0.055,%P, 10 0.007%S,A1微量。其凝固温度为 1370°℃。在对高锰钢液进行定向 凝固之前，必须在另一个预熔坩 埚内对高锰钢料进行熔化与过 热。钢液注人凝固坩埚之后应将 炉温继续升至1560一1580°℃。为 使试样在固一液界面上达到热平 8·10121416 衡，在此温度下保温半小时即可 V:mm/hr 开始进行定向凝固。在定向凝固 图5炉体行走邀度V与颜固速度R的关系 过程中经测定GL值为135°C/cm。 凝固速度R与炉体上升速度V之间的图关系见图5。 各种试样的制备情况如下： 1,胞状晶试样的制各： 第一组试样1、2。将炉温控制在1560°C,保温半小时后，分别以炉体上升速度V= 2.2mm/hr和V=4mm/hr进行定向凝固，10分钟后迅速打开固定结晶器的夹紧装置，将试 样淬入加冰的盐水中即得。试样纵向打磨、抛光、腐蚀后进行金相与电子探针检查。 第二组试样3·一8·。将炉温控制在1580°C半小时后，炉体以V=1mm/hr的速度行 走半小时，以获得平面晶的凝固前沿。之后将含Ce40%的Fe一Ce合金加人定向凝固的钢 液内，保持2分钟后，将炉体行走速度提高到5.6mm/hr,行走15分钟后淬火。为进行对 比，在工艺参数相同的情况下，3试样不加稀土。4一8试样加稀土，定向凝固后淬 66

的热力学和动力学曲线 图 ， 图 可以 看出 对 ’有较好的热化学稳定性 ， 同时 其来源也较方便 。 ‘ 一 。 。 加第一批 “ 加第二批 加 第三批 “ 枯土砖柑塌 钱砖柑塌 软化铝增塌 击、八 口 、 姿、 月 ︸刁弓 一白闰弋﹀助。 时间 分 ’ ℃ 圈 某 些 常用 耐火 材料及 的生 成 自由能 曲线〔 〕 图 在 不 同增 坍 中铁 液 内 变 化 的 动力 学 曲线〔 〕 乡卜 尸 又 了 丫 扩 口 图 炉体 行走速度 与凝 固邃度 的关系 二 合孟 定 向凝固所使 用的原 始高锰 钢料 的成 分 为 ， 。 。 ， ， ， ， 。 ， 微量 。 其凝固温度为 。 。 。 在对高锰钢液进行定向 凝固之前 ， 必 须在 另一个预 熔柑 涡 内对高锰钢料进 行 熔 化 与 过 热 。 钢液注人凝固增涡之 后应将 炉温继续升至 一 。 为 使试样在固一液界面上 达到热平 衡 ， 在此温度下保 温半小 时即可 开始进行定向凝固 。 在定 向凝固 过程 中经侧定 值为 。 凝固速度 与炉体上升速度 之间的 图关系见 图 。 各种试样的制备情况 如 下 ’ ， 胞状晶试样的制备 第一组试样 、 。 将 炉温控制在 。 。 ， 保温半小 时后 ， 分别以炉 体上升速度 二 和 进 行定 向凝固 ， 分钟后迅速打开 固定结晶器的夹紧装置 ， 将试 样淬人加冰的盐水中即得 。 试样纵向打磨 、 抛光 、 腐蚀后进行金相 与 电子探针检查 。 第二组试样 一 禅 。 将炉温控制在 半小 时后 ， 炉体以 二 的速度行 走半小时 ， 以获得平面晶的凝固前沿 。 之 后将含 的 一 合金加入定 向凝固 的 钢 液 内 ， 保持 分钟后 ， 将 炉体行走速度提高到 价 ， 行走 分钟后淬火 。 为进 行 对 比 ， 在工艺参数相 同的情况下 ， 试样不加稀土 。 一 称 试样加稀土 ， 定 向凝固 后 淬

火，液相内的铈残留量见表1。 表1 试 样 元 4 5° 6 7 8 量 Ce残 0.15% 0,20% 0,33% 0.38% 0.47% 2.晶胞、柱状晶及等轴晶共存试样的制备：本组试样为9*和10。在开始阶段制备胞 状晶的工艺与上述相同。只是9试样不加Ce,l0*试样加Ce。另外，以炉体行走速度V= 5,6mm/hr制备胞晶，10分钟后关闭行走机构，使定向凝固坩埚在炉内以48°C/mm的降温 速度至1200°C左右（约为高锰钢的固相线温度)，立即淬火，以抑制凝固后的溶质元素固 相反扩散的进行。10试样定向凝固后其淬火液相内的残留C©量为0.41%。试样淬火后纵 向打磨、抛光、腐蚀后进行金相与电子探针检查。制得的9和10*试样，其显微组织从微 冷端到末端区分别为平面晶、胞状晶、柱状树枝晶与等轴晶。 1一10试样制备工艺、结晶形貌，C残留量等情况列于表2。经测定，定向凝固过 程中Mn从原料中的13.72%降为12.53%，C无变化。 表2 炉体行走速度 试样号 制备工艺 钻晶形貌 C。残留量 主要目的 'C (mm/hr) 1 1560 2.2 带 淬 胞 品 无 比较R对胞晶形貌及 2 1560 液 淬 胞 无 偏析的影响 3 1580 5,6 淬 胞 品 无 1,规鼻不同C。量对胞 40 1580 5,6 垫 曾 胞 品 0.15 品前沿形貌的影响 1580 5.6 液 粹 的 品 0.20 6● 1580 5.6 液 淬 胞 品 0.33 2,比较不同Ce量对胞 7 1580 5.6 液 淬 胞 品 0.38 品Ma偏析的影响 8 1580 5.6 液 淬 胞 品 0.47 9● 1580 5.6 炉冷后液淬 柱 品 无 轴 同 上 10● 1580 6.6 炉冷后液淬 品 等轴 0.41 三、实验结果 1,漿因速度R对胞晶形貌及锰、硅偏析彩响的观察：1和2◆试样制备工艺的差别仅 在于后者R值大于前者（见表2），它们的金相照片及距淬火固液界面50处胞晶间锰、硅 分布电子探针的线扫描见图6。可以看出，当凝固速度增加时，胞晶间距变小，M、S偏 析增大。说明溶质元素的偏析对工艺参数是敏感的。 2,铈量对胞晶形貌及溶质偏析彩响的考案： (1)3*一8试样制备工艺相同，只是含铈量不同，它们的金相照片见图7。可以看 67

