稀土優化低碳當量鑄鋼成分設計及正火溫度對其性能的影響

明科宇，李 海，付勝敏，任向前

（中煤張家口煤礦機械有限責任公司，河北張家口 075000）

隨著我國汽車、機械裝備、軍事工業的發展，對鑄鋼的材質要求不斷提高。很多鑄鋼件不僅要求其強度高，而且要求低碳當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行調質熱處理的方式，用低碳當量材質獲得高強度。但隨著鑄造技術向“高、精、尖”方向發展，很多鑄件對變形量的控制要求愈來愈嚴。許多結構長、輕、薄的鑄件，調質淬火能滿足鑄件力學性能要求，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化作用[1]，取代部分合金元素，提高材質強度，是獲得低碳當量高強度正火處理鑄鋼件的有效手段。稀土在鋼中的作用有細化晶粒、變質夾雜物、凈化鋼液和微合金化四種[2-7]，可以顯著提高鑄鋼性能。

本研究通過優化調整ZG25Mn2 成分，適當降低C、Mn 元素含量，并在其基礎上加入稀土硅鐵合金，設計一種正火處理的鑄鋼材質，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 研制目標及試驗方法

1.1 研制目標

研制的低碳當量高強度稀土鑄鋼，碳當量Ceq≤0.61%，熱處理方式為正火處理，成分和力學性能符合美國標準ASTMA148 90-60 高強度鑄鋼結構件標準規范。

1.2 試驗方法

為了滿足上述要求，以ZG25Mn2 為基礎，進行成分優化設計。碳當量計算采用國際焊接學會公式：

ZG25Mn2 主要元素碳當量0.48%≤Ceq≤0.61%，正火后力學性能屈服強度345～440MPa，抗拉強度590～685 MPa，塑韌性良好。

為了凈化晶界，細化晶粒，改善鋼液流動性以及鑄態組織和焊接性，成分設計中加入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化碳化物，最終達到改善鋼的纖維組織，改變鋼種夾雜物形態，提高鑄鋼綜合力學性能的目的[8]。

為了保證新材質力學性能和碳當量Ceq≤0.61%，適當壓縮C 元素的范圍至0.25%～0.30%，考慮廢鋼中Cr、Ni、Mo 等殘留元素碳當量0.04%～0.06%，降低Mn 元素含量至1.4%～1.6%，以滿足其碳當量要求。S、P 含量按照公司現有技術水平，控制在0.030%以下。稀土按生產廠家提供的經驗，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 中性中頻試驗爐冶煉試驗鋼，澆注標準鑄造基爾試棒，利用250kg 中頻爐試驗進行冶煉，其化學成分及碳當量見表1。其中Q1 材質稀土加入量為鋼液重量的0.3%，Q2 材質稀土加入量為0.4%，Ceq為材質包含殘留元素的碳當量。

表1 試樣化學成分及碳當量 %

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

2 試驗結果與分析

2.1 稀土加入對性能的影響

表2 室溫下試樣的力學性能

比較表2 中Q1 和Q2 的力學性能，在C、Mn、Si 等元素相近的情況下，加入硅鐵稀土材質的屈服強度能提高30MPa 以上(未加稀土材質屈服強度384MPa)，而且對材質塑性也有所改善。對比材質Q1 和Q2，當稀土加入量從0.3%提升至0.4%，材質屈服強度提高了少許，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碳化物形成元素，并能與鋼液中氮、氫、氧、硫、磷等元素有極強的親和力和吸附力，加入鋼液中后能顯著降低鋼液表面張力，增加結晶核心，減少形成柱狀晶的引領相，細化晶粒。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，使夾雜物變質成球狀，減少對液體的流動阻力，消除針狀或網狀鐵素體，使鐵素體分布均勻，并同時擴大鐵素體相區，減少共析膨脹量，提升材質的屈服強度和塑性。同時，Fe-Si-Re 中含有的強碳化物形成元素Ti，經微合金化后也能提高材質的強度。

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 材質的屈服和抗拉強度先提高然后降低，在900℃時，材質的綜合力學性能最理想。這是因為隨著正火溫度的提高，材質中Mn 在奧氏體中固溶度提高，提高材質的強度和硬度[9,10]，但隨著溫度進一步提高，過量的元素固溶會造成奧氏體穩定性增加[11]，正火組織中殘留奧氏體增加，降低材質強度、硬度。

2.3 稀土對金相組織的影響

圖1 為ZG25Mn2 以及Q2 材質相同熱處理工藝下的金相對比照片。由圖可知，未加稀土時金相組織為珠光體加塊狀鐵素體，晶粒度為6.0 級。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。根據SEM掃描電鏡給出的夾雜物級別，加入稀土后氧化物為1～1.5 級，硫化物為0.5 級，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。這是因為稀土作為表面活性元素，加入鋼液中增加了晶核核心。同時稀土易富集在晶界前沿，阻止鑄態晶粒長大的同時抑制了正火過程中奧氏體晶粒的長大，進一步細化晶粒。

對于夾雜物的改善，主要是稀土元素與氧、硫的親和力較強,能形成高熔點的氧、硫復合夾雜物。高熔點的復合夾雜物，會呈球狀不斷從鋼液中上浮排除，使鋼中夾雜物大大減少。同時稀土與氧的強親和力，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、細小，因此稀土對鑄鋼中的夾雜物起到了很好的變質作用[12]，進一步凈化鋼液。

圖1 ZG25Mn2 金相與Q2 正火后金相對比

3 生產驗證

為了驗證材質的鑄造性能，實踐生產中利用3t 堿性電弧爐冶煉鋼液5t，澆注產品為汽車彈簧支架，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，用8t塞桿式底注鋼包連續澆注10 箱，未出現澆不足、冷隔等鑄造缺陷，實踐應用中新材質的鑄造性能良好。

為了驗證材質的可焊性，計算出鋼的可焊性與焊接裂紋敏感指數Pcm 值在0.345%～0.43%，理論上可以用奧氏體不銹鋼進行冷焊[13]。在生產實踐中，采用低合金高強度焊條焊接，預熱溫度T0≥180℃，焊接性能良好。

4 結論

（1）在優化ZG25Mn2 成分的基礎上加入稀土，可提升鑄鋼屈服強度30MPa 以上。

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

（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。