Fe-Sn-Mo系合金元素偏析及Fe的d电子数变化的研究

Fe-Sn-Mo系合金元素偏析及Fe的d电子数变化的研究

金鸿飞

江苏省特种设备安全监督检验研究院  江苏省昆山市

摘要：本文主要对Fe-Sn-Mo系合金元素偏析及Fe的d电子数变化要点进行研究。首先阐述合金元素及其在钢中的作用，而后在分析残余元素及其对钢性能的影响基础上，系统性阐述了相关的操作过程。

关键词：Fe-Sn-Mo；金元素；电子数变化

1合金元素及其在钢中的作用

合金元素在钢中的存在形式，对其发挥作用有直接的影响。热工艺条件的影响、合金元素特性、含碳量等方面，都会对钢中的合金元素分布造成较大的影响。通常来说，合金元素的存在形式有如下几个方面：

①合金元素在加入到固溶体之后，会形成合金奥氏体或者合金铁素体，这是目前合金元素在钢中的主要存在形式。

②组合成为金属性的化合物类型。过渡族金属一般都会和半径相对较小的非合金元素组合形成特殊的物质，比如氮化物、硼化物、碳化物等，所以会逐步的形成各种金属间化合物。合金元素存在于钢中，碳化物是目前合金元素在钢中的主要存在形式，按照形成的倾向大小，分解为碳化物形成元素与非碳化物形成元素，所以其存在的特性也是不同的。

③如果在材料中存在氧化物、流化物、硅酸盐等非金属物质形式，合金元素也会有较多的微量元素存在，其以极微细质点非金属夹杂物的形式存在，其中有些元素是在熔炼的最后阶段加入的，和钢液内残存的氧发生反应，会不断形成氧化物，但是不会进入到渣内。

④自由状态。有些元素，比如铍、铜、铅等，如果含量超出了溶解度的情况，就会在钢内以自由状态而存在。

在平衡状态下，一般钢的基本相是由铁素体和碳化物组成的。非碳化物形成元素在碳化物中的溶解度很低，一般会溶于铁素体中。钢中元素及碳含量的不同也使得碳化物形成元素的分布情况较为复杂，一般可能出现如下情况：

①碳化物形成元素在钢中都存在于铁素体和碳化物中，强碳化合物元素在铁素体中的溶解度很低，而弱碳化合物元素则大部分溶入到铁素体当中。

②碳化物、合金渗碳体或者特殊碳化物是碳化物形成元素含量较少和含碳量足够高时合金元素所处的碳化物形式。强碳化合物形成元素更容易形成特殊碳化物。

③碳亲和力强的合金元素在碳化物形成元素含量较高而含碳量较低的时候，首先会形成碳化物，而亲和力弱的元素在此条件下则更容易形成固溶体。

2残余元素及其对钢性能的影响

残余元素是钢铁冶金行业必须重视的问题。在炼钢时，炼钢原料往往会夹杂大量杂质进入炼钢炉。在整个钢铁冶炼过程中，一些杂质元素能够被剔除，但最终仍然会残留一部分在钢中。残余元素的存在会导致钢材质量的不稳定。这些残余元素很容易偏析，尽管含量可能不高，但也会对钢材性能产生不利影响。

钢材中残余元素大多以偏析的形式存在钢中。除了在铁附近的一些过渡金属镍，钴，钼，锰，铬以外，其余钢中残余元素大多具备很强的偏析能力，偏析可能发生在钢材的凝固过程中，也可能发生在固态相变之中，后者会需要比较长的扩散时间。

不同残余元素的偏析能力是可以用偏析系数来定量比较的，而凝固偏析的系数主要是依靠固、液相两者间的分配系数来决定的，典型的铸锭偏析在宏观上是由先结晶的固相中少量的残余元素和后结晶部分中相对较多的残余元素形成的。如表1.1中所示，残留在钢中的元素的凝固偏析系数不同。

表1残余元素在钢中凝固偏析倾向和晶界富集因数

3合金熔炼及热处理

3.1合金熔炼

为保证熔炼后合金的纯度，采用WK-Ⅱ型非自耗真空电弧炉进行合金的熔炼，实验的基本操作流程如下（图3.1）：

(1) 熔炼前准备

打开炉体，清洗坩埚与两极，再用吹风机吹干。将待熔炼金属Sn，Mo放入坩埚中，关闭炉体，拧紧各紧固件。检查各设备以及各个阀门是否处于关闭状态。先打开电源总闸和循环水阀门；再依次打开设备上循环水电源开关、电源开关，待设备正常运行后，打开控制柜最下方的分子泵电源开关。

(2) 抽真空阶段

在设备运行稳定后，开启炉体阀门和机泵开关电源，按下红色按钮启动压力显示屏，开始第一极抽空处理。在抽空环节，操作人员利用扳手将炉体盖表面的紧固件、下部密封件紧固处理，达到密封性要求。等炉体内压力达到1.1个大气压之后，依次打开分子泵阀门、分子泵开关；关闭炉体阀门，关闭机泵开关，利用分子泵进行第二级抽真空。等炉体内压力达到1.1个大气压之后，依次关闭分子泵阀门、分子泵按钮开关，关闭红色指示器按钮。自此，设备抽真空完毕。

