研制熔模铸造稀土钢RZG20CrMnMoRe

2011-01-25潘玉洪

凿岩机械气动工具 2011年3期

潘玉洪

1 引言

YG80重型导轨式凿岩机是开发矿业、铁路交通和水利建设工程的重要机具。熔模铸件——缸体，是YG80重型导轨式凿岩机上重要的零件之一。缸体要具有较高的强度和好的耐磨性；然而，当时生产的YG80缸体主要存在两个问题：一是由于缸体存在缩孔、夹渣等缺陷，铸件废品率较高，约为50%；二是由于铸件存在缩松、铸态组织偏析、晶粒粗大、以及夹杂物多等原因，其耐磨性较差，平均进尺3000-4000米，见图1。

图1 缸体纵向剖面，酸蚀后的缩孔与缩松

根据有关资料介绍：稀土元素对于铸钢可提高钢液的流动性，增强金属液的补缩能力，改善铸造工艺性能和提高机械性能；同时稀土在钢中有净化、变质和合金化作用。我国稀土资源丰富，能否在熔模铸钢RZG20CrMnMo中加入稀土1#合金，解决缸体存在的两个问题呢？

我们开始在熔模铸钢RZG20CrMnMo中加入稀土1#合金；通过大量的实验，成功地研制了稀土熔模铸钢RZG20CrMnMoRe，达到了预期的效果。

2 稀土钢的化学成份

RZG20CrMnMoRe的化学成份见表1。

3 稀土元素的加入工艺

查阅相关的资料，有的资料把稀土元素描写成神丹妙药，能解决很多质量问题；而有的资料则认为稀土元素作用甚微。尽管稀土元素加入铸钢中有诸多很好的作用，但是随着加入工艺的不同而有很大的差异。

为了探讨稀土元素如何在RZG20CrM-nMo中发挥应有的作用，笔者结合生产做了如下的实验。

实验设备：500公斤无芯工频感应炉（酸性炉衬）。

表1 化学成份

3.1 加入方法

3.1.1 炉中插入法

金属液使用铝进行终脱氧后，停电。

用铁棍将烘烤充分的装有稀土1#合金的铁盒直接插入炉中，并覆盖草木灰，静置2～3分钟，扒渣、出钢（浇包中事先放入草木灰），浇注试样。

稀土1#合金的块度小于60mm；

用0.5mm厚度的铁皮，自制铁盒；铁盒的数量，根据实际需要制作；

稀土1#合金的加入量：为工频炉中金属液总重量的0.15%。

经炉后化验结果表明：稀土元素在试样中的残留量随着金属液出炉时间的延长而减少（见图2）。

图2 稀土残留量与浇注时间的关系

炉中插入法的优缺点：

优点：

（1）加入方法简单；

（2）金属液的温度较高，使稀土1#合金能够充分地溶解；并有利于夹杂物的上浮。

缺点：

（1）稀土元素的烧损率较大，并且同炉金属液中的稀土残留量不均匀，随着出炉时间的延长而减少。

（2）如果稀土1#合金烘烤不充分或其他原因，容易出现安技事故。

3.1.2 炉中投放法

金属液使用铝进行终脱氧后，停电。

将烘烤充分的稀土1#合金直接投放到金属液的表面（稀土1#合金的加入量，为工频炉中金属液总重量的0.15%；利用工频感应炉的电磁搅拌现象使稀土元素尽量溶解均匀），并覆盖草木灰，静置2～3分钟，扒渣、出钢（浇包中事先放入草木灰），浇注试样。

