2017, Vol. 8引用本文 |
| 钇基稀土对51CrV4弹簧钢夹杂物影响 |  [PDF全文] |
2a. 江西理工大学, 冶金与化学工程学院, 江西赣州341000;
2b. 江西理工大学, 材料科学与工程学院，江西赣州341000;
3. 新余钢铁集团第二炼钢厂, 江西 新余 338000
2a. School of Metallurgy and Chemical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China;
2b. School of Material Science and Engineering, Jiangxi Unicersity of Science and Technology, Ganzhou 341000, China;
3. Xinyu Iron and steel Group, Xinyu 338000, China
弹簧钢是一种重要的机械设备基础零件制造材料, 主要用于汽车、铁路、车辆、轨道扣件、拖拉机、农用车等方面, 在生产过程中, 需要严格注意控制生产质量和性能。汽车行业是弹簧钢的最大用户, 随着汽车工业的发展, 汽车弹簧钢用量大且面广的是弹簧扁钢[1], 其中, 51CrV4弹簧钢是国内市场需求量较大的品种之一[2].
在弹簧钢的冶炼和轧制过程中, 不同冶炼工艺造成钢中夹杂物的数量、尺寸、类型、形貌等都有差距, 而夹杂物不可能完全去除, 因此对夹杂物进行改性是当前研究夹杂物的热门。众多学者研究表明, 向钢中添加某种稀土元素可以细化夹杂物, 改性夹杂物, 并因此在很大程度上消除因不变形夹杂物形变而使组织内部所产生的缺陷及内应力, 这对改善弹簧钢的疲劳、腐蚀、冲击等综合性能起着重要作用。近年来, 本课题组多次在工厂进行添加钇基重稀土处理多个钢种的工业试验, 结果表明对夹杂物变性处理后, 钢材的低温冲击性能得到了很大的提高和改善, 本文在51CrV4弹簧钢工业冶炼生产中以喂丝方式添加钇基重稀土进行工厂试验, 对51CrV4弹簧钢的夹杂物进行改性, 针对51CrV4弹簧钢显微夹杂物和大型夹杂物进行数量、尺寸、类型、形貌等方面的研究, 对于控制和改善夹杂物、优化冶炼工艺、提升产品性能有着非常重要的指导意义.
实验在现场冶炼、现场取样的基础上, 通过大样电解、金相、扫描电镜和能谱分析等手段, 研究钇基重稀土对51CrV4弹簧钢夹杂物的改性作用, 实验研究结果为优化实际生产工艺提供参考.
1 实验 1.1 实验材料实验是在江西省某特钢炼钢厂进行的工业试验, 试验所用51CrV4弹簧钢的化学成分如表 1所示。试验钢种生产冶炼工艺流程为:高炉铁水→铁水预脱硫→80t氧气顶底复吹转炉→钢包脱氧合金化→吹氩喂丝→喂稀土包芯线→80t LF精炼炉→方坯连铸→轧制。其中稀土加入量为0.02%, 包芯线化学成分如表 2所列.
| 表1 51CrV4弹簧钢的化学成分/(质量分数, %) Table 1 Chemical composition of 51CrV4 steels/(mass fraction, %) |
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| 表2 喂加稀土包芯线化学成分/(质量分数, %) Table 2 Chemical composition of rare cored wire/(mass fraction, %) |
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1.2 实验方法
试验生产五机五流连铸方坯, 规格为180 mm×180 mm, 对未加稀土与加稀土处理51CrV4弹簧钢分别取140 mm ×180 mm ×180 mm连铸方坯试样。钢液在出中间包进连铸机时, 内部并没有完全凝固, 连铸坯内部的夹杂物还有一定的上浮幅度, 为更大概率的找到夹杂物, 故在铸坯样上四分之一处再按要求细加工成φ 60 mm ×120 mm圆柱试样进行大样电解实验, 电解实验过程是将加工好的钢样电解7~10天, 保证电解2-3 kg钢样, 将阳极泥进行淘洗、超声波清洗、烘干、分离、称重、分级称重。另外, 分别取51CrV4弹簧钢与RE-51CrV4弹簧钢的铸坯和轧材试样, 为方便区分铸坯与轧材, 将铸坯加工成3 mm ×3 mm ×10 mm方柱试样, 将轧材样加工成φ 3 mm ×10 mm圆柱试样, 结合金相显微镜、扫描电镜和能谱分析, 研究钇基稀土对51CrV4弹簧钢夹杂物的影响.
