稀土耐热铸钢的试验研究 商丘职业技术学院 （河南４７６０００） 陈爱荣王守忠 【摘要】 为了进一步扩大稀土的应用范围，力图为开发新型热强钢提供理论参考依据。采用 Ｃｒ２４ＮｉＴＮ钢及Ｃｒ２５Ｎｉ２０铸造钢材，加入０．Ｏ１％～０．１０％金属元素Ｌａ或ｃｅ后，在中频炉中进行熔炼；持久 与蠕变试验分别在Ｂｎ 及ＲＤ ３试验机上进行；铸造试样在试验温度下进行２４ｈ时效处理后，用ＥＬｃ一 ３１３３Ａ型离子探针进行断口表面稀土的深度分析。结果表明，在钢中加入适量的金属ｃｅ或Ｌａ，可显著地提 高各种耐热钢的蠕变强度，断裂时间延长２倍以上，研制的Ｆｅ—ｃｒ Ｍ．Ａｌ耐热合金钢种在１２５０℃时具有优良的 力学性能和高温抗氧化性能。 １．概述 普通铸钢材料具有较好的强韧性，但耐磨、耐热性 能较差。锅炉、汽轮机、动力机械、ｌ＿ｒ业炉、航空航天 ２．试验材料及方法 试验材料采用Ｃｒ２４Ｎｉ７Ｎ钢及Ｃｒ２５Ｎｉ２０铸造钢材， 在铸造钢材中加入０．０ｌ％～０．１０％金属元素ＪＪａ或ｃｅ 后，在中频炉中进行熔炼。每一种钢采用同一・炉钢液， 一及石油化工等工业部门使用的机械设备中的零部件大多 在高温条件下工作，除要求较高的氧化腐蚀性、足够的 韧性，以及一定的组织稳定性外，还要求具有较高的高 半不加稀土，另一半加稀土。持久与蠕变试验分别是 在Ｂ兀一２及ＲＤ一２３试验机上进行的。铸造试样在试验 温强度。若高合金材料整体铸造工艺技术性能差，易产 生缺陷，成品率低，且高合金材料成本太高。 稀土元素在中国资源非常丰富，占世界总储量的 ８０％，稀土加入钢中不仅口ｒ起到脱氧、脱硫，以及改变 温度下进行２４ｈ时效处理后，加工成函１２ｒａｍ×６６ｒａｍ的 试样。用ＥＬＣ－－３１３３Ａ型离子探针进行断口表面（即晶 面）稀上的深度分析。Ｆｅ—ｃｒ－Ｎｉ—Ａｌ耐热合金纲的研 制，用普通铸造方法，所用炉料为工业纯铁、微碳铬铁、 镍铁、铝线、工业纯硅和１号稀土硅铁合金。用中频感 应电炉熔炼合金，造渣材料用石灰和氟石，钢液出炉温 度１５５０～１５７０￣Ｅ，毛坯试棒采用对开石墨型烘干后进行 浇注。 夹杂物形态等净化和变质作用，在某些钢中还有微合金 化的作用。 大量的研究结果表明，稀土元素町明显改善耐热钢 和电热合金钢的抗氧化能力、高温强度、塑性、疲劳寿 命、耐腐蚀性及抗裂性等。为提高铸钢材料的耐热性， 扩大稀土的应用范围和数量，对耐热铸钢加入稀土元素 ｃｅ或Ｌａ热强性能的影响进千了了试验研究，并利用试验 ３．试验结果分析 （Ｉ）稀土对而寸热铸钢性能的影响 在不同应变率条 件下，添加稀士元素Ｌａ、ｃｅ的合金的抗拉强度比未加稀 结果，对Ｆｅ—Ｃ卜Ｎｉ—Ａ１耐热合金纲进行了研制。结果表 明，通过化学元素调配，利用铸造方法优化筛选出一种 土元素的合金的抗拉强度都有较大幅度提高。钢的持久 强度主要取决于钢的组织特点及纯净度，但抗氧化较好 的钢由于表面烧蚀少也有好的作用。为了排除氧化影响 的因素，我们对Ｃｒ２４Ｎｉ７Ｎ（ＲＥ）钢铸造材做了１０００ｑＣ 成分合金，将合金的耐热温度提高到ｌ２５０～１３００￣Ｃ，在 室温下获得了优良的铸造性、可焊性，在高温下获得了 良好的力学性能和高温抗氧化性能，并力图为开发新型 的真空持久试验，结果表明铸钢中加入稀土后，使同一 应力下的断裂时间延长２倍以上（如表１所示）。 