鑄造高錳鋁鋼研發(fā)工作的概況PPT李老

1、鑄造高錳、鋁鋼研發(fā)工作的概況鑄造高錳、鋁鋼研發(fā)工作的概況 中國鑄造協(xié)會中國鑄造協(xié)會 李傳李傳栻栻奧氏體高錳鋼是英國奧氏體高錳鋼是英國Robert Hadfield于于1882年開發(fā)的，年開發(fā)的， 130多年來，雖多年來，雖然不斷有所改進(jìn)，但是，現(xiàn)今世界各國標(biāo)準(zhǔn)中所列的高錳鋼，基本成分仍與然不斷有所改進(jìn)，但是，現(xiàn)今世界各國標(biāo)準(zhǔn)中所列的高錳鋼，基本成分仍與Hadfield當(dāng)年開發(fā)的鋼種基本相同，熱處理方法也沒有大的改變。當(dāng)年開發(fā)的鋼種基本相同，熱處理方法也沒有大的改變。鑄造高錳、鋁鋼，是為了適應(yīng)新的要求，以輕量化、低成本、高強(qiáng)度、鑄造高錳、鋁鋼，是為了適應(yīng)新的要求，以輕量化、低成本、高強(qiáng)度、高韌性

2、和耐蝕性為目標(biāo)，在高韌性和耐蝕性為目標(biāo)，在Hadfield高錳鋼的基礎(chǔ)上研發(fā)的第二代高錳鋼。高錳鋼的基礎(chǔ)上研發(fā)的第二代高錳鋼。高錳、鋁鋼中基本合金元素的含量是：高錳、鋁鋼中基本合金元素的含量是：Mn 30左右，左右，Al 9左右，左右，Si 1左右，左右，C 1左右，左右，Mo 0.5左右。為了更好地適應(yīng)不同的工況條件，鋁左右。為了更好地適應(yīng)不同的工況條件，鋁含量可作較大的調(diào)整。含量可作較大的調(diào)整。由于鋁含量的差異，高錳、鋁鋼的密度大約在由于鋁含量的差異，高錳、鋁鋼的密度大約在6.5 57.2 g/cm7.2 g/cm3 3之間，制成之間，制成的工件，重量比高強(qiáng)度低合金鋼件輕的工件，重量比高強(qiáng)

3、度低合金鋼件輕12121616，而結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相當(dāng)。此外，還，而結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相當(dāng)。此外，還具有韌性好、耐腐蝕、可加工硬化等特性。因而，這種鋼近年來日益受到廣具有韌性好、耐腐蝕、可加工硬化等特性。因而，這種鋼近年來日益受到廣泛的關(guān)注。美國、俄羅斯和日本都開展了這方面的研究、開發(fā)工作。泛的關(guān)注。美國、俄羅斯和日本都開展了這方面的研究、開發(fā)工作。在鑄造高錳、鋁鋼方面，美國鑄造師學(xué)會（在鑄造高錳、鋁鋼方面，美國鑄造師學(xué)會（AFSAFS）的年會上，從）的年會上，從20082008年起，年起，每年都有一篇或兩篇相關(guān)的論文發(fā)表。每年都有一篇或兩篇相關(guān)的論文發(fā)表。鑄造高錳、鋁鋼研發(fā)工作的概況 一、高錳-鋁鋼開發(fā)的大致

4、過程 二、高錳、鋁鋼的熱處理方式和性能要點(diǎn) 三、高錳、鋁鋼的中合金元素和有害元素 四、高錳、鋁鋼鑄件生產(chǎn)工藝中的難點(diǎn) 一、高錳-鋁鋼開發(fā)的大致過程早期的高錳、鋁鋼及基本上是軋制鋼或鍛造鋼，主要用于軍工和汽車行業(yè)。上世紀(jì)50年代，美國海軍部的J. L. Ham和R. E. Cairns就著手高錳、鋁鋼的研究工作，目標(biāo)是：在Hadfield高錳鋼的基礎(chǔ)上，加入9左右的鋁，改善鋼的耐蝕性，同時(shí)，進(jìn)一步提高鋼中的錳含量以穩(wěn)定奧氏體，用以代替價(jià)格昂貴的Ni-Cr奧氏體不銹鋼。70年代以前，研究工作的重點(diǎn)都在替代Ni-Cr奧氏體不銹鋼方面。隨后，基于這種鋼可以時(shí)效硬化的特性，又?jǐn)U展到用以替代高強(qiáng)度低合金鋼

