高锰钢中稀土合金的行为-朴东学.ppt

高锰钢中稀土合金的行为 沈阳铸造研究所沈阳铸造研究所 朴东学朴东学 20122012年年1212月月. . 浅谈高锰钢中稀土合金的行为 0 0. .前言：前言： 随着高锰钢的深入研究和生产实践，稀土合金在高锰钢中已得到随着高锰钢的深入研究和生产实践，稀土合金在高锰钢中已得到广泛应用研究结果和生产实践表明，稀土合金在高锰钢中的作用主要广泛应用研究结果和生产实践表明，稀土合金在高锰钢中的作用主要行为表现在；一是细化晶粒；二是净化钢液改善冶金质量；三是较明显行为表现在；一是细化晶粒；二是净化钢液改善冶金质量；三是较明显改善和改变铸态碳化物形貌和分布；从而改善高锰钢的铸造性能和力学改善和改变铸态碳化物形貌和分布；从而改善高锰钢的铸造性能和力学性能，提高耐磨性。

稀土的这种作用在铬系白口铸铁、各类耐磨钢中同性能，提高耐磨性稀土的这种作用在铬系白口铸铁、各类耐磨钢中同样有明显效果样有明显效果因此稀土是个工程金属材料中不可忽视的良好的因此稀土是个工程金属材料中不可忽视的良好的““调料剂调料剂””之一之一 通过金相显微组织观察和能谱分析仪及表面张力测定，通过金相显微组织观察和能谱分析仪及表面张力测定，测试拉伸性能测试拉伸性能等（应力应变曲线），初步的揭示了稀土合金在高锰钢中的行为和作用机等（应力应变曲线），初步的揭示了稀土合金在高锰钢中的行为和作用机制，借此机会向各位同仁汇报相关的结果并与同仁共同探讨，请批评指制，借此机会向各位同仁汇报相关的结果并与同仁共同探讨，请批评指正 注：文中有些内容引用他人的相关研究结果注：文中有些内容引用他人的相关研究结果 1.1.试验材料和试验方法及试验内容试验材料和试验方法及试验内容: : 试验用高锰钢，其化学成分和稀土硅合金的加入量见表试验用高锰钢，其化学成分和稀土硅合金的加入量见表1 11.1.试验材料和试验方法及试验内容试验材料和试验方法及试验内容: : 注：稀土合金中RE含量为20.5%：采用电火花钼丝切割机，从标准Y型试块中取得10mm×10mm×5mm 的金相试样和Ф10x110mm抗拉试样；用测定润湿角和润湿高度方法测定钢液表面张力；用金相显微镜与扫描电镜观察铸态组织、晶粒与稀土夹杂物的分布与形态；用能谱仪分析夹杂物组成及含量；在电子式万能试验机上对稀土铸态高锰钢进行拉伸试验获得应力应变曲线（拉伸速度1mm/min）；用扫描电镜观察高锰钢断口形貌和特征；2.1 2.1 稀土合金对高锰钢金相组织的影响：稀土合金对高锰钢金相组织的影响：图图1 1是分别加入为是分别加入为0.3%0.3%、、0.6% 0.6% 稀土硅铁合金的高锰钢铸态下的金相组织。

稀土硅铁合金的高锰钢铸态下的金相组织2.2.2.2.试验结果试验结果试验结果试验结果通过定量分析结果表明，稀土加入量为通过定量分析结果表明，稀土加入量为0.3%0.3%时，时，稀土的收得率分别是稀土的收得率分别是0.0021%La0.0021%La、、 8 8% Ce% Ce稀土稀土加入量为加入量为0.6%0.6%时，时，稀土的收得率分别是稀土的收得率分别是0.0044%La0.0044%La、、0.054%Ce0.054%Ce 1#1#试样；试样； 稀土加入量为稀土加入量为0.30% 0.30% 稀土加入量为稀土加入量为0.60%0.60% 2# 2#试样；稀土加入量为试样；稀土加入量为0.30% 0.30% 稀土加入量为稀土加入量为0.60%0.60% 图图1 1 不同稀土加入量的高锰钢铸态组织不同稀土加入量的高锰钢铸态组织  从从1#1#和和2#2#试样实测铸态晶粒度结果表明，不加稀土高锰钢晶粒平均尺寸约试样实测铸态晶粒度结果表明，不加稀土高锰钢晶粒平均尺寸约240~280240~280μmμm；加入；加入0.3%0.3%稀土硅铁合金的铸态高锰钢平均晶粒尺寸约为稀土硅铁合金的铸态高锰钢平均晶粒尺寸约为184μm184μm；； 加入加入0.6%0.6%稀土硅铁合金的高锰钢平均晶粒尺寸约为稀土硅铁合金的高锰钢平均晶粒尺寸约为190μm190μm；；较较明显细化晶粒。