热强钢提供理论参考依据。 ２０ Ｔ０年第Ｔ期热处 缎 铸造 ｗｗｗ ｍｅｔａ１ｗｏｒｋｉｎｇ＇９５０ ｃｏｍ 参磊 一工热加工 表１ 稀土对耐热铸钢的影响 钢号 Ｃｒ２４Ｎｊ７Ｎ 试验温度／℃ 试验应力／ＭＰａ 断裂时问／ｂ ｌ０００ ４．９８ ３０ 藜 董篱 ＣＪ２４Ｎｊ７ＮＣｅ Ｃｒ２４Ｎ－７ ＮＬａ ｌ０００ ｌ０００ ２１ １７ ６２ ６３ （２）稀土对蠕变性能的影响 冈１为Ｃｒ２４Ｎｉ７Ｎ （ＲＥ）钢铸态试样８７０℃高温蠕变的试验结果。钢中加 入金属ＩＪａ后，使其蠕变速度由１．１４×１０ ％／ｈ降到３．６ ×１０ ％／ｈ，并延长了断裂时间。这是因为稀土元素Ｌａ 和ｃｅ的原子半径远比Ｆｅ大，它们溶解在铁中将会产生 较大的点阵畸变能。根据溶质原子平衡偏聚理论，将会 使它们偏聚在晶界上，这从我们的试验结果中得到了证 实。国内外的研究也发现稀土元素偏聚在钢的晶界上， 趋于占据晶界中的空位和畸变区，这样有可能降低基体 原子的晶界扩散速率，使由扩散控制的晶界滑动受到阻 碍，晶界裂纹不易形成，晶界得到强化。稀土净化了晶 界，减少了晶界的杂质元素，改善了钢的热塑性，使晶 界裂纹尖端的应力集中容易因形变而松弛，裂纹难于扩 展，从而延长＿ｒ断裂寿命。 图１ Ｃｒ２４Ｎｉ７Ｎ钢加入ＲＥ后对蠕变性能的影响 ４．稀土改善热强性能的因素分析 众所周知，高温断裂、特别是高温持久断裂，一般 是沿晶界断裂（在铸态下也可是沿枝晶断裂），冈此对 耐热钢而言，影响热强性的关键是品界强度。我们对 Ｃｒ２４Ｎｉ７ＮＬａ钢１０００￣Ｃ的真字持久断口用ＥＬｃ一３１３３Ａ型 离子探针方法进行了断口表面（即晶界面）稀土的深度 分析，结果如图２所示。随着溅射时问的增长，远离断 口表面（晶界面）的稀土含量明显降低，说明稀土富集 于晶界。 ５．Ｆｅ－Ｃ卜ＮＩ＿Ａ Ｊ耐热合金纲的研制 用普通铸造方法，通过各元素合金配比来制取 — ｃｒ—Ｍ—Ａｌ耐热合金纲。试验合金成分如表２所示。 图２离子探针对Ｃｒ２４ＮｉＴＮＬａ钢１０００￣Ｃ真空持久 断口Ｌａ的深度分布的分析结果 表２试验合金成分含量（质量分数）（％） Ｃ Ｃｒ Ｎｉ Ａｌ Ｓｉ Ｒｅ Ｓ Ｐ ０．０６ ２４ １０ ３ １．５ ≤Ｏ．５ ≤０．０３ ≤０．０３ 通过电镜对合金进行金相分析，可以看到合金铸态 基体组织由两相（铁素体＋奥氏体）组成，在图３ａ、３ｂ 中可以观察到白色的铁素体与黑色的奥氏体，两相相问 分布，并可以观察到两相比例及显微组织特征，这些因 素决定了合金的高温力学性能和高温抗氧化性能。 ｆｂ） 图３研制合金的铸态显微组织 试验合金短时抗拉强度值与断面收缩率对应温度曲 线如图４所示，［墨【中每点值为三个试样的平均值。从图 中可以看出，该合金在１０５０～Ｉ３００￣Ｃ高温区间，短时抗 拉强度值随温度的升高而呈线性下降趋势。在１２５０￣Ｃ 时，合金短时抗拉强度值仍达到４０ＭＰａ。合金断面收缩 参磊 工热加工 熟处 锻 铸造２０１ＷＷＷ．ｍｅｔａ１ｗｏｒｋｉｎｇ ０年第１期 ７９５０．ｃｏｍ 率在ｌ１５０￣Ｃ时出现峰值，在１２５０￣Ｃ仍达到３０％左右。根 据钢的热塑性曲线，合金在１ １００～１２００（Ｃ为奥氏体化区 域，此时合金具有最佳的塑忡和韧性；当温度超过 ｌ２５０￣Ｃ时，品粒急剧长大，基体组织恶化，品界强度降 量 卣ｊ 由】］ 星 低，大部分合金在１３００￣Ｃ时呈现憷性断裂趋势；在低于 １ １００￣Ｃ时，合 处于低 性Ｉ＝）５＝ 磐 圈５ 试验合金氧化物动力学曲线 ６．