铈及冷却速率对铬锰氮不锈钢定向凝固稳态区组织的影响.pdf

ADr．2017VOI．66 NO．4 垂篙帅煮铈及冷却速率对铬锰氮不锈钢定向凝固稳态区组织的影响张慧敏，赵莉萍，贺建新(内蒙古科技大学材料与，台金学院，内蒙古包头014010)摘要：采用电磁感应定向凝固生长炉制备了铬锰氮不锈钢定向凝固试样，研究了凝固速率和稀土铈含量对试样稳态区凝固组织的影响。结果表明，当凝固速率为12¨州s时，试样稳态区的凝固组织是胞状组织，随着凝固速率增加到120斗IIl／s和500斗111／s时，试样稳态区的胞状组织向枝晶状组织转变，且随冷速的增加，枝晶臂来不及长大。当冷速为12仙州s时，随铈含量增加到0．067％时，枝晶尖端的成分过冷增加，凝固组织也由胞状向枝晶状转变，晶粒形态发生变化，晶粒界面增多，从而提高了铬锰氮不锈钢的硬度。关键词：铬锰氮不锈钢；稳态区；稀土铈；冷却速率中图分类号：TG244．3 文献标识码：A 文章编号：1001—4977(2017)04一0411一04E仟ect Of Cerium and DireCtiOnaI SO|Idif．catiOn COO|_ng Rate On theSteady State RegiOn MicrOstructure Of Cr—Mn—N StainleSS SteeIZHANG Hui-min，ZHA0 Li-ping，HE Jian—xin(Sch001 ofMaterial alld Metallurgy hmer Mon901ia Univers毋ofScience and Teclln0109y，Baotou 014010，Lnner Mon901ia，China)Abst耐： In order to studv the effect of cerium and directional s01idification c001ing rate on the steady stateregion mircos佃Jcture of Cr．Nm—N stainless steel，the elec仃omagnetic induction directional s01idification盯owm向mace was used in the research to prepare the s锄ples．The results show that when the c001ing mte was12¨In／s，steady state region ofme sample was cellular crystals structure．The steady state region ofthe sarllplewas tl】med into c01umar crystals stmctI】re and dendritic anll spacings had no time to，grow up，as thesolidification rate increased to 1 20¨m／s and 500ⅢⅡ1／s．When the c001ing rate、Ⅳas 1 2¨r州s， constituentsupercooling of dendritic tip was promoted with the content of rare earth cerium increased to O．067％，s01idification microstmcture was tumed into c01umnar crystals stnlcture by cellular crystal．The掣ains shapechanged and the 2rains interface increase正so hardness ofthe Cr．Nm—N stainless steel can be improved．硒rwords： Cr—Mn—N stainless steel；steady state region；rare eanb Ce；c001ing rate近年来，随着人类生活水平的提高，对持久耐用的奥氏体不锈钢的需求越来越大。在全球镍资源短缺的情况下，由于铬锰氮不锈钢具有成本较低、强度较高的优点，从而受到了许多研究人员的关注【”。