5、。I. S. Kalashnikov等人對鍛造高錳、鋁鋼的試驗(yàn)研究表明：鍛壓高錳、鋁鋼，固溶處理后再經(jīng)550時(shí)效硬化，抗拉強(qiáng)度可在1275 MPa以上、同時(shí)伸長率約為40。日本的報(bào)道稱：高錳、鋁鋼，固溶處理后再經(jīng)冷軋，抗拉強(qiáng)度高于2100 MPa。上世紀(jì)80年代，就有人開始從事鑄造高錳、鋁鋼的研究。1990年，A. Prodhan和A. K. Charkrabarti就在美國鑄造師學(xué)會的年會上發(fā)表了相關(guān)的論文。從本世紀(jì)開始，美國在鑄造高錳、鋁鋼方面，進(jìn)行了大量的的研發(fā)工作，參與此項(xiàng)研究工作的單位很多，如：位于Missouri州Rolla的密蘇里科技大學(xué)；位于Michigan州Saginaw V

6、alley的州立大學(xué)；位于Texas州San Marcos的得克薩斯州立大學(xué)；位于Maryland州Aberdeen的試驗(yàn)場的軍事研究實(shí)驗(yàn)室。參與此項(xiàng)研究工作的人員很多，有：S. N. Lekakh，D. C. Van Aken，M. MacGrath，S. A. Buckholz，V. C. Grath，V. L. Richards，L. N. Bartlett，R. A. Howell，R. B. Tuttle，T.Weerasooriya，K. D .Peaslee以及A. M. Schulte等。美國軍工部門曾用用高錳、鋁鋼制造Bradley戰(zhàn)車的履帶板鑄件，替代原先使用的SAE862

7、0高強(qiáng)度低合金鋼鍛件，每輛戰(zhàn)車可減重363kg。此外，也曾用于制造裝甲件。但是，迄今為止，各工業(yè)國家都還未就鑄造高錳、鋁鋼制訂相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，可見，其化學(xué)成分、力學(xué)性能指標(biāo)及各種工藝參數(shù)仍有待進(jìn)一步優(yōu)化。二、高錳、鋁鋼的熱處理方式和性能要點(diǎn)高錳、鋁鋼的的鑄態(tài)組織以奧氏體為主，還有1020左右的-鐵素體。由于錳含量高，鑄態(tài)組織中，不會像常規(guī)Hadfield高錳鋼那樣，出現(xiàn)大量的碳化物，但是，這種鋼鑄態(tài)下的力學(xué)性能仍然不好，鑄件都應(yīng)按性能要求予以熱處理。適用的熱處理工藝有固溶處理和固溶時(shí)效處理。1、固溶處理和性能要點(diǎn)高錳、鋁鋼的固溶處理也有人稱之為均勻化處理，固溶溫度與常規(guī)Hadfield高錳鋼相同，

8、約在10001050之間。在固溶溫度下保持的時(shí)間，按鑄件的壁厚確定：最大厚度30以下者2h；厚于30者，壁厚每增加25，增加1h。保溫終了后水淬。經(jīng)固溶處理后，基本上為奧氏體組織，也可能殘留有1020的-鐵素體。殘留鐵素體的量取決于鋼的化學(xué)成分和固溶處理的溫度。在9001050之間，殘留鐵素體含量隨固溶溫度的提高而減少。固溶狀態(tài)的鑄造高錳、鋁鋼，硬度不高，約為220 BHN，但是，固溶碳量較高的奧氏體，在應(yīng)力作用下發(fā)生應(yīng)變時(shí)，有加工硬化作用，因而抗拉強(qiáng)度很高，可達(dá)800MPa，同時(shí)，伸長率可達(dá)75。鋼的沖擊韌性也很好：磷含量在常規(guī)范圍內(nèi)（0.05左右），V-形切口試樣的沖擊吸收功可達(dá)40J；如