投放稀土1#合金的块度约为60mm，不超过100mm；

经炉后化验结果表明：稀土元素在试样中的残留量与金属液出炉时间没有一定的关系（见图3）。

图3 稀土残留量与浇注时间的关系

炉中投放法的优缺点：

优点：

（1）加入方法简单；

（2）金属液的温度较高，使稀土1#合金能够充分地溶解，并有利于夹杂物的上浮；

（3）试样中的稀土元素残留量比较均匀，稀土元素的残留量见图3。

缺点：

（1）稀土元素的烧损率很大，稀土元素的回收率为15%～25%。

（2）如果稀土1#合金烘烤不充分或其他原因，容易出现安技事故。

3.1.3 浇包冲入法

在烘烤好的浇包中放入烘烤充分的稀土1#合金，并放入草木灰。

注：稀土1#合金的烘烤温度为500℃；

加入量为浇包中金属液总重量的0.15%；其块度＜40mm。

金属液使用铝进行终脱氧后，停电；再往浇包中注入金属液（温度为1570℃～1590℃，光学高温测温仪，未校正），金属液注满浇包后，静置2～3分钟，扒渣、浇注试样。

为了防止金属液的二次氧化，应适当地提高出钢和浇注速度。

经炉后化验结果表明：稀土元素在试样中的残留量较高。

浇包冲入法的优缺点：

优点：

（1）加入方法简单、容易操作；

（2）试样中的稀土元素残留量比较均匀，回收率为50%～80%。

缺点：

（1）各浇包中金属液的温度无法控制一致。

3.1.4 三种加入方法对比

选择加入方法的依据是：生产中操作简单；而且稀土元素的回收率较高、残留量较稳定。

三种不同的加入方法的稀土元素回收率和残留量见表2。

由表2可知：三种加入方法中，以浇包冲入法的效果最好，能够得到较高的回收率和较稳定的稀土元素残留量。

表2

在以后的试验中均采用浇包冲入法。

3.2 加入量

加入量要“适当”。多则金属液的质量变差，少则起不到应有的作用。据资料介绍，稀土元素的加入量按S.K.Lu提出的公式估算：Re加入=5.85([O]初始–[O]残留)+2.93([S]初始-[S]残留)+Re残留

该公式对生产有一定的指导意义,但是没有考虑到稀土元素的烧损。笔者认为稀土元素的加入量应满足四方面的要求：脱氧、脱硫、烧损和残留。

3.2.1 稀土1#合金加入量

为摸索稀土元素的较佳加入量，选用同炉钢液，采用浇包冲入法，分别在浇包中加入不同重量的稀土1#合金（0；0.15%；0.30%；0.40%、0.50%和0.60%。），得到六种单根成型试样（如图4）和小钢锭。

图4 弯曲试样和一次冲击试样的尺寸

3.2.2 制作试样

单根成型试样稍加磨削即可。

前四种小钢锭均锻成φ20 mm的圆棒和15×15 mm的方棒。后两种钢锭（稀土加入量≥0.50%）在锻造过程中发生开裂，并且随着稀土元素加入量的增加开裂加重。这是稀土元素加入量过多，产生富集引起钢材的热裂性[2]。

3.2.3 试样热处理

试样经900～920℃×1小时正火；

650～680℃×2小时回火；

920-940℃×14小时表面渗碳；

830～850℃×20分钟淬火；180～200℃×1小时回火。

其机械性能见表3。

表3

3.2.4 较佳加入量

为了寻求较佳的稀土1#合金加入量，笔者再次实验。

3.2.4.1 试样种类

将浇注的成型试样，经稍微加工，达到图3（弯曲试样和一次冲击试样）的要求。

3.2.4.2 加入量

为了找出稀土1#合金的较佳加入量，采用同炉金属液，只是在浇包中加入不同重量的稀土1#合金。稀土1#合金的加入量按照浇包中金属液重量的：0（即没有添加稀土1#合金）；0.10%；0.15%；0.20%四种。

3.2.4.3 热处理工艺

采用与YG80缸体相同的热处理工艺，即：

（1）真渗碳：主要考核试样的渗碳层强度，其热处理工艺参数：

渗碳：温度T=940±10℃；时间h=24小时；

回火：温度T=650℃；时间h=2小时；

淬火：温度T=840±10℃；时间h=20分钟；

回火：温度T=160℃；时间h=1小时。

（2）假渗碳：主要考核试样的心部强度。

试样处理方法：将试样装在密封的铁盒中，其余处理方法与真渗碳完全相同。

3.2.4.4 机械性能试验

拉伸试验在30吨万能材料试验机上进行；冲击试验在15/30公斤·米冲击试验机上进行。

每组试样5支样品，取其算术平均值（去除离散度大的，即认为不正常的数据）。结果见表4。

在上述范围内，虽然加入稀土量不同；但是试样的弯曲强度有所增加，冲击韧性随着加入量的增加而提高，甚至提高2～3倍。

表4

3.2.5 较佳加入量

从提高产品质量，降低成本等诸方面综合考虑，应采用浇包冲入法；加入稀土1#合金为0.15%为宜。这时稀土元素的回收率为50～80%，残留量为0.08～0.12%。

3.3 生产中应注意的问题

3.3.1 控制金属液出炉温度

稀土1#合金加入到金属液中是吸热反应。随着稀土1#合金加入量的增加，金属液温度降低越多；当浇包中的金属液重量为60～70公斤时，加入0.15%的稀土1#合金，金属液降温约为40～60℃（光学高温计，未校正）；同时，随着稀土1#合金加入量的增加，夹杂物增多。

