42CrMo钢电渣熔铸件成分分布的研究
42CrMo钢电渣熔铸件成分分布的研究
王泽东 鲍国栋 张俊新 徐嘉
摘要：研究了电渣熔铸对42CrMo钢元素的烧损规律，测定了42CrMo电渣熔铸件上不同部位元素的分布，用XRD测定了枝晶内和枝晶间元素的微观分布；用电解法和萃取法测定了电渣熔铸前后的夹杂物的含量，并对夹杂物特征进行了比较。结果表明：电渣熔铸件元素分布均匀，硫、磷等有害元素含量低。通过电渣熔铸，夹杂物含量大幅度降低，硫化物由0.14%下降到0.006%，氧化物由0.0065%下降到0.0044%-0.0047%，夹杂物总量由0.0205%下降到0.0105%。
关键词：42CrMo钢 电渣熔铸 化学成分 夹杂物
1、引言
电渣重熔（ESM）或电渣熔铸技术能净化金属、改善结晶组织、提高材料的性能，尤其是疲劳性能。对于一些形状较复杂、要求又高的重要结构件可以采用电渣熔铸工艺，一次成型，这样可以缩短生产周期，降低生产成本，提高产品性能。用电渣熔铸技术生产轧辊、阀体、空心管坯、拐轴和曲轴等已取得了良好的效益。
42CrMo是一种常用的结构钢，先浇注成钢锭，然后通过锻造变形，用来制造一些重要的结构件，如柴油机曲轴和机床设备的一些轴类零件。对一些要求更高的机械零件则采用42CrMo电渣钢（即42CrMoE）来制造，如高强度螺栓等。
虽然42CrMoE钢已投入商用，但用42CrMo钢电渣熔铸成型的报道较少。为了探讨用42CrMo钢电渣熔铸工艺代替锻造工艺生产重要零件的可行性，作者对42CrMo电渣熔铸件的元素烧损情况、化学成分的分布规律以及夹杂物数量、形态和分布等做了全面的研究，为42CrMo电渣熔铸件的推广应用提供一些理论依据。
2、试样制备和试验方法
2.1试样制备
电渣熔铸用钢质结晶器，内径为φ360mm，自耗电极的直径为φ200mm，充填系数为0.66。铸件直么为φ350mm。自耗电极的成分见表1，其表面经预处理，不允许存在氧化皮。基本控制参数：渣系选取ANF-6（30%Al2O3+70%CaF2），渣量为35kg；电流为6500-7200A，电压为55V。
表1 自耗电极的化学成分（质量分数，%）
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Cu | Al | N |
| 0.40 | 0.27 | 0.65 | 0.023 | 0.01 | 1.05 | 0.19 | 0.10 | 0.017 | 0.10 |
所有用于测定化学成分和夹杂物的试样分别取自φ350mm电渣熔铸铸件的中心、0.5R处和边缘，沿铸件轴向高度630mm范围内分别取上、中、下三个截面的试样，以比较不同部位处化学元素和夹杂物的变化规律。
2.2试验方法
用化学法测定电渣熔铸前后42CrMo钢各元素的变化，来表示电渣熔铸过程中元素的烧损规律，在电渣熔铸件不同部位取样分析，来表示元素的分布。微区成分用Oxford-ISIS型X射线能谱仪测定。
用电解法和萃取法测定夹杂物的含量。用EMI-Ⅱ型图像分析仪测定夹杂物的颗粒，在100倍的放大倍率下，对每个试样观测30个现场，计算出单位面积上的平均夹杂物颗粒数和分布情况。
3、试验结果与分析
3.1元素的分布
不同部位处的化学成分见表2。对比表1和表2，可见经过电渣熔铸后，42CrMo钢的化学成分发生如下变化：
表2 42CrMo电渣熔铸件元素分布情况（质量分数，%）
| 取样部位 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Cu | Al | N | |
| 横截面 | 边缘 | 0.400 | 0.260 | 0.640 | 0.020 | 0.003 | 1.06 | 0.20 | 0.10 | 0.019 | 0.010 |