9、做到磷含量0.01，則可高達(dá)220J。固溶狀態(tài)的高錳、鋁鋼，仍然具有傳統(tǒng)高錳鋼的特性，在高應(yīng)變率條件下，有加工硬化作用，鑄件也具有耐沖擊、耐鑿削性磨損的性能。但是，隨著鋼中鋁含量的增加，鋼在常溫下的加工硬化的能力減弱，在鋁含量高的條件下，耐鑿削性磨損的性能不及常規(guī)的高錳鋼。實(shí)際上，高錳、鋁鋼鑄件基本上不在固溶處理狀態(tài)下應(yīng)用。2、時(shí)效硬化和性能要點(diǎn)高錳-鋁鋼的鋁含量在6以上、碳含量在0.5以上，就可以在固溶狀態(tài)下再經(jīng)時(shí)效處理而硬化。時(shí)效硬化的工藝是，在500600的溫度下保持一定的時(shí)間，使奧氏體基體中均勻地析出尺寸約為2030nm的-碳化物(Fe,Mn）3AlC，從而提高鋼的硬度和強(qiáng)度。對于高錳

10、、鋁鋼，常用的時(shí)效溫度是530，或550。溫度太低，-碳化物析出緩慢；溫度太高，則-碳化物析出量多，而且還會沿晶界析出，使鋼的脆性增強(qiáng)。經(jīng)固溶處理的高錳、鋁鋼，時(shí)效硬化后的硬度峰值大致在320370HBN之間。達(dá)到峰值硬度的時(shí)間，因鋼的化學(xué)成分和時(shí)效溫度而有所不同，大致為1530h，應(yīng)該根據(jù)具體條件通過試驗(yàn)予以確定。在時(shí)效溫度下保持時(shí)間不可太長，否則除-碳化物析出量增多、并沿晶界析出外，因?yàn)殇撝绣i、鋁、硅的含量高，還可能沿晶界析出- Mn、金屬間化合物Mn12Si7Al5等脆性相，進(jìn)一步導(dǎo)致鋼的脆化。如果時(shí)效處理得當(dāng)，鑄造高錳-鋁鋼的力學(xué)性能不亞于沉淀硬化的不銹鋼，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1000MPa,

11、伸長率不低于18，V-形切口試樣的沖擊吸收功不低于20J。經(jīng)時(shí)效處理的高錳、鋁鋼，固溶于奧氏體中的碳量減少，鋼的加工硬化能力隨之降低。三、高錳、鋁鋼的中合金元素和有害元素1、錳高錳、鋁鋼，是在Hadfield高錳鋼的基礎(chǔ)上，增加9左右的鋁，其主要作用是在使鋼輕量化、并改善其耐蝕性，同時(shí)，還使鋼具有時(shí)效硬化的特性，力學(xué)性能可以達(dá)到甚至優(yōu)于調(diào)質(zhì)處理的高強(qiáng)度低合金鋼。Hadfield高錳鋼中，錳含量只不過13左右。與之相比，高錳-鋁鋼在“高錳”的基礎(chǔ)上，又進(jìn)一步大幅度提高了錳含量，達(dá)到了30，其原因就是增加了9左右的鋁。鋁是穩(wěn)定鐵素體的元素，抑制奧氏體的能力很強(qiáng)。在含錳13左右的高錳鋼中，加入7的鋁

12、，組織中就不會有奧氏體，全部是-鐵素體。在加鋁9左右的條件下，為了使鋼的組織全部為奧氏體，就必須相應(yīng)地將錳含量提高到這樣的程度。實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)對材質(zhì)性能的要求和已確定的鋁含量，適當(dāng)調(diào)整鋼中的錳含量，以優(yōu)化鋼的性能。2、碳碳是最平常不過的物質(zhì)，在高錳、鋁鋼中的含量也不多，但卻是主要合金元素之一，在穩(wěn)定奧氏體、使鋼具有加工硬化和時(shí)效硬化特性等方面都有重要的作用。碳是擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素，穩(wěn)定奧氏體的作用很強(qiáng)。不含碳的Fe-Mn二元合金，錳含量在30以上，才能得到單相奧氏體組織。加入1左右的碳，錳含量在10以上就可以得到單相奧氏體組織。因此，高錳、鋁鋼中，除錳含量保持在2530外，同時(shí)也使碳含量