然后，打开放气阀门向抽完真空的炉体内冲入高纯氩气到一个大气压左右。

重复以上步骤2到3次保证炉体内不含有残留空气。

(3) 熔炼阶段

设备抽真空完毕后为熔炼阶段。待熔炼的合金原料混合物

已提前放入炉体坩埚内。通过应用摇杆以及摇杆的手轮进行电极移动，使得电极和坩埚电极对应，距离控制在1cm左右。将防护玻璃板盖上，调整好电流，并开展进行金属熔炼操作。按下红色开启按钮，顺时针转动摇杆手轮以确保炉体的电极和引弧接触，在起弧后及时通过手轮转动以实现电极分离，再通过摇杆把移动电极移开，以预防出现坩埚电极损坏的情况。上述各个操作中，通过观察镜完成。

准备工作完成后，利用电弧进行熔炼操作。最后按下红色关闭按钮，结束一次熔炼。

一次熔炼后，利用机械手翻转坩埚内金属。重复以上步骤反复熔炼金属2到3次，确保熔炼均匀。

当炉体温度下降后，从真空炉下方打开模具通道，取出铜模，试样制备完成。

打开炉体，将炉腔清洗干净。将清洗干净的铜模放回模具通道，拧紧密封盖。待炉腔内清洗完毕吹干后关闭炉体，同时抽真空。抽真空完毕后，依次关闭控制柜上分子泵开关，循环水开关，外部循环水阀门，电源总闸。检查设备各开关，阀门处于正确的启闭状态，填写实验记录。

为保证所熔炼合金的纯度，熔炼期间应特别注意:

(1) WK型非自耗真空电弧炉在投入使用后，应做好清洁处理，还要预防发生内部污染的问题，且停止工作后应及时进行抽真空处理；在每一次熔炼开始前，应把坩埚表面、真空室清理干净，避免因为内部发生反应出现杂质的问题，影响合金的性能。

(2)在生产时应用的保护气体纯净度合格，一般为氩气，且充入前应保持真空度在5×10-3（Pa）以上。此外，钨极头应达到洁净性标准，表面不会粘附其他的金属元素，否则容易导致合金被污染。

32硬度实验及结果分析

硬度实验在HRS-150数显洛氏硬度计上进行，洛氏硬度原理如图1所示。

图 1 洛氏硬度原理图

洛氏硬度是按照指定条件，把压头分两个步骤压入到待检测的表面。将主试验压力去除之后，在规定的试验压力之下，测量压痕残余深度h，做好数据记录。根据h深度的大小，可以反映出硬度的高度，在图中1反映出在初始压力F0下深度尺寸，2为总压力F0+F1下的深度尺寸，3为主试验压力F1后的弹性回复深度，4为残余压入深度h，5为试样表面，6为基准面，7为压头位置。

在硬度测试中，使用的是1.588mm的钢球，系统会提供100公斤力，压力保持10s。首先将需要检测的试样放置在台上，顺时针进行手轮升降，缓慢下放压头，持续性旋转升降手轮，按照要求将硬度值的数字从100.0不断的升高，当该数值达到365.0及以上，电磁制动器将手轮锁紧，这样就完成初始压力的确定，然后通过硬度计自动完成上述操作。在硬度值读取后，逆时针旋转升降手轮，下降试样台，显示器数值变化为100.0，这样就完成了一整套的试验流程。按照上述操作步骤继续打点，每个试样打点5个，并求出其平均值。

随着合金中Sn含量的增加，晶格畸变的程度增加，因此硬度增加。结合Fe-Sn相图可以看出，在将Fe-Sn合金放入1000℃温度下热处理时，随着晶界上Fe-Sn相分解和Sn原子溶于α-Fe，这样就会造成α-Fe内部硬度会不断的上升，体现出固溶强化的变化趋势。这是因为在Sn逐步的融入到机体内后，α-Fe机体内组织位错密度呈现出上升的趋势，晶格畸变会更加严重，最终使得α-Fe硬度的增大。在最初时，因为Sn原子都出现在晶界周边区域，晶界部位上Sn浓度相对较高，而铁原子会出现偏聚的情况，这样的情况下晶界部位上位错浓度升高，晶格畸变也会更加严重，这样晶界部位的浓度会超过晶内。按照扩散理论，在固溶时间逐步延长的情况下，晶界位置上的原子会缓慢的扩散到晶内，这样就会使得位错密度的增大，晶格畸变严重，固溶体也会逐步遍布均匀，硬度增大。

4 结论

(1)  Sn加入纯铁后，会在晶界附近发生明显的偏析，并且偏析量随着合金中Sn元素含量的增加而增加；Mo加入纯铁后，偏析比较轻微。

(2)  随着Sn加入的百分含量的增加，Fe-Sn合金的硬度随之增大。

(3)  Sn、Mo的加入都会增加纯Fe的d电子数。

(4)  Sn加入后，合金中晶界处的3d电子占据态密度越高，即晶界处铁d电子数越多；在Fe-Sn合金中加入Mo元素，可以抑制由Sn引起的d电子数增加。

参考文献：

[1] 耿明山，等．低合金钢残余元素Cu-As-Sn的晶界偏析对晶间脆性断裂的影响[J]．特殊钢．2009．04：14-16

[2] 赵振业．合金钢设计[M]．北京：国防工业出版社．1999

[3] 郭亮．合金成分对低碳高合金钢组织与性能影响的研究[D]．2005．合肥工业大学硕士论文