高锰钢复合变质的作用及动力学效应

研究探讨 I Research& Discussion高锰钢复合变质的作用及动力学效应杨洁,王仲珏(安徽工程科技学院,安徽芜湖241000)摘要:采用Re-Ca-Ti-A对高锰钢进行复合变质。在炉内、炉外实行“二步法”处理并按变质合金异质形核的生核能大小设计分级处理的顺序,起到了控制碳化物的析出量和改善析出形态、净化钢液、净化晶界、细化晶粒等良好的变质效果。这些变化主要是复合变质所产生的动力学效应对其影响的结果关键词:高锰钢;复合变质;动力学效应中图分类号:TG145文献标识码:A文章编号:1002-2333(2006)05-0078-02近些年来,随着金属材料改性处理技术的日趋完善在对传统高锰钢的材料改性上亦取得了较大的进展,使高锰钢组织和性能获得了较大的改善和提高。人们愈来愈注意到这种变化与复合变质的作用关系较大,其原主要是所产生的动力学效应对其影响的结果。1复合变质的作用改性高锰钢的冶金任务主要是:减少碳化物析出量;控制碳化物析出形态;通过细化奥氏体、强化奥氏体、稳图1变质后碳化物分布形态图2变质后的球粒状夹杂物定奥氏体实现在实际工况、材料呈现较小变形情况下就细化能体现出良好的加工硬化的特性。因此,变质与孕育是1.3细化晶冶金处理技术中十分重要的内容。从现象上看,添加Re的钢不仅使钢的过冷度小,而在改性高锰钢的冶金处理中,变质与孕育应该是两且凝固所需的时间短,也就是说在同一过冷度下加入稀个看似相仿,其实各有侧重的对材料施行改性处理的方土使晶核增多,使钢的组织和晶粒得以细化。经检测传法2。在过程中,它们共同发挥着相辅相成的作用统高锰钢晶粒度1级,改性后高锰钢晶粒度4级,结果对此类高锰钢采用ReCa-Ti-A复合变质剂,在炉内、比如图3)、(b)所示。炉外实行“二步法”处理,并按变质合金异质形核的生核能大小设计分级处理的顺序。1.1改善碳化物形态Re合金中含有大量的表面活性元素,它们吸附在新生碳化物表面,阻碍了熔体中的Fe、C、Cr等碳化物形成元素的原子向碳化物的晶体扩散,降低了碳化物在[001]择优长大方向的长大速度,使其难以连结成网状。图1为变质后,碳化物分布的二维形态。1.2减少夹杂净化钢液loUm未经稀土变质的高锰钢夹杂含量高,多属Al2O3、FeO、MnO和 Fes Mns的复合夹杂,形态不规则,夹杂物(a)传统高锰钢晶粒度(b)变质后高锰钢晶粒度图3表面呈多角状、性脆,这类夹杂物熔点低,多分布在凝固的枝晶间和奥氏体晶界,使晶界弱化。通过变质处理,一1,4稳定合金元素方面变质元素与钢液中的非金属夹杂形成体容大、比重由于钒等合金元素对细化高锰钢晶粒、提高加工硬小的氧化物、硫化物及复合夹杂物上浮至渣中;一方面熔化能力作用显著,故采用钒渣一方面用作微合金化处理点高、残存在钢中含有TiA1、Ca和Ce的硫·氧稀土类方组成以钒渣为主的复合孕育剂对钢液实施硅酸盐复合夹杂物(MgO+SiO2 Al2O, CeS·Ce2O3)呈粒状、进中国煤化工C、Al、si、Fe、Mn等元散乱分布在基体中(如图2所示),部分此类夹杂还可作素发CNMHG,但在熔炼温度下,V为初晶奥氏体的晶核基底使奥氏体晶核数增加,晶粒很容易被重新氡化成VO3进人渣中,因此稀土强烈脱氧基金项目:安徽省教育片自然科学研究责助项目(200048)作用有利于稳定(VO,的还原效果,亦有利于提高和稳8万痂蔽耀师2006年第5期Research& Discussion I研究探讨定其它合金元素的吸收率。(4)良好的变质不仅利于增强孕育处理的效果,而且1.5分级变质强化效果必然加快奥氏体脱溶的碳原子和钢液中浓度起伏形成的(1)从现象上看,添加Re的钢不仅使钢的过冷度小碳原子集团以孕育质点的基底进行异质形核的扩散过而且凝固所需的时间短,也就是说在同一过冷度下,加入程,因为,实际情况下,良好的孕育组织状态总是瞬间完稀土使晶核增多,使钢的组织和晶粒得以细化。究其原成的。因,主要是由于Re的熔点低,原子半径较大,是强成分过(5)粘度对流动的影响直接影响到铸件的质量。