明显细化晶粒 随着稀土硅铁加入量的增加（随着稀土硅铁加入量的增加（0.3%~0.6%0.3%~0.6%），），高锰钢铸态奥氏体晶粒尺寸较明显减高锰钢铸态奥氏体晶粒尺寸较明显减小倾向，但晶粒大小不十分均匀，碳化物明显减少小倾向，但晶粒大小不十分均匀，碳化物明显减少并呈现粒状并呈现粒状 这是因为：这是因为： 一是一是稀土与氧硫亲和力较高已形成高熔点稀土氧化物和稀土硫化物稀土与氧硫亲和力较高已形成高熔点稀土氧化物和稀土硫化物及及稀土金属键化合物稀土金属键化合物，，将增加成为成核质点所致将增加成为成核质点所致（（REO2SREO2S、、Ce2O2SCe2O2S、、CeSCeS、、Ce2O3 Ce2O3 ）；）；二是二是 稀土稀土是表面活性物质，是表面活性物质， 加入钢中将降低相界面的表面张力加入钢中将降低相界面的表面张力（减少润湿角和润湿高度），从（减少润湿角和润湿高度），从而促使降低晶核形成功，加快晶核形成速度激剧增加，而促使降低晶核形成功，加快晶核形成速度激剧增加，为细化晶粒创造良好为细化晶粒创造良好条件，同条件，同时也加大晶粒的不均匀性时也加大晶粒的不均匀性；； 三是三是在结晶过程中，稀土元素在基体和其他相中分配系数在结晶过程中，稀土元素在基体和其他相中分配系数很小，其表面活性大大增加，很小，其表面活性大大增加， 由于稀土的选择性吸附的结果，它们大多富集在正在长由于稀土的选择性吸附的结果，它们大多富集在正在长大的晶体与钢液的界面上，大的晶体与钢液的界面上， 建立起了一层吸附薄膜，这种一层吸附薄膜将阻碍并降低建立起了一层吸附薄膜，这种一层吸附薄膜将阻碍并降低了晶体长大的倾向和晶体长大速度，了晶体长大的倾向和晶体长大速度， 使铸态晶粒得到细化，同时稀土易吸附在择优成使铸态晶粒得到细化，同时稀土易吸附在择优成长的碳化物长的碳化物[001][001]晶向，有效限制此晶向成长速度，晶向，有效限制此晶向成长速度，使使碳化物呈现粒状。

稀土的细化晶碳化物呈现粒状稀土的细化晶粒的作用与粒的作用与TiTi共用时其效果更显著共用时其效果更显著( (易形成易形成TiNTiN质点所致质点所致) ) 四是四是随着稀土含量的增加，将降低易析出碳化物处含碳量，减少碳化物成核质点，同时稀土的随着稀土含量的增加，将降低易析出碳化物处含碳量，减少碳化物成核质点，同时稀土的选择性吸附的结果选择性吸附的结果，，吸附薄膜吸附薄膜将阻碍将阻碍正成核将成长碳化物，从而减少晶界碳化物含量正成核将成长碳化物，从而减少晶界碳化物含量 图图2 2 是分别加入为是分别加入为0.3%0.3%、、0.6% 0.6% 稀土硅铁合金的铸态高锰钢夹杂物的稀土硅铁合金的铸态高锰钢夹杂物的SEM SEM 形形貌及其对应能谱貌及其对应能谱2.2 2.2 稀土对高锰钢夹杂物的影响：稀土对高锰钢夹杂物的影响： 稀土的作用稀土的作用: :一是脱氧脱硫生成一是脱氧脱硫生成RE2O2SRE2O2S、、Ce2O2SCe2O2S、、CeSCeS、、Ce2O3 Ce2O3 形成渣上形成渣上浮浮, ,减少硫氧形成夹杂物减少硫氧形成夹杂物倾向；二是倾向；二是ReRe与钢液低熔点有害元素与钢液低熔点有害元素PbPb、、AsAs、、BiBi、、SbSb、、SnSn、、ZnZn等生成高熔点金属化合物等生成高熔点金属化合物, , 当其熔点高于当其熔点高于冶炼金属温度时上浮形成渣冶炼金属温度时上浮形成渣，，同样减少夹杂物同样减少夹杂物；三是；三是ReRe的吸附和孕育的吸附和孕育+ +变质作用细化夹杂物，同时有效变质作用细化夹杂物，同时有效改善夹杂物形态和分布；改善夹杂物形态和分布； 不加稀土时的夹杂物不加稀土时的夹杂物图图2 2不同稀土硅铁合金加入量高锰钢的夹杂物不同稀土硅铁合金加入量高锰钢的夹杂物SEM SEM 形貌及其对应能谱形貌及其对应能谱 由图由图2 (a)2 (a)可知（加入可知（加入0.3%0.3%稀土），含稀土高锰钢试样有稀土复合硫稀土），含稀土高锰钢试样有稀土复合硫化物夹杂，弥散分布，平均尺寸约为化物夹杂，弥散分布，平均尺寸约为3~3.5μm3~3.5μm，呈不规则的椭球状分布；，呈不规则的椭球状分布；由图由图2(b)2(b)可知（加入可知（加入0.6%0.6%稀土），黑色区域是在制样过程中夹杂稀土），黑色区域是在制样过程中夹杂物脱落导致，白色部分是稀土夹杂物，平均尺寸为物脱落导致，白色部分是稀土夹杂物，平均尺寸为4.5~5.0μm4.5~5.0μm，稀土夹，稀土夹杂物呈尖角状与长条形，易导致应力集中，从而导致裂纹的产生，使试杂物呈尖角状与长条形，易导致应力集中，从而导致裂纹的产生，使试样在此处发生断裂。