结语 研究结果表明，在钢中加入适量的金属Ｃｅ或 ，能 明显地改善耐热铸钢的持久强度，降低其蠕变速率。稀土 富聚晶界，并减少＿『晶界上的杂质元素，这是改善钢的热 强性的主要原凶。对不同类型耐热钢的试验研究结果表 ｆ／℃ 明，稀土改善高合金耐热钢的热强性有一定的普遍性。通 图４试验合金高温力学性能随温度的变化规律 过合金化元素调配，采用普通铸造石墨型造型方法生产的 按ＧＢ／ ＦＩ３３Ｏ３一ｌ９９１对合金进行了１２５０℃高温抗氧 化试验，由试验数据可作图５。试验合金在高温下氧化 增蘑速率曲线扯开始２００ｈ斜率较大，在后３００ｈ随叫‘问 Ｆｅ—Ｃｒ—Ｎｉ—ＡＩ而１ｆ热合金具有优良的高温力学性能和抗氧化性 能。１２５０￣Ｃ时，合金短时抗拉强度达到４０ＭＰａ以上，断面 收缩率在３０％左右，氧化增重速率稳定在０．２ｇ／ｍ ・ｈ左 朽。ｎ『用于可控气氛热处理炉辐射管、矿石烧结机燃烧 器、炼镁反应罐和电站锅炉构件 ，是一种理想的高温耐 的增加斜率逐渐降低，曲线变得平滑，说明合金氧化膜 在高温Ｆ具有较高的稳定性，对合金内部基体组织起剑 良好的保护作用。由图中试验数据可ｉ１‘算出，试验合金 １２５０￣Ｃ氧化增重速率稳定在０．２ｇ／ｍ ・ｈ左右，具有优良 热材料，节约了贵重资源Ｎｉ。因此，Ｊｔ：发稀土在耐热钢 中的应用，对利用我国的富产稀士资源，促进耐热钢的发 的高温抗氧化性。 展都是十分有意义的。ＭＷ （２００９０８１５） （上接第６９页） 胶态粘结剂中带来的水蒸发得很快，会使薄的型壳很快 收缩在熔模上。另外，模组周围空气温度和湿度的波动 超过４￣Ｃ或±５％，熔模就会释放应力于薄的面层涂料 上，使型壳干燥和收缩不稳定。因此，为避免 壳裂 纹、铸件夹砂或凹陷等缺陷产牛，应 格控制十燥条件 模壳焙烧工艺除 对温度和时间有要求外，还要考 虑炉予中氧气的含量。氧气能与含碳的残留蜡反应生成 ＣＯ ，如果焙烧炉超载，氧气含量不足，残留蜡烧失不 完全，也会使型壳产生缺陷。在组装蜡模时，蜡模之间 的距离不能太小，否则会使型壳散热条件差，从而造成 铸件表面缩陷。 保持涂料成分和性能的稳定是使型壳性能稳定的关 键。涂料中保持ＳｉＯ 的恰当 量，可保证型壳的强度； 涂料中ＳｉＯ 含量高的掣壳强度比ＳｉＯ 含量低的要低；润 湿剂、消泡刘和水二三种附加物会降低型壳强度，要适当 使用。 模壳装入脱蜡设备 能过多，否则模壳表面积增 三、结语 型壳牛产与前道ｌｒ序压制蜡模及随后的脱蜡、浇 注、清整一样，要强调的是操作＿［艺的重要性，各个环 节之间的配合，必须执行各个工序的工艺卡及相关的技 术管理文件，并要在贯彻执行中不断完善有关文件，以 适应正常生产的需要。铸件在制壳工序产牛的缺陷，需 要在每个工序、每个环节、每个岗佗进行严格管理，精 心操作，前后配合，才能够降低精铸件成本，提高企业 的经济效益 、ＭＷ （２００９０８１５） 加，需要的热量增多，设备工艺参数就会达小到要求， 因此不能仅看总的型壳数目，还需要考虑模壳总的表面 积 ２０１ ０年第１期热处蹬锻压 铸造 ＷＷＷ ｍｅｔａ１ｗｏｒｋｉｎｇ ７９５０ ｃｏｍ 参磊 工热加工