13、保持在0.7以上。碳含量的上限，則以避免鋼的脆化為原則。對于固溶狀態(tài)使用的鑄件，提高固溶于奧氏體的碳量，可以使奧氏體中Mn-C偶對的量增加，增強(qiáng)鋼固溶強(qiáng)化的能力，從而改善耐磨性能。同時(shí)，由于碳在Mn-C偶對中的位錯(cuò)，還可以使鋼的韌性有所改善。但是，鋼中的碳含量也不可太高，如果超過1.5，鋼就會明顯脆化。對于經(jīng)時(shí)效硬化的鑄件，碳含量的增加，時(shí)效處理過程中達(dá)到峰值硬度所需的時(shí)間縮短，峰值硬度較高，鋼的抗拉強(qiáng)度也相應(yīng)地較高。但是，鋼的韌性則隨碳含量的增高而下降。碳含量超過1.2，鋼就會明顯脆化。3、鋁鋁是高錳、鋁鋼中的重要合金元素。最初，在高錳鋼中加入大量鋁的目的，在于使鋼輕量化，并改善鋼的耐蝕性能

14、。后來，逐漸認(rèn)識到：高錳鋼鋼中含6以上的鋁，可以使鋼具有時(shí)效硬化的特性。（1）對于在固溶狀態(tài)下使用的鑄件在常溫下，鋁有抑制碳在奧氏體中擴(kuò)散、降低加工硬化能力的作用，因而，固溶狀態(tài)下的高錳、鋁鋼，隨著鋁含量的提高，鋼的抗拉強(qiáng)度降低、伸長率相應(yīng)提高。固溶狀態(tài)的高錳、鋁鋼，耐磨性能隨鋁含量的增高而降低。如果鑄件用于鑿削性磨損的條件，要求其具有加工硬化性能，則鋼中鋁含量不宜超過3。但是，在較高的溫度下，鋁卻能促進(jìn)-碳化物析出，使鋼具有時(shí)效硬化的功能。正是由于鋁在鋼中的這種特性，在較高的溫度下，高錳、鋁鋼可以有較強(qiáng)的加工硬化能力。因而，對于作業(yè)時(shí)、工件受應(yīng)力部位局部溫度明顯升高的強(qiáng)鑿削性磨損條件，固溶狀

15、態(tài)的高錳、鋁鋼鑄件可能是適用的，不過目前還未見到相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。（2）對于固溶處理后再經(jīng)時(shí)效硬化的鑄件如果鋼中的鋁含量低于6，在500600下處理，不可能由時(shí)效硬化而提高鋼的強(qiáng)度。鋼中鋁含量在7.510之間，在500以上時(shí)效處理，即因組織中逐漸析出-碳化物而硬化。時(shí)效處理的溫度以500600之間為宜。溫度太高，組織中除析出-碳化物外，還可能析出金屬間相Mn12Si7Al5，導(dǎo)致鋼的脆化；硅含量高，還易于導(dǎo)致金屬間相Mn12Si7Al5析出。鑄件在時(shí)效溫度下保持的時(shí)間，一般為30h左右。保持時(shí)間太長，-碳化物析出量增多，而且還可能析出-Mn和Mn12Si7Al5。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)鋼的力學(xué)性能要

16、求和選定的化學(xué)成分，通過試驗(yàn)確定最佳的時(shí)效工藝（溫度和保持時(shí)間）。4、硅高錳、鋁鋼中，含0.81.4的硅，對鋼液的流動性、鋼的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能都是有益的。（1）改善鋼液的流動性高錳、鋁鋼的熔點(diǎn)原來就較低，液相線溫度大約在1400左右，加入1的硅，還可以使鋼的液相線、固相線溫度各降低30，甚至更多一點(diǎn)。因而鋼液的流動性優(yōu)于低合金高強(qiáng)度鋼。（2）對組織和力學(xué)性能的影響硅在鋼中的有益作用主要有三項(xiàng)： 其一是使二次枝晶間距減小，從而改善鋼的力學(xué)性能；其二是使組織中的-鐵素體減少；其三是固溶于奧氏體中的硅，促使奧氏體中的錳向-碳化物轉(zhuǎn)移，既可提高-碳化物的硬度，又可以抑制-Mn的析出。如果鋼中的硅含量