说明稀土加入量为样在此处发生断裂说明稀土加入量为0.6%0.6%时，就偏高实践表明稀土时，就偏高实践表明稀土残余量最好控制在残余量最好控制在0.025~0.030%0.025~0.030%为宜 稀土和硫亲和力强，稀土加入后能进一步降低钢中硫含量，以形稀土和硫亲和力强，稀土加入后能进一步降低钢中硫含量，以形成高熔点的稀土硫化物，其熔点在成高熔点的稀土硫化物，其熔点在20002000℃℃以上，以细小、粒状、弥散分以上，以细小、粒状、弥散分布于晶内，从而降低了非金属夹杂对高锰钢的有害作用稀土吸附作用布于晶内，从而降低了非金属夹杂对高锰钢的有害作用稀土吸附作用及稀土夹杂物的非均匀晶核作用，阻碍了夹杂物的进一步长大，使夹杂及稀土夹杂物的非均匀晶核作用，阻碍了夹杂物的进一步长大，使夹杂物变得细小圆整，弥散分布，这就削弱了夹杂物对钢的有害作用物变得细小圆整，弥散分布，这就削弱了夹杂物对钢的有害作用图图3 3 是加入为是加入为0.3%0.3%、、0.6%0.6%稀土硅铁合金的高锰钢的稀土夹杂物的稀土硅铁合金的高锰钢的稀土夹杂物的SEMSEM形貌形貌 图图3 3 高锰钢的稀土夹杂物分布高锰钢的稀土夹杂物分布SEM SEM 形貌形貌 可看出，加入可看出，加入0.3%0.3%稀土硅铁合金的高锰钢的稀土硅铁合金的高锰钢的稀土夹杂物呈弥散分布；加入稀土夹杂物呈弥散分布；加入0.6%0.6%稀土硅铁合金稀土硅铁合金的高锰钢的稀土夹杂物出现偏聚，其形状恶化、的高锰钢的稀土夹杂物出现偏聚，其形状恶化、尺寸变大、尺寸变大、易生成脆性稀土金属键化合物，易生成脆性稀土金属键化合物， 起不起不到细化晶粒及提高强度的作用到细化晶粒及提高强度的作用；； 稀土对高锰钢的影响具有两面性。

