第1期 郭宏海等：稀土元素对耐候钢元素偏析的影响 45. 前后组织差异等造成的液相流动，在凝固组织中产 表1铸钢锭凝固过程中合金元素的分配系数[©们 生了溶质元素分布的不均匀性，常称之为宏观偏析 Table 1 D istribution coefficient of alloy elements in the process of solil- ification in steel ingots 宏观偏析是一种化学成分不均匀现象，是凝固过程 中溶质再分配的必然结果，偏析会使俦件、锻轧件 元素 C Si Mn Cu 产品的力学性能降低，特别是韧性、塑性和抗腐蚀性 分配系数，k0.300.500.750.060.050.40 下降，因此减轻偏析是保证钢材质量的重要任务· 表1为钢凝固过程中各合金元素的分配系数， 2 实验方法 从表中可以看出，钢液凝固过程中C、S和P偏析比 较严重，C偏析能力较S和P弱，Cu也有一定的偏 本实验采用中频真空感应炉炼制高磷耐候钢试 析倾向.有研究表明)，在有C存在时，P的偏析远 样，成分如表2所示.采用金属模浇注，浇注后得到 高于计算值. 中82mm的圆铸锭， 表2耐候钢的化学成分（质量分数） Table 2 Chem ical composition of weather resisting steel 质量分数% 过热度/ 编号 铸模 C Si Mn 力 Cu RE 0.189 0.311 0.588 0.140 0.007 0.318 0 金属模 20 2 0.190 0.285 0.564 0.176 0.008 0.314 0.006 金属模 20 3 0.167 0.242 0.308 0.129 0.004 0.202 0.550 金属模 20 4 0.180 0.287 0.512 0.080 0.007 0.255 0.380 金属模 20 注：RE为稀土元素 2.1稀土元素固溶度的测定 2.2.3数据采集和处理 为研究固溶稀土元素对耐候钢中元素的偏析， 信号采集速率为100Hz通道 特采用无水电解法对耐候钢试样中稀土的固溶量进 2.2.4测定元素及其波长 行测定.电解分离在一15℃的冷阱里进行，电解液 C193.0m;si288.1mm;Mn293.3m;E 为1%四甲基氯化铵、%三乙醇胺和%丙三醇（质 178.3m;S.180.7m;Ck327.3m参比元素Fe 量分数)，用甲醇作溶剂，电流密度为20~25mA· 187.7m am2,电解5h然后用比色法来分析电解液中RE 2.2.5偏析度定义 含量，从而计算得出耐候钢中固溶E含量. (1)最大偏析度(M) 2.2金属原位分析实验 M=C:C (1) 为研究耐候钢中元素的分布情况，在金属原位 式中，C:为单次放电位置处某元素的最高质量分 分析仪上对试样表面成分进行统计分析，先去掉铸 数，C为平均质量分数 (2)统计偏析度(S) 锭冒口，在铸锭的中部沿横截面取试样，将试样磨 S=Z/Zo (2) 光，在金属原位分析仪上进行扫描分析，扫描面积为 Z=(C2-C)2 (3) 40mm X40mm. 式中，C2一C为元素在材料各位置含量统计分布的 2.2.1样品扫描方式和速度 95%置信区间，Z为中位值 样品扫描方式为线性扫描，即沿x轴方向连续 扫描，扫描速率为lmm·s；y轴方向为步进方式， 3实验结果和讨论 间隔为4mm 在钢中加入RE后，很大一部分RE元素与钢中 2.2.2火花激发参数 0、S结合，形成稀土氧、硫化合物，这些高熔点的化 激发频率：300H8激发电感：1.3×10-H:激 合物在钢液凝固前析出，呈细小的质点分布在钢液 发电容：2.12×10激发电阻：1.02：火花间隙： 中，作为非均质形核中心，降低钢液结晶的过冷度， 210mm:氩气纯度：99.9999%；氩气流量：80mL· 因而可细化钢的凝固组织，减少偏析，实现凝固“组 s1:电极材料：45顶角纯钨电极，直径为5mm 织控制”.只有很少一部分RE元素会固溶在钢中，第 1期 郭宏海等： 稀土元素对耐候钢元素偏析的影响 前后组织差异等造成的液相流动‚在凝固组织中产 生了溶质元素分布的不均匀性‚常称之为宏观偏析． 宏观偏析是一种化学成分不均匀现象‚是凝固过程 中溶质再分配的必然结果．偏析会使铸件、锻轧件 产品的力学性能降低‚特别是韧性、塑性和抗腐蚀性 下降．因此减轻偏析是保证钢材质量的重要任务． 