采用浇包冲入法时，为了使稀土1#合金能充分溶解，并分布均匀，同时有利于夹杂物的上浮，金属液出炉时的温度应略高些，RZG20CrMnMoRe金属液的出炉温度应控制在1570℃～1590℃。

3.3.2 加入稀土的种类

在加入工艺相同的情况下，分别加入稀土1#合金和混合稀土的效果相近；但是混合稀土的价格昂贵，并且烘烤温度不如稀土1#合金容易控制；因此，正常生产中以采用稀土1#合金为宜。

3.3.3 稀土1#合金的块度和烘烤温度

烘烤的目的主要是去除稀土中的水分。烘烤混合稀土的温度以200℃～300℃为宜；烘烤稀土1#合金的温度以500℃～700℃为宜。如果混合稀土的烘烤温度达到700℃时，几乎变成稀土氧化物，见图5。

3.3.4 稀土的加入顺序

图5 稀土氧化物×50

由于稀土元素与氧的亲和力很大，所以金属液必须在用铝进行终脱氧以后，才能按照需要的量加入。

3.3.5 草木灰的作用

必须事先在浇包中放入草木灰，使其保护浇包中经过稀土元素处理过的金属液产生二次氧化。金属液二次氧化的结果，是形成大团状的稀土化合物，还可能有损于硫化物的形成，甚至有“回硫”现象，即脱硫效果不明显。

3.3.6 静置时间的控制

经过稀土元素处理过的金属液应静置2～3分钟，以利于夹杂物的上浮和去除。静置时间太短，不利于夹杂物的上浮；静置时间太长，金属液容易产生二次氧化，并且金属液降温太多。

4 浇注试样和试验缸体

采用同炉钢液，分别浇注不加稀土元素的RZG20CrMnMo缸体和试样，加稀土1#合金（浇包冲入法，加入量为0.15%）的RZG20CrMnMoRe的缸体和试样。

4.1 浇注试样

4.2 机械性能

表5 化学成份

楔形试样经正火、回火（工艺同前）处理后，分别加工成弯曲、冲击和磨损试样的毛坯。再经渗碳、淬火、回火（工艺同前）处理后加工成试样，其机械性能见表6。磨损试验结果见表7。

机械性能表明：RZG20CrMnMoRe比RZG20CrMnMo的弯曲强度有所提高，冲击韧性提高很大。真渗碳（代表渗碳层组织）提高50%；假渗碳（代表心部组织）提高近3倍。磨损试验说明，RZG20CrMnMoRe比RZG20CrMnMo耐磨性提高10～20%。

表6 试样的机械性能测试结果

表7 试样的磨损试验结果

4.3 稀土1#合金除气效果

浇注RZG20CRMnMoRe试验缸体时，由于稀土元素与金属液中的气体形成稀土化合物，使金属液凝固前少析出或不析出气体；从而减少了熔模铸件因气体产生的废品，同时减少、减轻了缸体的缩孔与缩松，见表8、图6。

表8 浇注试验缸体结果

4.4 稀土1#合金脱硫效果

稀土元素的脱硫效果与稀土元素的加入量、金属液温度、金属液中氧和硫的起始含量，“二次氧化”的程度等一系列因素有关，见表9。正常情况下，脱硫率40%～50%。

图6 缩孔与缩松（左：加稀土）、（右：没有加稀土）

表9 稀土脱硫效果与影响因素

4.5 对夹杂物和组织的影响

4.5.1 夹杂物

全相图中，RZG20CrMnMo钢中主要存在带尖角的硅酸盐、氧化物和硫化物，见图7a。RZG20CrMnMoRe钢中，由于稀土的亲和力大于锰、铁、硅等，很容易形成呈圆形的稀土化合物，见图7b。

图7 铸件中的夹杂物×100

4.5.2 组织

生成高熔点和弥散的稀土化合物在钢液中起到晶核作用，细化了晶粒（图8a：没有加稀土；图8b：加稀土）；减轻了树枝偏折（图9a：没有加稀土；图9b：加稀土），减少了残余奥氏体的含量，并改善了碳化物的形态和增加了点状碳化物层的深度，同时提高了显微硬度（见表10）。这可能是稀土元素使铁的晶格常数增大，也可以认为稀土元素在铁中形成固溶体，引起晶格畸变，并使之硬化。即常说的稀土元素的合金作用。