由粘冷元素,同时也是非碳化物形成元素,在凝固过程中由于度-流体流动的阻力可知:粘度大,不但会降低金属液的充溶质元素再分配而富集在奥氏体结品前沿的液体中,提型能力,会削弱冒口的补缩效果,而且由m=2RCm高了奥氏体的形核率使奥氏体基体细化。同时,Re具有较强的脱硫去氧净化钢液的能力而脱硫去氧后形成的(式中,R-气泡或夹杂p的半径;-液体合金比重;r夹复合夹杂部分还可作为初晶奥氏体的晶核基底使奥氏体杂v或气泡比重。)可看出:当粘度n较大时,夹杂和气泡晶核数增加,晶粒细化。排出速度减小,这就可能在铸件上表面凝固结壳前来不(2)Re合金中含有大量的表面活性元素,它们吸附及排出而留在铸件内部。加入表面活性物质-稀土复合变在新生碳化物表面,阻碍了熔体中的Fe、C、Cr等碳化物质剂能有效地降低钢液的粘度且变质元素能与钢液中形成元素的原子向碳化物晶体扩散,降低了碳化物在非金属夹杂形成体容大、比重小熔点高的夹杂物而利于[010]择优长大方向的长大速度,使其难以连结成网状(3)变质处理后,钢液中o、s、N元素含量急剧下降,3性能对比从而有效地避免了由于主孕育元素钒、钛的氧化、硫化高锰钢经过上述冶金处理后,组织和各方面的状态、氮化而形成的化合物吸附在钒钛碳化物上,阻止形成异性能均发生了较大的变化。力学性能和使用性能如下表质晶核的局面,为孕育处理后出现的异质形核创造了良所示,处理后提高幅度较大好的条件。改性处理高锰钢对力学性能、耐磨性的影响表2动力学效应牌号aMPa8%)aJ·m2HB相对耐磨系数B高锰钢复合变质的动力学效应主要体现于它对钢液ZCMn13608131.12×10210冶金作用、结晶过程、原子扩散和吸附的方向及速度等的改性高锰钢91634187×10°224264综合功能上(1)由于Re的熔点低,原子半径较大,是强成分过冷4结语元素,同时也是非碳化物形成元素,在凝固过程中由于溶提高高锰钢复合变质的效果,以及变质处理对钢液质元素再分配而富集在奥氏体结晶前沿的液体中,提高冶金和凝固过程产生的主要动力学效应,取决于稀土复了奥氏体的形核率,使奥氏体基体细化。同时,Re具有较合变质剂在凝固过程和高温下能否充分和同时起到下列强的脱硫去氧、净化钢液的能力,而脱硫去氧后形成的复作用:合夹杂部分还可作为初晶奥氏体的晶核基底使奥氏体晶(1)起变质剂作用:细化奥氏体晶粒;控制奥氏体、碳核数增加,晶粒细化。化物结晶;减少非金属夹杂;改变夹杂形态。(2)分级复合变质,包括二个内容2)起脱氧剂、脱硫剂和去气剂作用净化钢液,净化①“二步法”处理。即将稀土和稀土复合变质剂分别晶界,增强抗“衰退”能力。于炉内、炉外进行处理,这样既能细化初晶奥氏体,也能(3)起还原剂作用:在凝固过程和高温下还原被氧控制钢液凝固过程的组织结晶化、硫化的合金元素,保证变质和其它处理过程冶金质量②将变质剂按组分元素在钢液中异质形核生核能的以及凝固组织及形态的稳定性。大小,分别溶入钢液,从而不仅有效地脱硫、脱氧、去气净[参考文献]化了钢液,而且显著增强了变质组织的抗“衰退”能力。[]茅洪祥,等微合金化技术在高锰钢中的应用[门热加工工艺(3)晶体中不同晶面的原子排列是不同的,从而显示997(6):26-28出各向异性(包括界面张力)。不同晶面对同一种元素的[2】王仲珏显著提高高锰钢零件使用寿命的稀土变质处理门机电工程技术,2001,302):36-37吸附也是不同的,这样就势必影响各个晶面的长大条件,[3]李隆盛铸钢及其熔炼[M]北京:机械工业出版社,1981从而影响最终的结晶形貌。向钢液中分别加入T、Ca、Al、[4]胡汉起金属凝固[M]北京:冶金工业出版社,95Re等元素,它们对钢液的表面张力、钢液和碳化物不同(编辑毕胜)晶面间的界面张力以及钢液和碳化物不同晶面间的接触角均会产生不同的影响,从而联合增强了对新生碳化物作者简中国煤化工的连网生长态势的动态抑制或形成更多的薄弱连接部CNMH导师,主要从事金属材位,利于水韧处理时充分溶解碳化物减少组织的显微空料工程和成型技术的研究洞、裂纹。收稿日期:2005-12-08机械工程师2006年第5期79