表 1为钢凝固过程中各合金元素的分配系数． 从表中可以看出‚钢液凝固过程中 Ｃ、Ｓ和 Ｐ偏析比 较严重‚Ｃ偏析能力较 Ｓ和 Ｐ弱‚Ｃｕ也有一定的偏 析倾向．有研究表明 ［8］‚在有 Ｃ存在时‚Ｐ的偏析远 高于计算值． 表 1 铸钢锭凝固过程中合金元素的分配系数 ［8］ Ｔａｂｌｅ1 Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆａｌｌｏｙｅｌｅｍｅｎｔｓｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｏｌｉｄ- ｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｎｓｔｅｅｌｉｎｇｏｔｓ 元素 Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ Ｓ Ｃｕ 分配系数‚ｋ 0∙30 0∙50 0∙75 0∙06 0∙05 0∙40 2 实验方法 本实验采用中频真空感应炉炼制高磷耐候钢试 样‚成分如表 2所示．采用金属模浇注‚浇注后得到 ●82ｍｍ的圆铸锭． 表 2 耐候钢的化学成分 （质量分数 ） Ｔａｂｌｅ2 Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｗｅａｔｈｅｒ-ｒｅｓｉｓｔｉｎｇｓｔｅｅｌ 编号 质量分数／％ Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ Ｓ Ｃｕ ＲＥ 铸模 过热度／ ℃ 1 0∙189 0∙311 0∙588 0∙140 0∙007 0∙318 0 金属模 20 2 0∙190 0∙285 0∙564 0∙176 0∙008 0∙314 0∙006 金属模 20 3 0∙167 0∙242 0∙308 0∙129 0∙004 0∙202 0∙550 金属模 20 4 0∙180 0∙287 0∙512 0∙080 0∙007 0∙255 0∙380 金属模 20 注：ＲＥ为稀土元素． 2∙1 稀土元素固溶度的测定 为研究固溶稀土元素对耐候钢中元素的偏析‚ 特采用无水电解法对耐候钢试样中稀土的固溶量进 行测定．电解分离在 －15℃的冷阱里进行‚电解液 为 1％四甲基氯化铵、5％三乙醇胺和5％丙三醇 （质 量分数 ）‚用甲醇作溶剂‚电流密度为 20～25ｍＡ· ｃｍ －2‚电解 5ｈ‚然后用比色法来分析电解液中 ＲＥ 含量‚从而计算得出耐候钢中固溶 ＲＥ含量． 2∙2 金属原位分析实验 为研究耐候钢中元素的分布情况‚在金属原位 分析仪上对试样表面成分进行统计分析．先去掉铸 锭冒口‚在铸锭的中部沿横截面取试样‚将试样磨 光‚在金属原位分析仪上进行扫描分析‚扫描面积为 40ｍｍ×40ｍｍ． 2∙2∙1 样品扫描方式和速度 样品扫描方式为线性扫描‚即沿 ｘ轴方向连续 扫描‚扫描速率为 1ｍｍ·ｓ －1；ｙ轴方向为步进方式‚ 间隔为 4ｍｍ． 2∙2∙2 火花激发参数 激发频率：300Ｈｚ；激发电感：1∙3×10 －4 Ｈ；激 发电容：2∙12×10 －4Ｆ；激发电阻：1∙0Ω；火花间隙： 210ｍｍ；氩气纯度：99∙9999％；氩气流量：80ｍＬ· ｓ －1；电极材料：45°顶角纯钨电极‚直径为 5ｍｍ． 2∙2∙3 数据采集和处理 信号采集速率为 100ｋＨｚ／通道． 2∙2∙4 测定元素及其波长 Ｃ：193∙0ｎｍ；Ｓｉ：288∙1ｎｍ；Ｍｎ：293∙3ｎｍ；Ｐ： 178∙3ｎｍ；Ｓ：180∙7ｎｍ；Ｃｕ：327∙3ｎｍ．参比元素 Ｆｅ： 187∙7ｎｍ． 2∙2∙5 偏析度定义 （1） 最大偏析度 （Ｍ）． Ｍ＝Ｃｉ／Ｃ （1） 式中‚Ｃｉ为单次放电位置处某元素的最高质量分 数‚Ｃ为平均质量分数． （2） 统计偏析度 （Ｓ）． Ｓ＝Ｚ／Ｚ0 （2） Ｚ＝（Ｃ2－Ｃ1）／2 （3） 式中‚Ｃ2－Ｃ1为元素在材料各位置含量统计分布的 95％置信区间‚Ｚ0为中位值． 3 实验结果和讨论 在钢中加入 ＲＥ后‚很大一部分 ＲＥ元素与钢中 Ｏ、Ｓ结合‚形成稀土氧、硫化合物．这些高熔点的化 合物在钢液凝固前析出‚呈细小的质点分布在钢液 中‚作为非均质形核中心‚降低钢液结晶的过冷度‚ 因而可细化钢的凝固组织‚减少偏析‚实现凝固 “组 织控制 ”．只有很少一部分 ＲＥ元素会固溶在钢中． ·45·