高錳鋼中稀土合金的行為-樸東學(xué)課件

高錳鋼中稀土合金的行為

樸東學(xué)

2012年12月.

淺談高錳鋼中稀土合金的行為0.前言：

隨著高錳鋼的深入研究和生產(chǎn)實(shí)踐，稀土合金在高錳鋼中已得到廣泛應(yīng)用。研究結(jié)果和生產(chǎn)實(shí)踐表明，稀土合金在高錳鋼中的作用主要行為表現(xiàn)在；一是細(xì)化晶粒；二是凈化鋼液改善冶金質(zhì)量；三是較明顯改善和改變鑄態(tài)碳化物形貌和分布；從而改善高錳鋼的鑄造性能和力學(xué)性能，提高耐磨性。稀土的這種作用在鉻系白口鑄鐵、各類耐磨鋼中同樣有明顯效果。因此稀土是個(gè)工程金屬材料中不可忽視的良好的“調(diào)料劑”之一。通過(guò)金相顯微組織觀察和能譜分析儀及表面張力測(cè)定，測(cè)試?yán)煨阅艿龋☉?yīng)力應(yīng)變曲線），初步的揭示了稀土合金在高錳鋼中的行為和作用機(jī)制，借此機(jī)會(huì)向各位同仁匯報(bào)相關(guān)的結(jié)果并與同仁共同探討，請(qǐng)批評(píng)指正。注：文中有些內(nèi)容引用他人的相關(guān)研究結(jié)果。

1.試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法及試驗(yàn)內(nèi)容:

試驗(yàn)用高錳鋼，其化學(xué)成分和稀土硅合金的加入量見(jiàn)表1。1.試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法及試驗(yàn)內(nèi)容:

注：稀土合金中RE含量為20.5%：采用電火花鉬絲切割機(jī)，從標(biāo)準(zhǔn)Y型試塊中取得10mm×10mm×5mm的金相試樣和Ф10x110mm抗拉試樣；用測(cè)定潤(rùn)濕角和潤(rùn)濕高度方法測(cè)定鋼液表面張力；用金相顯微鏡與掃描電鏡觀察鑄態(tài)組織、晶粒與稀土夾雜物的分布與形態(tài)；用能譜儀分析夾雜物組成及含量；在電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)稀土鑄態(tài)高錳鋼進(jìn)行拉伸試驗(yàn)獲得應(yīng)力應(yīng)變曲線（拉伸速度1mm/min）；用掃描電鏡觀察高錳鋼斷口形貌和特征；2#試樣；稀土加入量為0.30%稀土加入量為0.60%圖1不同稀土加入量的高錳鋼鑄態(tài)組織

從1#和2#試樣實(shí)測(cè)鑄態(tài)晶粒度結(jié)果表明，不加稀土高錳鋼晶粒平均尺寸約240~280μm；加入0.3%稀土硅鐵合金的鑄態(tài)高錳鋼平均晶粒尺寸約為184μm；加入0.6%稀土硅鐵合金的高錳鋼平均晶粒尺寸約為190μm；較明顯細(xì)化晶粒。隨著稀土硅鐵加入量的增加（0.3%~0.6%），高錳鋼鑄態(tài)奧氏體晶粒尺寸較明顯減小傾向，但晶粒大小不十分均勻，碳化物明顯減少并呈現(xiàn)粒狀。這是因?yàn)椋?/p>

一是稀土與氧硫親和力較高已形成高熔點(diǎn)稀土氧化物和稀土硫化物及稀土金屬鍵化合物，將增加成為成核質(zhì)點(diǎn)所致（REO2S、Ce2O2S、CeS、Ce2O3）；二是稀土是表面活性物質(zhì)，

加入鋼中將降低相界面的表面張力（減少潤(rùn)濕角和潤(rùn)濕高度），從而促使降低晶核形成功，加快晶核形成速度激劇增加，為細(xì)化晶粒創(chuàng)造良好條件，同時(shí)也加大晶粒的不均勻性；

三是在結(jié)晶過(guò)程中，稀土元素在基體和其他相中分配系數(shù)很小，其表面活性大大增加，

由于稀土的選擇性吸附的結(jié)果，它們大多富集在正在長(zhǎng)大的晶體與鋼液的界面上，

建立起了一層吸附薄膜，這種一層吸附薄膜將阻礙并降低了晶體長(zhǎng)大的傾向和晶體長(zhǎng)大速度，

使鑄態(tài)晶粒得到細(xì)化，同時(shí)稀土易吸附在擇優(yōu)成長(zhǎng)的碳化物[001]晶向，有效限制此晶向成長(zhǎng)速度，使碳化物呈現(xiàn)粒狀。稀土的細(xì)化晶粒的作用與Ti共用時(shí)其效果更顯著(易形成TiN質(zhì)點(diǎn)所致)。

四是隨著稀土含量的增加，將降低易析出碳化物處含碳量，減少碳化物成核質(zhì)點(diǎn)，同時(shí)稀土的選擇性吸附的結(jié)果，吸附薄膜將阻礙正成核將成長(zhǎng)碳化物，從而減少晶界碳化物含量。

