稀土优化低碳当量铸钢成分设计及正火温度对其性能的影响

明科宇，李 海，付胜敏，任向前

（中煤张家口煤矿机械有限责任公司，河北张家口 075000）

随着我国汽车、机械装备、军事工业的发展，对铸钢的材质要求不断提高。很多铸钢件不仅要求其强度高，而且要求低碳当量以获得良好的焊接性能。针对此类铸钢件，目前大部分铸造厂家都采用对铸件进行调质热处理的方式，用低碳当量材质获得高强度。但随着铸造技术向“高、精、尖”方向发展，很多铸件对变形量的控制要求愈来愈严。许多结构长、轻、薄的铸件，调质淬火能满足铸件力学性能要求，但不易于铸件变形量控制。

利用稀土对材料的净化和对组织的细化作用[1]，取代部分合金元素，提高材质强度，是获得低碳当量高强度正火处理铸钢件的有效手段。稀土在钢中的作用有细化晶粒、变质夹杂物、净化钢液和微合金化四种[2-7]，可以显著提高铸钢性能。

本研究通过优化调整ZG25Mn2 成分，适当降低C、Mn 元素含量，并在其基础上加入稀土硅铁合金，设计一种正火处理的铸钢材质，并研究其成分和正火热处理工艺对其组织与性能的影响。

1 研制目标及试验方法

1.1 研制目标

研制的低碳当量高强度稀土铸钢，碳当量Ceq≤0.61%，热处理方式为正火处理，成分和力学性能符合美国标准ASTMA148 90-60 高强度铸钢结构件标准规范。

1.2 试验方法

为了满足上述要求，以ZG25Mn2 为基础，进行成分优化设计。碳当量计算采用国际焊接学会公式：

ZG25Mn2 主要元素碳当量0.48%≤Ceq≤0.61%，正火后力学性能屈服强度345～440MPa，抗拉强度590～685 MPa，塑韧性良好。

为了净化晶界，细化晶粒，改善钢液流动性以及铸态组织和焊接性，成分设计中加入0.3%～0.4%稀土硅铁合金Fe-Si-Re（含有Ce-Ti-Si-B 等活性元素），这些元素在钢中的主要作用是分割与细化碳化物，最终达到改善钢的纤维组织，改变钢种夹杂物形态，提高铸钢综合力学性能的目的[8]。

为了保证新材质力学性能和碳当量Ceq≤0.61%，适当压缩C 元素的范围至0.25%～0.30%，考虑废钢中Cr、Ni、Mo 等残留元素碳当量0.04%～0.06%，降低Mn 元素含量至1.4%～1.6%，以满足其碳当量要求。S、P 含量按照公司现有技术水平，控制在0.030%以下。稀土按生产厂家提供的经验，加入量为钢液重量的0.3%～0.4%，采用钢包冲入法加入。

采用250kg 中性中频试验炉冶炼试验钢，浇注标准铸造基尔试棒，利用250kg 中频炉试验进行冶炼，其化学成分及碳当量见表1。其中Q1 材质稀土加入量为钢液重量的0.3%，Q2 材质稀土加入量为0.4%，Ceq为材质包含残留元素的碳当量。

表1 试样化学成分及碳当量 %

热处理采用880℃、900℃、920℃三种正火热处理温度，保温4 小时，室温下试样的力学性能见表2。使用SHT4106 型1000kN 万能试验机测试其强度和伸长率，采用MEF4 型金相显微镜（OM）和CamScan 扫描电子显微镜（SEM）进行金相检测。

2 试验结果与分析

2.1 稀土加入对性能的影响

表2 室温下试样的力学性能

比较表2 中Q1 和Q2 的力学性能，在C、Mn、Si 等元素相近的情况下，加入硅铁稀土材质的屈服强度能提高30MPa 以上(未加稀土材质屈服强度384MPa)，而且对材质塑性也有所改善。对比材质Q1 和Q2，当稀土加入量从0.3%提升至0.4%，材质屈服强度提高了少许，但断后伸长率和断面收缩率有显著提高。

