微合金化纯净钢中稀土元素的作用.pdf

第6 2 卷第1 期 2 010 年2 月 有色金属 N O n f e i r o n sM e t a l s V 0 1 ．6 2 ，N o ．1 F e b r u a r y ．2010 微合金化纯净钢中稀土元素的作用 储爱民1 ，蒋学智2 ，高春贵3 1 ．湖南科技大学机电工程学院，湖南湘潭4 112 0 1 ；2 ．北方重工集团特殊钢厂，内蒙古包头0 1 4 0 10 ； 3 ．包头钢铁集团公司炼铁厂，内蒙古包头0 1 4 0 1 0 摘 要研究稀土微合金化纯净钢中稀土的作用。采用离子光谱分析和无水电解液低温电解法测定试验钢中的固溶稀土含 量，利用扫描电镜和能潜仪分别观察和测定钢中夹杂物的形貌和成分．用金相显微镜观察钢的淬火组织，并用W A W Y 5 0 0 电液伺 服材料试验机测试热处理后试样的拉伸性能。结果表明，稀土在纯净钢中仍有净化钢液、变质夹杂的作用。纯净钢中稀土的固溶 度可达l O - 。～I O 。4 数量级，固溶的稀土影响了纯净钢淬火组织，细化了晶粒，提高了纯净钢的拉伸性能。 关键词金属材料；纯净钢；微合金化；L a 中图分类号T G l 4 6 ．4 5 4 ；T G l 4 2 ．1 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 1 0 0 1 4 0 4 目前，石油、化工、汽车、造船等行业对材料提出 了更为苛刻的强韧性及焊接性能等要求，加之冶炼、 加工、热处理等工艺的进一步发展，生产高纯净微合 金钢已有可能，也将成为必然趋势1 。随着冶金技 术水平的提高，钢中氧、硫及其他杂质元素的含量可 以达到很低的水平，因此稀土合金化应成为当前稀 土应用研究的重要方向之一【2 。。我国的稀土资源 丰富，发展稀土微合金化钢对弥补我国钢铁企业技 术与装备差距，参与国际市场竞争，具有重要意义。 稀土在钢中的作用机理的深入研究，已相继取得进 展，尤其对稀土微合金化作用机理的进一步研究，必 会极大的拓宽稀土在钢中应用的范围，扩大稀土应 用。通过在纯净钢中加入稀土，分析研究稀土在纯 净钢中的作用。 1实验方法 1 ．1 材料制备 以工业纯铁为原料，稀土添加剂为纯L a 9 9 ．9 ％ ，在2 5 k g 真空感应炉中冶炼稀土含量不 同的三炉纯净钢，化学成分见表1 。冶炼好的试验 用纯净钢锭，加热到1 2 0 0 ℃锻造，锻成宽1 2 5 m m ，厚 1 4 m m 的板，终锻温度大于8 0 0 。C ，锻后空冷。 表1 材料化学成分 T a b l e1C h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft e s t e dm a t e r i a l 1 单位为1 0 6 。 1 ．2 稀土固溶量 在试验钢锻造板上横向制取电解试样，试样几 何尺寸为q b l o m mX1 0 0 m m 。采用离子光谱分析测 定试验钢中的稀土总量，采用无水电解液低温电解 法测定试验钢中夹杂物的稀土含量，二者之差即为 试验钢中的固溶稀土含量。仪器分析精度为1X 收稿日期2 0 0 7 1 0 2 4 作者简介储爱民 1 9 7 5 一 ，男，侗族，湖南怀化人市人．讲师，硕 士，主要从事金属材料及力学性能等方面的研究。 1 0 ～。 1 ．3 稀土夹杂物 在试验钢锻造板上取样，试样尺寸为2 5 r a mX 2 0 m mX1 4 m m ，试样经退火后在扫描电镜上观察稀 土夹杂物，并利用能谱分析夹杂物的成分。 1 ．4 组织 采用钼丝切割机把试样切割成2 5 m mX2 0 r a m X3 m m 的薄片试样，然后将薄片试样进行热处理。 把薄片试样放在S X 。4 一1 0 型箱式电阻炉中加热，采 用到温入炉的方式进行，加热温度为9 5 0 。C ，保温 万方数据 第1 期 储爱民等微合金化纯净钢中稀土元素的作用 1 5 6 0 r a i n ，然后进行淬冰盐水冷却，最后对试样进行金 相分析。 