| 0.5R | 0.400 | 0.270 | 0.640 | 0.013 | 0.003 | 1.05 | 0.20 | 0.10 | 0.017 | 0.006 | |
| 中心 | 0.390 | 0.260 | 0.650 | 0.010 | 0.004 | 1.05 | 0.18 | 0.10 | 0.017 | 0.005 | |
| 轴向 | 底部 | 0.390 | 0.270 | 0.630 | 0.020 | 0.003 | 1.05 | 0.19 | 0.10 | 0.017 | 0.007 |
| 中部 | 0.400 | 0.270 | 0.640 | 0.017 | 0.003 | 1.05 | 0.19 | 0.10 | 0.018 | 0.005 | |
| 上部 | 0.400 | 0.260 | 0.640 | 0.013 | 0.004 | 1.05 | 0.20 | 0.10 | 0.017 | 0.005 | |
| 平均成分 | 0.397 | 0.265 | 0.640 | 0.0155 | 0.0033 | 1.052 | 0.193 | 0.10 | 0.0175 | 0.0063 | |
| 波动范围 | -0.007-0.003 | -0.005-0.005 | -0.01-0.01 | -0.0025-0.0045 | -0.0003-0.0007 | -0.002-0.008 | -0.013-0.007 | 0 | -0.0005-0.0015 | -0.0013-0.0037 | |
| 标准范围 | 0.38-0.45 | 0.17-0.37 | 0.50-0.80 | ≤0.035 | ≤0.035 | 0.90-1.20 | 0.15-0.25 | ≤0.30 | - | - | |
（1）电渣熔铸后材料中的碳、硅、锰的含量略有下降，碳最大烧损量不超过0.01%，硅、锰的最大烧损量为0.01%、0.02%。含磷量由原来的0.023%下降到0.010%-0.020%，平均去除0.075%，约合32.6%。含硫量由原来的0.010%下降到0.003%-0.004%，平均为0.0033%，平均去硫量约为67%。氮由原来的0.010%下降到平均0.0063%，即下降37%。其他元素基本没有变化。
42CrMo钢用ANF-6渣系进行电渣熔铸时，锰、碳、硅元素的烧损很小，但有害元素磷、硫下降较多，特别是除硫能力强，这就充分发挥了电渣熔铸工艺的优点。
（2）化学成分分布均匀。在同一横截面上，铸件的中心、边缘和0.5R处除氮元素外，其它元素均很均匀，没有什么差异。沿630mm高度上，所有元素的分布都很均匀，没有任何偏析。氮元素在铸件的边缘处含量较高，这主要是由于电渣熔铸边缘受激冷，凝固冷却速度较快，氮原子不易扩散析出。其边缘处的含量是中心的2倍。其他元素，不管是沿截面方向还是沿轴向其分布是很均匀的。
由表3可见，晶界和晶内主要元素的含量差别很小，不存在明显的枝晶偏析。这是因为硅、钼、铬、锰这四种元素自身的偏析倾向就较小，加之电渣熔铸件的凝固速度较一般铸件要快得多，枝晶细小，枝晶间的偏析倾向也相应减小。
3.2夹杂物分布
电渣熔铸对45CrMo钢夹杂物含量的影响见表4。由表可知：
（1）电渣熔铸件的夹杂物数量显著减少，与自耗电极的锻钢相比，氧化物和硫化物的总量都显著减少，其中减少最多的是Fe2O3和硫化物。如Fe2O3约减少96%，硫化物约减少60%，氧化物总量减少13%以上，夹杂物总量由锻钢的0.0205%下降到0.0105%，仅为锻钢的一半左右。
（2）夹杂物分布均匀，各处差异很小。
（3）电渣熔铸件的夹杂物不仅数量少，而且形态也得到很好的改善。表5表明，电渣熔铸件单位