定向凝固技术是研究金属材料凝固过程的重要手段之一，是控制晶体生长和研究晶体生长行为最有效、最直接的方法[2．3]。凝固速率的变化直接影响凝固模型的转变【4】，因此研究不同冷速下稳态区的组织和性能对研究奥氏体不锈钢的凝固组织具有重要作用。由于在钢中加入少量稀土可以提高钢材的质量，因此，本文结合定向凝固技术，研究稀土元素及凝固速率对铬锰氮不锈钢凝固过程的影响。本研究可为分析含稀土元素的铬锰氮不锈钢的组织转变规律及控制凝固过程的工艺参数提供理论指导。1试验钢的制备及分析测试方法1．1试验钢的制备本试验选用铬锰氮不锈钢为原料，采用二次加入不同含量稀土ce的方法在zG．0．03A型真空感应熔炼炉中进行熔炼，试验钢的成分如表1所示。对冶炼的钢坯经锻造后取①6．8 mm×70 mm的定向凝固试样，对试样表面用砂纸打磨之后，用丙酮在超声波清洗仪中清洗15 min，将清洗后的试样放人电磁感应定向生长炉中，采用区域熔化一液态金属冷却法的定向凝固技术网进行定向凝固试样的制备。先将电磁感应定向生长炉抽真空，然后充人氩气基金项目：内蒙古自治区自然科学基金项目(2叭4Ms0519)。收稿日期：2016_09—19收到初稿，2017_01_09收到修订稿。作者简介：张慧敏(1985一)，女，讲师，研究生，主要从事金属材料组织转变及质量控制的研究。E—mail：398979157@qq．com万方数据·412· FOUNDRYAOr．2017VOI．66 NO．4保护，以防止材料中的稀土和氮的损耗。试样加热温度1 600℃，保温时间10 min，并以不同的冷却速率进行抽拉，试样拉至35 mm处淬入冷却液中，得到定向凝固试样。表1试验用钢的成分TabIe 1 The chemical compositions of test steel，p肌编号 Ce C Cr Mn Ni N18 O O．092 14．OO l 1．18 1．00 O．1024 0．002 0．098 13．20 10．40 1．OO 0．09634 0 067 0 089 1 3 47 1044 1 00 0 0R91．2试验钢的显微组织观察及硬度分析采用电火花切割机将稳态区的定向凝固试样切割后，分别取横、纵截面，经打磨、抛光、腐蚀后，采用Axiovert 25型蔡司金相显微镜对试样进行显微组织观察，并利用HV一50A型维氏硬度计对试样进行硬度值测定。用以分析冷却速率及稀土ce对铬锰氮不锈钢的显微组织及硬度的影响。2试验钢的显微组织分析定向凝固过程中温度梯度G和抽拉速率尺是重要的控制参数。图1为固一液界面前沿的温度梯度G与凝固速率R的比值G偎对凝固组织的影响。从图1中可以看出，改变定向凝固参数，可以得到不同生长过程的凝固组织啊。2．1 定向凝固试样纵剖面稳态区组织形貌分析罔2是1“一34试样在抽抟速率分别为12 um／s、(a)不含稀土，抽拉速率为12 um／s120¨州s和500斗111／s下的定向凝固稳态组织。图2a一2c是不含稀土的试样在不同凝固速率下的稳态区纵向组织。可以看出，当凝固速率为12¨111／s时，以胞状组织为主。当凝固速率增加到120¨叫s时，凝固组织为胞状和枝晶状混合组织。当凝固速率增加到500¨111／s时，凝固组织以枝晶状为主。这是由于当抽拉速率较慢时，溶质可以充分扩散，形成胞状组织，随着抽拉速率增加到500 uIll／s时，凝固中温差增大，形核驱动力较大，成分过冷加大，使得组织由胞状逐渐转化为枝晶状。图2a、2d、2e是抽拉速率均为12¨111／s、含铈量不同的试样的显微组织，可以看出，当稀土铈含量为0．002％时，组织形貌为胞状和枝晶状两种形貌的混合组织，当含铈量增加至0．067％时，稳态区的组织主要呈树枝状且二次枝晶数量较多。这是由于加入稀土元素铈后，凝固速率只图l 温度梯度G、凝固速率R与凝固界面的关系Fig．1 The relationship oftemperature gradient， s01idi行cation rate ands01idification interface(d)O 002％ce．抽拉速率为1 2斗m／s (e)O 067％ce，抽拉速率为12¨m／s网2 1。一3”试样稳态区纵向剖而凝同显微组织Fig．2 The steady state region solidification microstructuIP of 1。