1 ．5 力学性能 从锻造板上纵向取样，加工成q b l o m mX1 2 0 r a m 的试样，在箱式电阻炉内加热到9 5 0 。C ，保温3 0 m i n ， 做正火和淬火 淬冰盐水 热处理。热处理后的试样 在W A W Y 5 0 0 电液伺服材料试验机上做拉伸试验。 2 试验结果与分析 2 ．1 稀土固溶量分析 一般认为，加入钢中的稀土首先与气体、杂质反 应，如钢液纯度低，则加入的稀土将被大量消耗，而 如冶金工艺适宜，脱氧良好，则稀土将主要用于脱 硫、控制夹杂物形态，有少量以固溶体形式留于钢内 发挥有利作用，这些固溶稀土原子往往通过空位扩 散机制优先偏聚在晶界处⋯。纯净钢由于杂质元 素含量少，夹杂物尺寸小，为稀土固溶提供了条件。 而无水电解液低温电解法试验结果表明，1 。和2 。试 图1纯净钢夹杂物的S E M 照片和能谱图 样的夹杂物稀土含量分别为0 ．0 1 0 2 ％和0 ．0 1 3 ％， F i g 1 S E Ma n de n e r g ys p e c t r u m 即纯净钢中稀土的固溶量可达2 ．8X1 0 ～一1 ．6X 0 11 n 州“1 0 n 1 “p u ”砒e e l l u ’。 土处理的纯净钢中夹杂物主要是混合的A 1 O ，和 2 2 变性夹杂物 M n S 。钢中加入稀土后，稀土与夹杂物进行了反应。 稀土在纯净钢中仍有净化钢液，变质夹杂的作 当稀土含量达到0 ．0 1 3 ％时，混合的A I O ，和M n S 用。由试验钢化学成分表1 可以看出，钢中的S 含 夹杂物逐渐分离，不规则的M n s 夹杂基本消失，生 量由于稀土元素L a 的加入，从0 ．0 0 6 ％降到了 成了球状复合的稀土夹杂物。当钢中的稀土含量增 0 ．0 0 3 ％，并且M n 的含量从0 ．0 6 1 ％降到了 加到0 ．0 2 9 ％时，夹杂全部被球状和近球状R E A I O ， 0 ．0 5 6 ％。纯净钢中加入稀土L a ，可以置换原先钢 和R E ，0 S 夹杂取代。 中可能存在的硅酸盐、氧化物、铝酸盐以及硫化锰等 2 ．3 组织 夹杂物中的氧与硫，形成稀土化合物，这些熔点较高 试验所用的冰盐水实际上是1 0 ％的食盐冰水溶 的化合物在钢液凝固前析出，呈细小的质点分布在 液，它几乎没有蒸汽膜阶段，在6 5 0 ～4 0 0 ℃温度范围 钢液中H 1 。图I 是纯净钢夹杂物的S E M 照片和能 内有最大冷却速度，冷却速度远大于水和油，由于在 谱图。 很大的冷却速度下才会发生块状相变，故选择冰盐水 稀土对夹杂物的变性作用随着稀土含量的增加 作为冷却介质。淬火后的试样在金相显微镜下观察 有一个逐渐变化的过程。由图1 可以推知，未经稀 显微组织。图2 是纯净钢的淬火组织金相图。 图2 纯净钢淬火组织金相图 1 0 0 F i g ．2M i c r o g r a p ho fq u e n c h e dm i c r o s t r u c t u r eo fp u f i t ys t e e l 万方数据 1 6 有色金属第6 2 卷 由图2 可以看出，加入稀土后，纯净钢的淬火组 织形貌发生了显著的变化，发现了块状组织。随着 稀土含量的增加，纯净钢的淬火组织由不规则晶界 的大块形状变成了片状。虽然冰盐水的冷却能力非 常强，但不加稀土的0 。样的组织只有少量的块状组 织，而且随着稀土含量的增加，块状组织所占的比例 明显增加，晶粒呈现不规则块状，晶界走向不规则， 界面弯曲，有时呈锯齿状。同时随着稀土含量的增 加，如加稀土的2 。纯净钢的晶粒比0 ’明显细化，与 文献报道的稀土在1 4 M n N b 钢中的结果相似o 。 2 ．4 拉伸试验结果 从理论上来说∞- ，钢中的非金属夹杂物就相当 罡 罨 越 矮 蒸 于钢中的微裂纹，稀土变质处理使钢中非金属夹杂 物尺寸减小且分布均匀，相当于是使钢中的裂纹减 小了，从而加大了裂纹扩展所需的能量，因而使钢的 性能得到了提高。