一方面稀土对高锰钢的影响具有两面性一方面 适适宜的稀土含量宜的稀土含量 能够有效能够有效净化钢液改善冶金质量净化钢液改善冶金质量（有效减少氧含量（有效减少氧含量+ +氢含量氢含量+ +硫含量等），硫含量等），可细化可细化晶粒和组织晶粒和组织；；另一方面过多的稀土含量，将增加另一方面过多的稀土含量，将增加夹杂物含量、恶化其形态和分布夹杂物含量、恶化其形态和分布 2.3 2.3 稀土对高锰钢力学性能的影响：稀土对高锰钢力学性能的影响：加入0.3%稀土硅铁合金高锰钢的硬度是236HB，加入0.6%稀土硅铁合金高锰钢的硬度是220HB随着稀土含量的增加（0.3%~0.6%时），稀土夹杂物尺寸变大，且易聚集成串，易生成脆性稀土金属键化合物， 起不到细化晶粒及提高强度的作用，从而造成强度下降图4 是不同稀土硅铁加入量的高锰钢的应力应变曲线 0.3%RE 0.6%RE 0.3%RE 0.6%RE 图图4 4 不同稀土加入量时高锰钢铸态应力不同稀土加入量时高锰钢铸态应力- -应变曲线应变曲线 可看出，高锰钢拉伸曲线包括弹性变形与均匀塑性变形两个阶段，均表可看出，高锰钢拉伸曲线包括弹性变形与均匀塑性变形两个阶段，均表现出材料屈服后强度随应变直线上升，加工硬化明显，维持较长段的均匀变形现出材料屈服后强度随应变直线上升，加工硬化明显，维持较长段的均匀变形，，达到最高强度后马上失效，基本无颈缩。

加入达到最高强度后马上失效，基本无颈缩加入0.3%0.3%稀土硅铁合金的高锰钢抗拉稀土硅铁合金的高锰钢抗拉强度是强度是652MPa652MPa，屈服强度是，屈服强度是420MPa420MPa，伸长率是，伸长率是36.3%36.3%；加入；加入0.6%0.6%稀土硅铁合稀土硅铁合金的高锰钢抗拉强度是金的高锰钢抗拉强度是560MPa560MPa，屈服强度是，屈服强度是309MPa309MPa，伸长率是，伸长率是4.7%4.7%从而可知，加入知，加入0.6% 0.6% 稀土硅铁合金的高锰钢的强度低于加入稀土硅铁合金的高锰钢的强度低于加入0.3%0.3%稀土硅铁合金的高锰稀土硅铁合金的高锰钢适量稀土能够净化钢液，细化晶粒，改善非金属夹杂物的形状、大小、数量钢适量稀土能够净化钢液，细化晶粒，改善非金属夹杂物的形状、大小、数量、分布，使夹杂物数量减少少量细小的近似圆粒状夹杂弥散分布于奥氏体晶内、分布，使夹杂物数量减少少量细小的近似圆粒状夹杂弥散分布于奥氏体晶内，使夹杂对韧性危害降低到最低程度；过量的稀土加入后，晶粒大小不均匀，稀，使夹杂对韧性危害降低到最低程度；过量的稀土加入后，晶粒大小不均匀，稀土夹杂物出现偏聚，在外界压力作用下，应力易集中于稀土夹杂物处，沿此处断土夹杂物出现偏聚，在外界压力作用下，应力易集中于稀土夹杂物处，沿此处断裂。

裂图图5 5 是铸态高锰钢拉伸断口宏观形貌（稀土加入量为是铸态高锰钢拉伸断口宏观形貌（稀土加入量为0.6%0.6%）可看出，晶粒）可看出，晶粒比较粗大，呈石块或冰糖状，暗灰色是典型的沿晶脆性断裂比较粗大，呈石块或冰糖状，暗灰色是典型的沿晶脆性断裂 图图5 5 高锰钢拉伸断口宏观形貌高锰钢拉伸断口宏观形貌图图6 6 是铸态高锰钢拉伸断口韧窝形貌及其能谱（稀土加入量为是铸态高锰钢拉伸断口韧窝形貌及其能谱（稀土加入量为0.3%0.3%）可看出，韧窝呈等轴状，韧窝处分布较多的稀土夹杂，在拉伸正应力作用下，应出，韧窝呈等轴状，韧窝处分布较多的稀土夹杂，在拉伸正应力作用下，应力在整个断口表面分布均匀在钢铁冶炼过程中，稀土等复合夹杂偏聚，导力在整个断口表面分布均匀在钢铁冶炼过程中，稀土等复合夹杂偏聚，导致应力集中于碳化物，在拉伸过程中，应力垂直于碳化物，导致沿稀土夹杂致应力集中于碳化物，在拉伸过程中，应力垂直于碳化物，导致沿稀土夹杂物处断裂物处断裂图图6 6 高锰钢拉伸断口韧窝形貌高锰钢拉伸断口韧窝形貌(a)(a)及其能谱及其能谱(b)(b)3.小结： 3.1.3.1.通过试验比较可以看出，加入通过试验比较可以看出，加入0.3%0.3%稀土硅铁合金的高锰钢铸态组织细小稀土硅铁合金的高锰钢铸态组织细小均匀，晶粒尺寸约为均匀，晶粒尺寸约为184μm184μm。