17、太高，就可能導(dǎo)致含硅的金屬間相Mn12Si7Al5析出，因而，高錳、鋁鋼中的硅含量不宜高于1.4。5、鉬鉬在鋼中可固溶于奧氏體、鐵素體，也可分布于碳化物中。高錳、鋁的組織以奧氏體為主，而且碳化物是在固溶后時(shí)效處理過程中析出的，其中加入0.5左右的鉬，可能主要是固溶于奧氏體中，起穩(wěn)定奧氏體和強(qiáng)化奧氏體的作用，進(jìn)入碳化物不會太多。關(guān)于鉬對高錳、鋁鋼力學(xué)性能的影響，目前還未見到具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。也沒有見到-碳化物是否存在鉬的報(bào)道。6、磷和硫磷和硫都是有害元素，但是，在高錳、鋁鋼中，磷帶來的問題遠(yuǎn)比硫多，而且，在采取措施緩和磷的負(fù)面作用的過程中，可以隨之解決硫的問題，所以，這里只談到有關(guān)磷的問題。高錳、

18、鋁鋼中的磷，在時(shí)效硬化的過程中，可以使-碳化物析出的活性能降低，從而促進(jìn)-碳化物形成，提高-碳化物的硬度，并縮短時(shí)效達(dá)到峰值硬度所需的時(shí)間。從這方面看來，對于主要以時(shí)效狀態(tài)使用的高錳、鋁鋼鑄件，含有一些磷是有益的。但是，磷的這種作用太強(qiáng)，而且在實(shí)際生產(chǎn)條件下很難控制，結(jié)果就走向了反面。 。美國Missouri大學(xué)和Aberdeen試驗(yàn)場軍事研究實(shí)驗(yàn)室的研究工作表明：在高錳、鋁鋼中，固溶于奧氏體中的磷很少（0.018），其余的磷都以磷化物共晶的形式析出于晶界。晶界上的磷化物共晶，本身就是使鋼脆化的重要因素，再加以偏析于晶界的磷，又有促進(jìn)-碳化物沿晶界析出的作用，結(jié)果就導(dǎo)致鋼的韌性大幅度降低。例如

19、：低磷高錳、鋁鋼（P含量0.001），經(jīng)時(shí)效硬化后，V-形切口試樣的沖擊吸收功為140J；保持其他成分相同，只將磷含量增至一般鋼中的磷含量（0.043），V-形切口試樣的沖擊吸收功驟降到25J。四、高錳、鋁鋼鑄件生產(chǎn)工藝中的難點(diǎn) 高錳、鋁鋼鑄件，有輕量化、低成本、高強(qiáng)度、耐腐蝕等方面的優(yōu)點(diǎn)，其研究、開發(fā)的過程也經(jīng)歷了二十多年，但是，時(shí)至今日，仍未見到實(shí)際生產(chǎn)、應(yīng)用的報(bào)道，也沒有哪個(gè)國家就這類鑄鋼件制訂標(biāo)準(zhǔn)。這說明：高錳、鋁鋼鑄件的生產(chǎn)工藝中仍有一些難點(diǎn)有待進(jìn)一步探索，其研究、開發(fā)的過程仍未完成。1、高鋁含量帶來的問題高錳、鋁高中的鋁含量高達(dá)9左右，鋁含量如此之高的鋼種是前所未有的，當(dāng)然會帶來很