2 结果与分析 2.1 钇基稀土对51CrV4弹簧钢夹杂物影响的热力学基础分析由于试验钢厂生产弹簧钢的工艺影响, 该钢种中夹杂物成分是一个多相、多组元的复合体系, 未加稀土前钢液夹杂物中含有的主要元素成分有Mg、Al、Si、Ca和O、S, 加入稀土后, 夹杂物体系中出现了Y和Ce稀土元素, 夹杂物类型主要有稀土氧化物和稀土氧硫化物两类。钢液中稀土元素夹杂的形成和转化反应式如下[3-4]:
2[Y]+3[O] = Y2O3(s) Δ Gθ=－1792600+658T
2[Y]+3[S] = Y2S3(s) Δ Gθ=－1171000+441T
[Y]+[S] = YS(s) Δ Gθ=－433800+151.2T
2[Y]+2[O]+[S] = Y2O3S(s) Δ Gθ=－1521000+536T
2[Y]+ Al2O3(S) = Y2O3(S)+ 2[Al]
6[Y]+ 2Al2O3(S)+ 3[S] = 3Y2O2S(S)+ 4[Al]
[Y]+ Al2O3(S) = YAlO3(S)+[Al]
根据有关研究学者对稀土在夹杂物改性方面的文献报道来看[5-7], 稀土Ce和La改善夹杂物的文献较多, 针对重稀土Y在弹簧钢中对夹杂物改性方面的文献尚可查询, 但是其相关热力学研究文献资料较少, 如上述公式中Y与Al2O3反应方程式的基础热力学数据尚无法查询, 本课题组也正在紧张地进行相应的热力学数据计算。针对现有文献资料与热力学基础数据可知, 稀土元素的原子半径大, 在1.641~2.042 之间[8], 约为Fe的1.5倍, 一般认为稀土在钢液中难以固溶, 但由于稀土元素与非金属元素之间存在强烈的极化作用, 导致稀土元素原子半径减小, 从而有利于稀土元素在钢液中固溶[9]。此外, 稀土元素化学性质活泼, 极易同钢液中的O、S等作用生成稳定的稀土化合物从钢液中上浮去除从而净化钢液[9-10], 其中以轻稀土元素La和Ce的化学活泼性最为显著[10]。因此, 国内外学者对稀土元素La和Ce改性钢中夹杂物、提高钢材冲击性能的研究较多[11-14]。而重稀土元素Y的原子半径较轻稀土元素La和Ce的原子半径小, Y的原子半径为1.801 , La和Ce的原子半径分别为1.877 和1.825 [8], 因此稀土元素Y在钢液中固溶强化作用更大[8]。另外, 稀土元素Y在钢液中形成的化合物以YOxSy为主, 其密度约为4.25[11], 而La和Ce形成的化合物以La(Ce)OxSy为主, 其密度达到6.0[15]。根据Stocks公式, YOxSy复合夹杂物在钢液中的上浮速度将比La(Ce)OxSy复合夹杂物增加一倍, 因此, 经重稀土Y处理更加易于净化钢液、改性夹杂物.
2.2 钇基稀土对51CrV4弹簧钢夹杂物类型成分的影响对未用稀土包芯线处理与加稀土包芯线处理的51CrV4弹簧钢取铸坯样, 按要求对试样加工进行扫描电镜和能谱分析, 取样位置为方坯上1/4处, 对加工试样选取典型夹杂物进行成分对比分析.
由对大样电解出来的大型夹杂物能谱分析可知, 未加稀土的大型夹杂物成分有Al2O3、SiO2、CaO-SiO2-MgO、Al2O3-SiO2-MgO、Al2O3-SiO2-MgO-CaO复合夹杂物; 加稀土的大型夹杂物成分有CaO-SiO2-MgO、Al2O3-SiO2-CaO、SiO2-CaO、Al2O3-SiO2-CaO-K2O复合夹杂物。在铸坯样大样电解出来的大型夹杂物中并未发现有稀土元素Y或Ce, 这说明在钢液精炼过程中添加的稀土元素没有对大型夹杂物进行改性, 因为弹簧钢中大型夹杂物的来源绝大多数来自炉渣卷渣、钢包耐火材料的损失、中间包炉衬的脱落等外来夹杂物, 一般情况下, 大型夹杂物会在钢包、中间包、结晶器内随着吹氩搅拌而上浮去除, 仍然残留在钢液中的大型夹杂物并不能与添加的稀土发生反应而对夹杂物进行改性.
在对试样进行扫描电镜观察显微夹杂中, 我们发现在未加稀土试验钢中, 如图 1（a）所示, 铸坯中显微夹杂的成分主要是Al2O3、SiO2、CaO、CaS等复合夹杂, 大小在20 μm左右, 如图 1（b）所示, 在轧材中观察发现的显微夹杂物成分主要是Al2 O3、SiO2、CaO、CaS、K2O等复合夹杂物, 大小在8 μm左右; 相对比在加重稀土处理51CrV4弹簧钢后, 铸坯和轧材中显微夹杂物成分明显不同, 如图 2所示, 其成分主要是稀土氧化物和稀土氧硫化物, 并且在RE-51CrV4弹簧钢显微夹杂物中没有含有Al2O3、SiO2的复合夹杂, 大小在2~4 μm左右。这说明在LF精炼过程中加入的钇基重稀土会与钢液中Al2O3、SiO2等夹杂物发生反应[17-19], 并且对夹杂物细化, 改善了钢液中常见的典型夹杂物, 使钢液中Al2O3、SiO2等显微夹杂物转变为以Y2O3、Y2O2S、Ce2O3、Ce2O2S为主的夹杂, 降低夹杂物对钢材性能的危害, 提升钢材各项性能.