一35 samples longltudinal section万方数据铸造 张慧敏等：铈及冷却速率对铬锰氮不锈钢定向凝固稳态区组织的影响 ·413·铈富集在枝晶或晶粒交界处，导致枝晶生长的固液界面前沿成分过冷度增大，使其生长形态发生改变，形核速率增加，促进了二次枝晶的形成[8]。2。2定向凝固试样横剖面稳态区组织形貌分析图3为18—34试样稳态区横截面的凝固组织。从图3a一3c可以看出，当抽拉速率为12“州s时，凝固组织主要以胞晶为主，枝晶数量较少，这是由于抽拉速率较低时成分过冷很小，不利于枝状晶的形成。当抽拉速率增加到120¨耐s时，凝固组织中枝晶数量增加并且有明显的二次枝晶出现，当抽拉速率增加到500斗111／s时，枝晶更加明显，而且二次枝晶臂由于没来得及长大而较短，因此随着抽拉速率的增加凝固组织的晶粒形态发生变化。由图3a、3d、3e还可以看出，随稀土铈的增加，枝晶尖端的成分过冷度增加，枝晶间距变小，二次枝晶增加，枝晶变得不明显。(a)不含稀土，抽拉速率为12¨耐s (b)不含稀土，抽拉速率为120“m／s (c)不含稀土，抽拉速率为500¨m／s(d)O．002％Ce．抽拉速率为12¨m／s (e)O 067％ce，拙托速率为1 2“m／s图3 1L3试样稳态区横截面凝固组织Fig 3 The steady state region s01idmcation micros廿Llctllre of 1 4—34 s锄ples trallsverse section2．3铬锰氮不锈钢定向凝固稳态区硬度分析 固速率为12肛111／s时，随稀土铈含量的增加，硬度值也钢的组织决定了最终产品的性能，检测力学性能 明显增加(表2)，当铈含量增加到0．067％时，定向凝固最简单和直接的方法是硬度测试。表2为铬锰氮不锈钢 试样的最大硬度值达HV233．6。这是由于随着稀土含量定向凝固稳态区的维氏硬度测试值。 的增加，稀土富集在固一液界面处，引起尖端成分过冷表2试样定向凝固稳态区维氏硬度值HVTable 2 The hard耻ss of directi叫al蚰lidification steadystate region of sample由表2所示的测试结果可知，在定向凝固条件下，随凝固速率的增加，18试样的硬度值从HVl86增加到HV271．8，这是由于随凝固速率的增加，凝固组织由胞状向枝晶状转变并形成二次枝晶，且由于枝晶来不及长大，晶粒的界面增加，因此硬度值显著提高。当凝增加，固．液界面由胞状逐渐转变形成枝晶状，晶粒形态发生变化。硬度的变化符合显微组织变化规律。3结论(1)当定向凝固速率为12仙111／s时，不含稀土铈的铬锰氮不锈钢稳态区的凝固组织为胞状组织，当凝固速率从12斗II】／s增加到500“H1／s时，凝固组织由胞状组织向枝晶状组织转变，且由于凝固速率增加，二次枝晶臂来不及长大，枝晶变得不明显。(2)当凝固速率为12¨111／s，稀土铈含量为O～0．067％时，随铈含量的增加，凝固组织逐渐由胞状向枝晶状转变，且当铈含量达0．067％时，由于铈增加了枝晶尖端的过冷度，导致晶粒形态发生变化。(下转第417页)万方数据铸造 聂越等：宝珠覆膜砂在缸体铸造中的应用 ·417·对比参数得出TL．50AG覆膜砂具备低发气量和高强度的特点。采用这种覆膜砂生产的铸件经过解剖检查，缸体缸筒壁厚差控制在1 mm以内，产品合格。客户对采用新的TL一50AG覆膜砂的缸体毛坯进行加工，解剖件发现缸筒壁厚均匀一致，尺寸合格，符合要求。3结束语发动机缸体薄壁化、轻量化是发动机设计核心思路；紧凑、复杂的结构是未来缸体铸件的常态特性。将宝珠覆膜砂应用在汽车发动机缸体铸造中，在特定的场合能有效消除和降低了油道芯变形、缸筒缺口、粘砂、气孔、壁厚超差等铸造缺陷，提高了铸件品质。利用宝珠覆膜砂解决缸体铸件缺陷的经历，为将来应对更高难度的铸造技术挑战积累了经验，也为全面实现立浇薄壁化缸体提供了技术储备。(上接第410页)能的影响[J】．中国铸造装备与技术，2007(2)：23—26．[3] 磁shore，SaInpatllkllInaran P，seethar蛐u S．Emsion and abmsioncharacteristics of high manganese cllromium irons [J]． wear，2005，259 (1—6)： 70—77．[4] Shimizu K，N锄se T，Ⅺnba Y．