20、多新的問題。（1）氧化膜夾層造成的鑄造缺陷高溫下，鋁的活性很強(qiáng)，極易與氧反應(yīng)，生成熔點(diǎn)2050的Al2O3。熔煉鋁合金時(shí)，熔融金屬液與大氣接觸的液面，在750下，經(jīng)幾毫秒的時(shí)間，表面就可形成Al2O3薄膜。鑄件澆注的過程中金屬液流的表面，飛濺的液滴表面，也都會形成這種Al2O3薄膜。液面上形成的氧化膜，熔點(diǎn)很高，其與大氣接觸的表面是干燥的，微觀地看來還是相對粗糙的。與金屬液接觸的表面，則是被金屬液潤濕的表面。無論是在熔煉過程中，或鑄件澆注的過程中，金屬液都會受到強(qiáng)烈的擾動。各種擾動都會拉動其表面上的氧化膜。使之?dāng)U展、折疊、斷開。氧化膜斷開處暴露出的金屬液新表面，又會被氧化而產(chǎn)生新的氧化膜，如圖

21、1所示 圖圖1 1 金屬液面氧化膜的擴(kuò)展、折疊、斷開金屬液面氧化膜的擴(kuò)展、折疊、斷開 和新氧化膜的產(chǎn)生和新氧化膜的產(chǎn)生氧化膜干燥的表面本來就是粗糙的，貼合成氧化膜夾層后，貼合面不可避免地會有氣隙，而且折疊時(shí)還可能裹入少量空氣。這樣的氧化膜夾層卷入金屬液、并注入鑄型型腔中后，會導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生多種缺陷，危害很大。高錳、鋁鋼熔煉過程中的溫度不低于1450，比鋁合金熔煉過程中的溫度大約要高700，其中的鋁含量又相當(dāng)高，鋼液表面很容易形成氧化膜。在熔煉、澆注的過程中，鋼液發(fā)生擾動，將氧化膜夾層卷入鋼液中是不可避免的。如果卷入的氧化膜夾層不大，氣隙中的氧很快就耗盡了，氮也會與鋁結(jié)合生成AlN，成為鋼中的夾雜

22、物，剩下的氧化膜如未能上浮到液面，也成為鋼中的夾雜物。如果卷入的氧化膜夾層比較大，其本身就是鑄件內(nèi)部的一條裂紋，起切割金屬基體的作用，當(dāng)然會導(dǎo)致鋼的力學(xué)性能惡化。如果鋼液凝固過程中，枝狀晶長大時(shí)將氧化膜夾層推動，使之處于晶界處，鑄件就更易于出現(xiàn)裂紋。如果鋼液中氫的含量略高，但還不至于使鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷。在鋼液中存在氧化膜夾層的情況下，夾層之間的氣隙對鋼液中溶解的氫而言是真空，周圍鋼液中的氫會向氣隙中擴(kuò)散，使氣隙漲大，成為鑄件中的氣孔缺陷。（2）鋼中AlN夾雜對鋼力學(xué)性能的影響高溫下，鋁極易與鋼中溶解的氮和大氣中的氮結(jié)合，生成AlN。AlN的熔點(diǎn)約為2150，析出于初生晶的晶界，使鋼的韌性降低，

23、嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致鑄件發(fā)生脆斷。2、熔煉設(shè)備的選用受到嚴(yán)格的制約高錳、鋁鋼中的鋁含量高，控制氧化膜和AlN的生成是至關(guān)重要的。電弧爐熔煉，電弧的溫度在4000以上，其周圍的空氣會離解為原子氧和原子氮，易溶于鋼液中，極大地增強(qiáng)其與鋼中鋁的作用，導(dǎo)致鋼液中氧化鋁和氮化鋁的含量大幅度增多，不能保證鋼的質(zhì)量。因此，高錳、鋁鋼不能用電弧爐熔煉。用感應(yīng)電爐熔煉，雖然免去了電弧的高溫作用，但是，為了盡量減少氧化鋁和氮化鋁的生成，熔煉過程中還必須采用氬氣保護(hù)。即使是在氬氣保護(hù)的條件下熔煉，熔煉過程中仍然要采用吹氬精煉工藝，盡可能地降低鋼液中氧化鋁、氮化鋁及其他非金屬夾雜物的含量，以確保鋼液的冶金質(zhì)量。吹氬的方式可采