火 ， 液相内的饰残留量 见表 表 狱启生 二 残 。 。 。 。 。 晶胞 、 柱状晶及等轴 晶共存试样的制备 本组试样 为 吞 和 。 在开始阶段制备胞 状晶的工艺 与上述相 同 。 只是 试样不 加 ， 试 样加 。 另外 ， 以炉体行走速度 制 备 胞 晶 ， 。 分钟后关闭行走机构 ， 使定 向凝固琳塌在炉 内以 的降温 速度至 。 “ 左右 约 为高锰钢的固相 线温度 ， 立 即淬火 ， 以抑制凝固后的 溶质元素固 相反扩 散的进 行 。 试样定 向凝固后其淬火液相 内的残 留 量 为。 。 试样淬 火后纵 向打磨 、 抛 光 、 腐蚀 后进行金相与 电子探针检查 。 制 得 的 称 和 试样 ， 其显微组 织从激 冷端到末端 区 分别为平面晶 、 胞 状晶 、 柱状树枝晶 与等 轴晶 。 祥一 。 试样制 备工 艺 、 结晶形貌 ， 残 留量等情况 列于表 。 经测定 ， 定 向凝固过 程 中 从 原料中的 降 为 ， 无变化 。 衰 炉 温 试 样 号 炉体行走 速 度 翩备工 艺 结 晶形 貌 。 残 留 主 要 目 的 比 较 对班 晶 形 貌 及 偏 析 的 形 响 。 观 察不 同 对粗 晶前 沿形 貌 的形响 液 淬 胞 晶 无 。 勺︸幼舀才 无 八甘 … ‘﹄ 液 淬碎 胞 晶 。 。 一 。 一 。 比 较 不 同 对 胞 晶 偏析 的形 晌 二 无 晶 少、 、夕、了、、 炉 冷后 液 淬 同 上 炉 冷后 液 淬 胞 柱 等 轴 胞 柱 等轴 三 、 实 验 结 果 凝固速度 对胞晶形貌及括 、 硅偏析影响的观察 称 和 称 试样制备工艺的差 别仅 在于后者 值大于前者 见表 ， 它 们的金相照 片及距淬火 固液界面 卜 处胞 晶间锰 、 硅 分布电子探针的线扫描见 图 。 可 以看 出 ， 当凝固速度增加时 ， 胞晶间 距变小 ， 、 偏 析增大 。 说明溶质元素的偏析对工 艺参 数是 敏 感 的 。 柿 对胞 晶形貌及溶质偏析影响 的考察 戈 书 一 份 试样制 备工艺 相同 ， 只是含饰 量 不同 ， 它们的金 相照 片见图 。 可以 看

1试样被萍閩一被界面， b。 2·试样液淬固一被界 及胞晶组织米50 面及胞品组织×50 1 人心人 uonnurilniwiweni 1·试样胞最间锰、 D,2试样胞品间M如， 硅分布的线扫捕 S1分布的线扫指 图61“、2试样胞品组织及胞品间Mn、Si分布情况 3“试样液淬圈一液界面 。,4试样液淬固一液 及胞备组帆×50 界面及胞品组织×50 图7 68

， 试 样浪锌固一掖矛面 汪 及启 晶 组拱 娜 ， 试样液淬 固一故界 面 及胞 晶组 积 肠 卜垅刁日‘，、 护恼劫 龟必彻纵户 甸椒翻 味 、 甸 。 。 呱 护 试 样饱晶间 钱 、 硅 分布效线扫描 图 、 试 样胞 晶 间 抽 盛分 布的 线 扫描 试 样跑晶组 织 及 胞神间 ” 、 分布情 况 黔黝磷髓 颧黔 藻耀 鬓霎彝鬓 沁怕吕臼 互瓦跃长乡郊歹万谕 钓 汗介那口，阴扮臼 呀 今夺二田残 毖圣 黝巍戴裳戛熬瓣镰 黝 试 样液淬固一液界面 及班品组 织 减 日 年 谕样液碎固一液 界 面及胞 晶组期 的 卞 百