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知识篇:用于细化铸钢晶粒的几种材料

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技术交流
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2021/05/26 13:56
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由于进行铸钢晶粒细化的研究工作难度很大,50多年来,对于可能作为晶粒细化剂的材料、进行过较多研究工作的主要只有3种,即Ti、Nb和稀土元素。

1Ti

50多年前,J.F. Wallace及其研究团队曾经就多种可能作为晶粒细化剂的材料、研究其在铸钢中的作用。所用的钢是低碳钢(美国牌号1018)和含C 0.30%~0.35%的Ni-Cr-Mo低合金高强度钢(美国牌号4330)。

试验中发现, Ti具有比较明显的晶粒细化作用,但钢的性能方面却存在着很多问题。

钢液中加入0.6%的Ti后

钢液中加入0.6%的Ti(钢中残留Ti 0.46%左右)后,4330钢铸态组织的晶粒明显细化,二次枝晶间距大幅度缩小(约缩减40%),当时,他们认为,这是因为TiC可以作为钢液中δ-铁素体、奥氏体结晶析出的异质晶核。

但是,加Ti 0.6%的钢经常规的调质处理后,晶粒细化了,可是,在力学性能方面却存在很多问题,如:钢的抗拉强度不但未能提高,反而略有下降;韧性大幅度下降尤其令人瞠目,断面收缩率从30.3%下降到3.6%。当时,他们认为:韧性大幅度下降是由于枝晶间形成了大量硫化钛薄膜,这种薄膜不仅遮蔽了晶粒细化的强化作用,而且导致钢的脆化。

为了解决硫化钛薄膜致脆的问题,他们采用了一种特殊的热处理工艺。低合金钢调质处理前,先在高温下进行均匀化处理(在1 350 ℃下保温24 h)。经均匀化处理的钢,韧性基本上可以恢复,强度也比不加Ti的钢略高一点。可是,这种工艺在实际生产中是不可行的。

硫化钛薄膜致脆的问题

针对硫化钛薄膜致脆的问题,他们曾用低硫钢(S 0.007%)、加入0.1%的Ti进行试验。虽然钢的断面收缩率明显提高,但抗拉强度、屈服强度并未能提高。

最近,Tuttle也就中碳钢,对Ti的晶粒细化作用进行了研究,加Ti量为0.1%和0.3%,以钛铁加入。Ti对钢的组织和性能的影响大致如下:

01未加入Ti的钢,铁素体呈针状;加Ti以后,铁素体呈粒状。由于粒形的差异,难以判断其晶粒大小的差别。

02随着Ti含量的增加,钢的屈服强度和抗拉强度都略有提高,但伸长率的数据分散。

03Tuttle用扫描电镜、透射电镜观察,用能量分散光谱仪分析,确认钢中含有TiC、TiN和Ti的碳、氮化物。但是,用Schiel凝固分析方法得到的结果表明,约在钢液凝固60%以后,才有Ti的碳、氮化物的析出。由此可见,虽然Ti的碳、氮化物与δ-铁素体晶格不适配程度并不大,但是不可能作为钢中的异质晶核,只能析出于晶界,起钉扎作用、抑制晶粒的长大。

2Nb

Nb在钢中与氧、氮、碳的亲和力很强,其作用与Ti类似,能与之结合形成稳定的化合物。Nb在钢中形成的化合物可以两类:

01氧化物,有NbO和NbO2两种。NbO的熔点较高,为1 935 ℃,而且与δ-铁素体晶格不适配的程度也较小,在钢中,有可能成为δ-铁素体析出的异质晶核。NbO2与δ-铁素体晶格不适配的程度大,不能成为异质晶核;

02碳化物NbC和氮化物NbN,而且二者易于互溶,成为Nb的碳、氮化物[Nb(C、N)]。

早期,钢中加入少量的Nb就有提高强度的作用,有人认为作用的机制是晶粒细化,因为,钢液中形成的NbO的熔点高,可以作为凝固、结晶的异质晶核;也有人认为,Nb提高强度的机制是沉淀硬化。其说不一。

最近,为了辨明Nb使钢强化的机制,Tuttle对Nb在钢中的作用又进行了试验、研究工作。

试验用钢是碳含量0.3%左右的中碳钢(美国牌号1030),在感应电炉中熔炼,终脱氧后、浇注过程中分别向液流中加入NbO、NbO2和铌铁合金,然后,考核其对钢的组织和性能的影响。

NbO和NbO2都用纯度99%、通过325目筛的细粉料,两者的加入量都分别为0.05%和0.10%。铌铁合金的用量按加入Nb 0.07%和0.14%计算。

钢液中加入Nb或其氧化物后,钢的强度都有所提高,但伸长率下降。

加入Nb或其氧化物后,显微组织中针状铁素体较少、而等轴晶较多,但晶粒度反而大于不加Nb或其氧化物的钢。这就说明,钢中加入Nb,不会形成异质晶核。

对钢中夹杂物的观察和分析,使我们对Nb在钢中的作用有了进一步的认知。

用扫描电镜观察、用能量散射光谱仪分析的结果表明:加入NbO或NbO2的钢,组织中都不存在单独的NbO或NbO2,它们都与存在于钢中Al2O3、FeO作用,形成复合化合物夹杂;加入铌铁合金的钢中,夹杂物的情况相同。

由此可见, NbO、NbO2的熔点虽然很高,如NbO的熔点为1 935 ℃,但在钢液中是不稳定的,因此,不可能作为钢液凝固、结晶的异质晶核。

考虑到有关NbO、NbO2在钢液中热力学稳定性的数据很少,为了对上述观点作进一步的确认,Tuttle又进行了相平衡试验。

用3只带盖的小坩埚,各装入纯铁粒40 g后,再分别装入NbO 2.5 g,NbO22.5 g,铌铁合金3 g。然后,以5 ℃/min的速率加热到1 590 ℃,保温2 h后冷却8 h。

研究、分析的结果表明,加有NbO、NbO2的试样中,夹杂物与取自铸件的试样相同,没有单独的NbO和NbO2。

加入铌铁合金的试样中,没有含Nb的夹杂物,这是因为Nb全部溶于铁中了。

由此,可以肯定:NbO在远低于其熔点的温度(1 590 ℃)下就是不稳定的,因而,不可能作为钢液凝固、结晶的异质晶核。

钢中加入少量的Nb,就有提高强度的作用,很可能其作用的机制是沉淀硬化,因为Nb很容易溶于钢中,凝固后冷却过程中可能在晶粒内析出微细的碳、氮化物,抑制晶粒的位错。

3、稀土元素

铸造行业所用稀土元素,主要是铈、镧等轻稀土,其活性很强,在钢液温度下,很容易与钢液中的氧、硫作用,形成高熔点的氧化物、硫化物。以最常用的铈为例:CeO2的熔点为2 347 ℃,Ce2O3的熔点为2 142 ℃,CeS的熔点为2 450 ℃。