稀土能够有效改善高锰钢中夹杂物形态与分布，稀土能够有效改善高锰钢中夹杂物形态与分布，稀土夹杂物尺寸约，近似椭圆状，弥散分布，稀土夹杂物尺寸约，近似椭圆状，弥散分布，具有良好好综合力学性具有良好好综合力学性能（硬度能（硬度256HB256HB，抗拉强度，抗拉强度652MPa652MPa，屈服强度，屈服强度420MPa420MPa，伸长率为，伸长率为36.3%36.3%）3.2.3.2.加入加入0.6%0.6%稀土硅铁合金的高锰钢稀土硅铁合金的高锰钢, ,较加入较加入0.3%0.3%稀土合金高锰钢，其强度（抗拉强度稀土合金高锰钢，其强度（抗拉强度是是560MPa560MPa，屈服强度是，屈服强度是309Mpa309Mpa）、韧性下降尤其是延伸率（伸）、韧性下降尤其是延伸率（伸长率是长率是4.7%4.7%）稀土夹杂物尺寸变大（），且易聚集成串，易生成）稀土夹杂物尺寸变大（），且易聚集成串，易生成脆性稀土金属化合物，脆性稀土金属化合物， 起不到细化晶粒及提高强度的作用，从而造成强度下降起不到细化晶粒及提高强度的作用，从而造成强度下降3.3.3.3.断口分析结果表明，加入断口分析结果表明，加入0 0.3%.3%稀土硅铁合金的高锰钢，其断口多数呈韧窝稀土硅铁合金的高锰钢，其断口多数呈韧窝并呈等轴状，加入并呈等轴状，加入0.6%0.6%稀土硅铁合金的高锰钢，其断口多数呈石块或冰糖状，稀土硅铁合金的高锰钢，其断口多数呈石块或冰糖状，是典型的沿晶脆性断口。

是典型的沿晶脆性断口3.4.3.4.研究结果和生产实践表明，稀土合金在高锰钢中的作用主要行为表现在；研究结果和生产实践表明，稀土合金在高锰钢中的作用主要行为表现在；一是细化晶粒；二是净化钢液改善冶金质量；三是较明显改善和改变铸态碳化物一是细化晶粒；二是净化钢液改善冶金质量；三是较明显改善和改变铸态碳化物形貌和分布；从而改善高锰钢的铸造性能和力学性能，提高耐磨性形貌和分布；从而改善高锰钢的铸造性能和力学性能，提高耐磨性高锰钢中稀土的残余量，最好控制在高锰钢中稀土的残余量，最好控制在0.025~0.30%0.025~0.30%为宜 总之稀土能除去高锰钢液中总之稀土能除去高锰钢液中O O、、H H等气体和对非金属夹杂物进行变质和去等气体和对非金属夹杂物进行变质和去除，除， 使夹杂物性质、形状和分布得到细化和改善；稀土在钢液中改善碳化物使夹杂物性质、形状和分布得到细化和改善；稀土在钢液中改善碳化物不均匀度不均匀度，，细化晶粒；细化晶粒； 稀土元素易富集于晶界稀土元素易富集于晶界, , 消除降低消除降低S S、、P P杂质在晶界偏杂质在晶界偏聚聚，， 提高铸钢塑性与韧性；提高铸钢塑性与韧性； 稀土以脱气剂、稀土以脱气剂、变质剂和生核剂形式加入钢液中，变质剂和生核剂形式加入钢液中，稀土化合物在钢液中先形成固态质点，稀土化合物在钢液中先形成固态质点，形成结晶核心形成结晶核心，， 加快凝固速度加快凝固速度，， 消除消除铸态柱晶组织，降低淬火裂纹倾向铸态柱晶组织，降低淬火裂纹倾向。

稀土在钢中有一定固溶度稀土在钢中有一定固溶度( ( 0.02%~0.05%) , 0.02%~0.05%) , 与与FeFe形成置换式固溶体，引起球形对称畸变形成置换式固溶体，引起球形对称畸变, , 起到固溶强化起到固溶强化作用；稀土易与作用；稀土易与FeFe或其它合金元素或杂质形成化合物或其它合金元素或杂质形成化合物，， 增强原子间结合力增强原子间结合力，， 阻碍位错运动阻碍位错运动, ,，，达到晶界强化微合金化作用达到晶界强化微合金化作用 以上几点仅供参考以上几点仅供参考. .欢迎批评指正欢迎批评指正 谢谢各位！谢谢各位！。