ErosiVe wear propenies of hi曲V—Cr_Ni stainless spheroidal carbides cast iron at hi曲temperalllre[J]．wear，2009，267(1．4)：104—109．【5]子澍，张学昆．镍硬铸铁的硬化原则及影响因素[J】．现代铸铁，2010(10)：39—44．[6]子澍，张学昆．镍硬白口铸铁的强化原则【J]．铸造设备与工艺，2009 (6)： 45—48．[7] Zhang M x， Kclly P M．The e髓ct ofheat骶atment on the(上接第413页)(3)添加稀土ce可以提高铬锰氮不锈钢的硬度，当铈含量为0．067％时，硬度值最大为HV233．6。参考文献：[1】徐匡迪，高玉来，翟启杰．低镍不锈钢生产中的若干冶金学问题[J]钢铁，2004，39(7)：1—6．[2】周振平，李荣德．定向凝固技术的发展[J]中国铸造装备与技术，2003(2)：1—3．[3]陈邦迪，舒震．凝固与铸造【M]．北京：机械工业出版社，198l：1．3．[4】朱亮，梁新斌．冷却速度对奥氏体不锈钢crl5Mn9cll2NilN组织参考文献：[1】张丽晓，徐素峰，董必义．宝珠砂在高锰钢铸件上的应用[J]．铸造设备与工艺，2012(1)：34—36．【2]刘增林，陈科，聂越，等．4G20B缸筒缺口形成原因及解决措施[J]．铸造技术，2014(10)：2140一2142．[3]张学峰，张芳，郭芳芳．铸件粘砂机理以及质量控制简析[J]_河北冶金，2007(2)：43—45．[4】唐平，陈世岗，陈赞，等．缸体铸件气孔缺陷的控制[J]铸造，2006 (12)： 1316—1318．【5]孙清州，张普庆，荆海鸥，等．石英石热膨胀性的研究[J]铸造技术，2005(26)：103一105．[6]聂越．DK4缸体毛坯气孔缺陷的消除[J]铸造，2015(11)：1 142—1144．[7]刘增林．汽车发动机铸铁缸体在立浇条件下缸筒壁厚均匀性控制的研究[J]．铸造技术，2015(10)：2586—2590．(编辑：刘冬梅，1dm@foun奶州orld．com)touglllless， hardness锄d microstmctLIre of low carbon white castirons【J]．Jo啪al of Materials Science，2001，36(16)：3865—3875．[8】 踟姐tzalis A E，Lekatou A．E仃ect of destabilization heat仃eatmcntson the microsmlcmre of high—chromium cast iron： A microscopyex锄ination approach[J]Jo啪a1 of Matedals En百nee曲g andPerfomance，2009，18(8)：1078—1085．[9]文九巴．材料科学与工程[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008：242—246．[10】Kown—yeong Lee， Sung-hoon Lee， YangdoⅪm．The e仃ects ofadditive elemems on me sliding wear behavior of Fe-base hardfac咄alloys[J]．wear，2003，255(1-6)：481—488．(编辑：刘冬梅，1m@矗)un奶州orld．com)与凝固模式的影响[J]．铸造技术，2009，30(7)：864—867．[5]李春龙．稀土在钢中应用与研究新进展[J】稀土，2013，34(03)： 78—85．[6】卢百平．定向凝固技术的若干进展[J]铸造，2006，55(8)：767—771．【7】李思渊，李寿嵩，张同军，等．稀有金属界面效应的作用机理[J]兰州大学学报，1983，19(3)：156—157．【8]袁付庆，张静，方超．稀土元素对镁合金晶粒细化的研究[J]．热加工工艺，2012(2)：30一33．【9]于雯．稀土微合金低镍奥氏体不锈钢的凝固特性[D]．包头：内蒙古科技大学，2014．(编辑：刘冬梅，1d111@foull奶nⅣorld．com)万方数据