24、用裝有多孔塞的導(dǎo)氣管，將氬氣導(dǎo)入熔池的底部，作業(yè)時(shí)不斷改變導(dǎo)氣管的位置，使細(xì)小的氣泡均勻上浮。圖2是導(dǎo)氣管的示意圖。圖圖2 2 吹氬精煉用導(dǎo)氣管吹氬精煉用導(dǎo)氣管3、加入稀土緩和磷的有害作用高錳、鋁鋼中的磷含量超過0.018，就會導(dǎo)致鋼的韌性顯著惡化，是影響這一鋼種推廣、應(yīng)用的重要障礙。高錳、鋁鋼中錳和鋁的含量都很高，不可能在熔煉過程中安排氧化、脫磷的作業(yè)。完全靠精選爐料來確保低磷含量，難度也不小。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，如何應(yīng)對鋼中磷的有害作用，是一個(gè)非常棘手的問題。美國Missouri大學(xué)，在研究、試驗(yàn)工作的基礎(chǔ)上，提出了一項(xiàng)比較可行的措施，其作用的機(jī)制是：在熔煉作業(yè)的后期，向鋼液中加入稀土元素

25、，使磷與鈰（或鑭）結(jié)合成比較穩(wěn)定的化合物，從而以緩和其負(fù)面作用。實(shí)施的工藝包括兩個(gè)步驟。（1）加稀土前的預(yù)處理考慮到：熔煉作業(yè)完成后的鋼液中仍然含有一些氧和硫，稀土元素與鋼液中氧和硫的親和力極強(qiáng)，加入稀土元素后，首先是與氧、硫反應(yīng)，生成氧化物和硫化物，與氧、硫的反應(yīng)終了后才能與磷反應(yīng)。因而，加稀土前，先加入少量的鈣，使其與鋼液中的氧和硫反應(yīng)，生成CaS和CaO。鈣的氧化物、硫化物，比稀土的氧化物、硫化物更為穩(wěn)定，此后加入稀土，CaS和CaO不會被稀土元素所還原。如果加入足夠的鈣，在其與氧和硫充分作用以后，也可以與磷作用，生成磷化物Ca3P2，但是，Ca3P2在鋼液中的穩(wěn)定性不夠，而鋼液中的碳含

26、量又較高，在鋼液的固相線溫度附近，碳可能與Ca3P2反應(yīng)，生成CaC2，使磷回歸鋼液。因此，不能期望由加鈣處理解決磷的問題，加鈣只是加稀土前的預(yù)處理。預(yù)處理可用喂線法加入鈣，鈣的加入量大約為鋼液的0.15。加鈣后，用圖2所示的導(dǎo)氣管吹氬攪拌，使鈣的分布均勻，而且上浮的氣泡可吸附鋼中的夾雜物上浮。處理后清除爐渣。（2）加入稀土混合金屬處理稀土混合金屬（mischmetal）中含鈰50左右，其余為鑭、銣以及其他稀土元素，為方便起見，以下簡稱為稀土，列舉稀土化合物的分子式時(shí)，則以鈰（Ce）為代表。鋼液加入稀土后，稀土可以與磷化合成多種比較穩(wěn)定的二元化合物，如CeP、CeP2、CeP5等。也可以與鐵和

27、磷化合成三元化合物，如CeFe2P2、Ce2Fe12P7、CeFe4P12等，從而制約磷在鋼中的活性，緩和磷的有害作用。但是，高錳、鋁鋼中加入稀土，也有不可忽視的負(fù)面影響。稀土的活性很強(qiáng)，除束縛磷外，也會與鋼液中其他成分結(jié)合，成為鋼中的夾雜物。例如，高錳、鋁鋼中的硅含量比較高，稀土可以與硅結(jié)合，在固溶溫度下于晶界析出穩(wěn)定的硅化物CeSi2，惡化鋼的韌性。可見，稀土處理也是一把雙刃劍：可以緩和磷的有害作用；如果處理不當(dāng)，也可以以另一種方式惡化鋼的性能。以下，引用Missouri大學(xué)的一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)，說明稀土處理的作用。高錳、鋁鋼在氬氣保護(hù)的感應(yīng)電爐中熔煉，基本成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，）如下： Mn Al