分析原因，稀土是钢的表面活性元素以及强碳化物形成元素，并能与钢液中氮、氢、氧、硫、磷等元素有极强的亲和力和吸附力，加入钢液中后能显著降低钢液表面张力，增加结晶核心，减少形成柱状晶的引领相，细化晶粒。稀土可在长大的晶粒和固-液相界面上富集，有效阻碍晶粒长大，使夹杂物变质成球状，减少对液体的流动阻力，消除针状或网状铁素体，使铁素体分布均匀，并同时扩大铁素体相区，减少共析膨胀量，提升材质的屈服强度和塑性。同时，Fe-Si-Re 中含有的强碳化物形成元素Ti，经微合金化后也能提高材质的强度。

2.2 热处理工艺对性能的影响

从表2 可以看出，随着正火温度从880℃提升至920℃，Q1、Q2 材质的屈服和抗拉强度先提高然后降低，在900℃时，材质的综合力学性能最理想。这是因为随着正火温度的提高，材质中Mn 在奥氏体中固溶度提高，提高材质的强度和硬度[9,10]，但随着温度进一步提高，过量的元素固溶会造成奥氏体稳定性增加[11]，正火组织中残留奥氏体增加，降低材质强度、硬度。

2.3 稀土对金相组织的影响

图1 为ZG25Mn2 以及Q2 材质相同热处理工艺下的金相对比照片。由图可知，未加稀土时金相组织为珠光体加块状铁素体，晶粒度为6.0 级。加入稀土后金相组织为珠光体加块状及极少量针状铁素体，晶粒度为7.5 级。根据SEM扫描电镜给出的夹杂物级别，加入稀土后氧化物为1～1.5 级，硫化物为0.5 级，夹杂物改善明显。

对比金相组织，加入稀土后组织改善不明显，但晶粒度改善十分明显。这是因为稀土作为表面活性元素，加入钢液中增加了晶核核心。同时稀土易富集在晶界前沿，阻止铸态晶粒长大的同时抑制了正火过程中奥氏体晶粒的长大，进一步细化晶粒。

对于夹杂物的改善，主要是稀土元素与氧、硫的亲和力较强,能形成高熔点的氧、硫复合夹杂物。高熔点的复合夹杂物，会呈球状不断从钢液中上浮排除，使钢中夹杂物大大减少。同时稀土与氧的强亲和力，使钢液中氧含量降至极低，不仅极大地减少了钢液中硅酸盐等氧化夹杂物的形成，而且可以使夹杂物变得更加均匀、细小，因此稀土对铸钢中的夹杂物起到了很好的变质作用[12]，进一步净化钢液。

图1 ZG25Mn2 金相与Q2 正火后金相对比

3 生产验证

为了验证材质的铸造性能，实践生产中利用3t 碱性电弧炉冶炼钢液5t，浇注产品为汽车弹簧支架，采用树脂砂铸造工艺，每箱8 件，单件重量22kg，最大壁厚30mm，最小壁厚15mm。在出钢温度1635～1645℃，浇注温度1595℃±5℃时，用8t塞杆式底注钢包连续浇注10 箱，未出现浇不足、冷隔等铸造缺陷，实践应用中新材质的铸造性能良好。

为了验证材质的可焊性，计算出钢的可焊性与焊接裂纹敏感指数Pcm 值在0.345%～0.43%，理论上可以用奥氏体不锈钢进行冷焊[13]。在生产实践中，采用低合金高强度焊条焊接，预热温度T0≥180℃，焊接性能良好。

4 结论

（1）在优化ZG25Mn2 成分的基础上加入稀土，可提升铸钢屈服强度30MPa 以上。

（2）铸钢中加入稀土，可有效强化晶界，细化晶粒，与未加稀土的铸钢相比，正火热处理后晶粒度可从6 级最高提升至7.5 级。

（3）铸钢中加入稀土，可有效降低硫化物、硅酸盐等非金属夹杂物，提高钢水纯净度。