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| 图 1 51CrV4弹簧钢轧材显微夹杂物扫描电镜像 Fig. 1 SEM photos of typical mainly inclusions in 51CrV4 spring steel |
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| 图 2 RE-51CrV4弹簧钢显微夹杂物扫描电镜像 Fig. 2 SEM photos of typical mainly inclusions in RE-51CrV4 spring steel |
2.3 钇基稀土对51CrV4弹簧钢夹杂物大小形貌的影响
目前观察夹杂物的大小及形貌的方法有大样电解法、酸溶法、全断面扫描法等。酸溶法能很好的呈现夹杂物的形貌, 但是因其操作复杂、工作量大等因素不受广大学者采用, 全断面扫描法采用的是进口先进设备, 操作难且费用昂贵.
本文采用大样电解法进行夹杂物的大小形貌观察, 51CrV4-1#样电解出夹杂物总量2.10 kg, 即0.905 mg/ kg; 51CrV4-2#样电解出夹杂物总量1.70 kg, 即0.731 mg/ kg; RE-51CrV4-1#样电解出夹杂物总量2.10 kg, 即0.779 mg/ kg; RE-51CrV4-2#样电解出夹杂物总量1.30 kg, 即0.492 mg/kg。电解后得到的大型氧化物夹杂重量及分级情况如图 3所示, 未加稀土51CrV4弹簧钢中电解得到140 μm以上的大尺寸夹杂居多, 小于80 μm的大型夹杂物很少, 在未加稀土的试验钢中, 只电解出0.1 mg的小于80 μm的大型夹杂物, 80~140 μm的大型夹杂物占0.45 mg, 140~300 μm的大型夹杂物占1.0 mg, 大于300 μm的大型夹杂物占0.4 mg; 而对比加稀土处理后RE-51CrV4弹簧钢中电解得到的夹杂物尺寸基本上是100 μm以下, 大于140 μm的夹杂物很少, 其中小于80 μm的大型夹杂物占0.55 mg, 80~140 μm的大型夹杂物占0.85 mg, 140~300 μm的大型夹杂物占0.25 mg, 大于300 μm的大型夹杂物仅占0.1 mg。这说明加入钇基重稀土明显细化51CrV4弹簧钢夹杂物明显细化.
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| 图 3 电解后得到的各级大型氧化物夹杂重量及分级情况 Fig. 3 Weight and classification of various levels oxide inclusions after electrolysis obtained |
大样电解出来的夹杂物颗粒形貌如图 4所示。从图 4可以看出, 加入钇基重稀土后, 对夹杂物的细化作用非常明显, 电解出来140 μm以下的夹杂物明显增多, 形貌更为规整, 并且大部分夹杂物都呈米粒状或球状, 相对未加稀土小于140 μm的夹杂物更晶莹, 不在具有黑色夹杂物; 对于大于140 μm的夹杂物, 由于加入钇基重稀土后, 更大的大型夹杂物本身就少, 根据已有的夹杂物相对比判断, RE-51CrV4弹簧钢中大于140 μm的夹杂物菱形夹杂更少, 更多的是球状夹杂物, 据有关文献[20], 菱形夹杂物因其菱角, 加大了夹杂物对钢材性能的危害, 尤其是会严重造成钢材表面裂纹等缺陷, 不利于钢种寿命和产品研发.
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| 图 4 51CrV4和RE-51CrV4弹簧钢铸坯试样中大型夹杂物放大20倍形貌照片 Fig. 4 Enlargement of large inclusions in 51CrV4 and RE-51CrV4 spring steel specimens by 20 times |
3 结论
（1）在51CrV4弹簧钢中添加钇基稀土后, 显微夹杂物成分主要是稀土氧化物和稀土氧硫化物, 并且在RE-51CrV4弹簧钢显微夹杂物中没有含有Al2O3、SiO2的复合夹杂, 大小在2~4 μm左右; 在大型夹杂物的检测中, 没有发现稀土元素, 有关钇基稀土对夹杂物的作用机理, 还有待后续研究.
（2）添加钇基稀土后, 在大样电解出来的夹杂物中, 夹杂物细化效果明显, 基本上夹杂物都是在140 μm以下, 大于140 μm的夹杂物很少, 并且形状都类似球状, 改善了51CrV4弹簧钢中夹杂物.
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