28、Si C Mo P S 29.7 8.85 1.03 0.91 0.54 0.033 0.005 不同爐次的鋼，在保持化學(xué)成分基本相同的條件下，處理時(shí)加入不同的稀土量，使鋼中的鈰含量分別為0.01和0.052，考察其對力學(xué)性能的影響。鈰含量不同的爐次，鋼的抗拉強(qiáng)度和伸長率見表1。 表1 鈰含量對拉伸性能的影響鈰含量固溶狀態(tài)530時(shí)效 17h抗拉強(qiáng)度，MPa伸長率，抗拉強(qiáng)度，MPa伸長率，0.0175657.279143.20.05265123.074315.5鈰含量固溶狀態(tài)的沖擊吸收功. J530時(shí)效處理22h后的沖擊吸收功，J夾雜物含量粒/mm2常溫400.0121492162710.052

29、902611477由表1的性能數(shù)據(jù)可見，鈰含量為0.01時(shí)，還不足以束縛鋼中所有的磷，仍有一些磷固溶于鋼中，時(shí)效處理時(shí)促進(jìn)-碳化物的析出，起強(qiáng)化作用，因而抗拉強(qiáng)度較高。將鈰含量增加到0.052，基本上不存在固溶的磷，沒有磷的強(qiáng)化作用，而且由于鋼中夾雜物含量增多，抗拉強(qiáng)度和伸長率都明顯下降。鈰含量不同的鋼，V-形切口試樣的沖擊吸收功和夾雜物含量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。 表2 鈰含量對沖擊吸收功和夾雜物含量的影響鈰含量 固溶狀態(tài)的沖擊吸收功. J530時(shí)效處理22h后的沖擊吸收功，J夾雜物含量粒/mm2常溫400.0121492162710.052 902611477 注：其他成分相近，磷含量為0.00

30、1的高錳、鋁鋼，固溶狀態(tài)的沖擊吸收功 為220J；530時(shí)效22h后，常溫下的吸收功為115J，40下為39J。由此可見，如稀土加入量太多，則由于鋼中非金屬夾雜物大幅度增加，鋼的沖擊韌度大幅度降低。采用稀土處理措施時(shí)，對加入量的控制應(yīng)該非常審慎，一定要考慮鋼的成分和熔煉作業(yè)的具體條件，通過試驗(yàn)選定。加入稀土后，也需吹氬氣攪拌、除渣。4、工藝方面應(yīng)該注意的問題高錳、鋁鋼中的鋁含量高，即使在氬氣保護(hù)的條件下熔煉，鋼中氧化鋁、氮化鋁之類的夾雜物仍然很多。加鈣處理、加稀土處理，也都會導(dǎo)致鋼中的夾雜物大幅度增加。因此，工藝方面必須針對這一特點(diǎn)采取有效的應(yīng)對措施，否則無法保證產(chǎn)品的冶金質(zhì)量。特別是，卷入鋼

31、液中的氧化膜危害更大。Missouri大學(xué)在研究過程中就發(fā)現(xiàn)，試制的板狀鑄件極易產(chǎn)生裂紋缺陷，有的鑄件在落砂后、熱處理前自行斷裂，斷口處可見暗色的氧化膜。工藝方面應(yīng)該注意的問題主要有一些幾點(diǎn)：（1）工藝設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能地使充型過程中液流在澆注系統(tǒng)中的流動平穩(wěn)，避免擾動。（2）澆注系統(tǒng)中設(shè)置濾片，吸附鋼中的夾雜物，并使鋼液以層流狀態(tài)充型。（3）不用簡單的傾轉(zhuǎn)式澆包澆注，即使?jié)沧⑿⌒丸T件，也應(yīng)采用茶壺式澆包，盡量避免液流中卷入夾雜物。參考文獻(xiàn)1 Howell，R.A., Lekakh，S.N., Van Aken,D.C., Richards,V.L.,“The Effect of Silicon Content on the Fluidity and microstructure of Fe-Mn-Al-C Alloys,” AFS Transactions(2008).2 Howell，R.A.,Weerasooriya,T., Van Aken,D.C.,“Tensile,High Rate Compression and Microstructural Evaluation of Lightweight Age Hardenable Cast F