圖2是分別加入為0.3%、0.6%稀土硅鐵合金的鑄態(tài)高錳鋼夾雜物的SEM形貌及其對(duì)應(yīng)能譜。2.2稀土對(duì)高錳鋼夾雜物的影響：

稀土的作用:一是脫氧脫硫生成RE2O2S、Ce2O2S、CeS、Ce2O3形成渣上浮,減少硫氧形成夾雜物傾向；二是Re與鋼液低熔點(diǎn)有害元素Pb、As、Bi、Sb、Sn、Zn等生成高熔點(diǎn)金屬化合物,當(dāng)其熔點(diǎn)高于冶煉金屬溫度時(shí)上浮形成渣，同樣減少夾雜物；三是Re的吸附和孕育+變質(zhì)作用細(xì)化夾雜物，同時(shí)有效改善夾雜物形態(tài)和分布；

不加稀土?xí)r的夾雜物圖2不同稀土硅鐵合金加入量高錳鋼的夾雜物SEM形貌及其對(duì)應(yīng)能譜

圖3是加入為0.3%、0.6%稀土硅鐵合金的高錳鋼的稀土夾雜物的SEM形貌。

圖3高錳鋼的稀土夾雜物分布SEM形貌 可看出，加入0.3%稀土硅鐵合金的高錳鋼的稀土夾雜物呈彌散分布；加入0.6%稀土硅鐵合金的高錳鋼的稀土夾雜物出現(xiàn)偏聚，其形狀惡化、尺寸變大、易生成脆性稀土金屬鍵化合物，起不到細(xì)化晶粒及提高強(qiáng)度的作用； 稀土對(duì)高錳鋼的影響具有兩面性。一方面適宜的稀土含量

能夠有效凈化鋼液改善冶金質(zhì)量（有效減少氧含量+氫含量+硫含量等），可細(xì)化晶粒和組織；另一方面過(guò)多的稀土含量，將增加夾雜物含量、惡化其形態(tài)和分布。

2.3稀土對(duì)高錳鋼力學(xué)性能的影響：加入0.3%稀土硅鐵合金高錳鋼的硬度是236HB，加入0.6%稀土硅鐵合金高錳鋼的硬度是220HB。隨著稀土含量的增加（0.3%~0.6%時(shí)），稀土夾雜物尺寸變大，且易聚集成串，易生成脆性稀土金屬鍵化合物，起不到細(xì)化晶粒及提高強(qiáng)度的作用，從而造成強(qiáng)度下降。圖4是不同稀土硅鐵加入量的高錳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線。0.3%RE0.6%RE

圖4不同稀土加入量時(shí)高錳鋼鑄態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5是鑄態(tài)高錳鋼拉伸斷口宏觀形貌（稀土加入量為0.6%）?？煽闯?，晶粒比較粗大，呈石塊或冰糖狀，暗灰色是典型的沿晶脆性斷裂。

圖5高錳鋼拉伸斷口宏觀形貌

圖6是鑄態(tài)高錳鋼拉伸斷口韌窩形貌及其能譜（稀土加入量為0.3%）?？煽闯觯g窩呈等軸狀，韌窩處分布較多的稀土夾雜，在拉伸正應(yīng)力作用下，應(yīng)力在整個(gè)斷口表面分布均勻。在鋼鐵冶煉過(guò)程中，稀土等復(fù)合夾雜偏聚，導(dǎo)致應(yīng)力集中于碳化物，在拉伸過(guò)程中，應(yīng)力垂直于碳化物，導(dǎo)致沿稀土夾雜物處斷裂。圖6高錳鋼拉伸斷口韌窩形貌(a)及其能譜(b)3.小結(jié)：

3.1.通過(guò)試驗(yàn)比較可以看出，加入0.3%稀土硅鐵合金的高錳鋼鑄態(tài)組織細(xì)小均勻，晶粒尺寸約為184μm。稀土能夠有效改善高錳鋼中夾雜物形態(tài)與分布，稀土夾雜物尺寸約3~3.5μm，近似橢圓狀，彌散分布，具有良好好綜合力學(xué)性能（硬度256HB，抗拉強(qiáng)度652MPa，屈服強(qiáng)度420MPa，伸長(zhǎng)率為36.3%）。 3.2.加入0.6%稀土硅鐵合金的高錳鋼,較加入0.3%稀土合金高錳鋼，其強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度是560MPa，屈服強(qiáng)度是309Mpa）、韌性下降尤其是延伸率（伸長(zhǎng)率是4.7%）。稀土夾雜物尺寸變大（4.5~5.0μm），且易聚集成串，易生成脆性稀土金屬化合物，起不到細(xì)化晶粒及提高強(qiáng)度的作用，從而造成強(qiáng)度下降。 3.3.斷口分析結(jié)果表明，加入0.3%稀土硅鐵合金的高錳鋼，其斷口多數(shù)呈韌窩并呈等軸狀，加入0.6%稀土硅鐵合金的高錳鋼，其