钢中存在少量的固溶稀土，而固 溶态的稀土溶质原子主要存在晶界及位错等缺陷 处，因而材料在塑性变形过程中，会增大晶界及位错 运动的阻力，在试验中的表现为材料强度的提高。 图3 是纯净钢正火态和淬火态的拉伸性能结果。由 图3 可知，稀土L 8 明显改善了纯净钢的强度，且随 着稀土含量的增加，纯净钢的抗拉强度和屈服强度 也随之增强。同时随着冷却速度的加快，纯净钢的 强度增强得很快。 罡 罨 魁 矮 警 睡 O 图3 纯净钢拉伸性能 F i g ．3S t r e n g t h e n i n gp e r f o r m a n c eo fp u r es t e e l l 试样号 3 结论 嘉蠢掌雪翥勰鬻黼 纯净钢中尽管杂质元素含量低，加入稀土后，还微合金化作用，影响纯净钢的淬火组织，细化了晶 是起到了净化钢液和变质夹杂的作用。纯净钢中稀粒，提高了纯净钢强度。 土固溶量达到1 0 ～～1 0 。4 数量级。固溶的稀土偏 参考文献 [ 1 ] 任浩．微合金化高纯净钢及其性能[ J ] ．山东冶金，2 0 0 0 ，2 2 3 4 0 4 4 ． [ 2 ] 朱兴元，陈邦文，林勤．稀土微合金化作用研究现状分析[ J ] ．钢铁研究，1 9 9 9 ，7 4 6 0 6 5 ． [ 3 ] P r z y b y l s k iK ，G a r r a t t - R e e dAJ ，P i n tBA ，e ta 1 ．S e g r e g a t i o no fYt og r a i nb o u n da r i e si nt h eA 1 2O ，s c a l ef o r m e do na nO D Sa l l o y [ J ] ．E l e c t r o - c h e m i c a lS o c 。1 9 8 7 ，1 3 4 3 2 0 7 3 2 0 8 ． [ 4 ] 余景生，余宗森．稀土在钢铁中的应用[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 8 7 1 0 5 1 0 7 ． [ 5 ] 刘勇华．稀土在微合金钢中的应用基础研究[ D ] ．北京北京科技大学，1 9 9 5 3 3 3 5 ． [ 6 ] 哈宽富．金属力学性质的微观理论[ M ] ．北京科学出版社，1 9 8 3 3 6 3 7 ． 下转第3 4 页，C o n t i n u e do nP ．3 4 万方数据 3 4有色金属 第6 2 卷 P r e p a r a t i o na n dC h a r a c t e r i z a t i o no fT i 0 2N a n o p a r t i c l e sD o p e d w i t hV 5 a n dP h o t o c a t a l y t i cA c t i v i t yP e r f o r m a n c e H O UX i n - g a n g ，X U EC a i h o n g ，H O UJ i e S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fG a n s uA d v a n c e dN o n - f e r r o u sM e t a lM a t e r i a l s ，L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，L a n z h o u7 3 0 0 5 0 ，C h i n a A b s t r a c t N a n o m e t e rT i 0 2p o w d e rd o p e dw i t hV 5 i sp r e p a r e db ys o l g e lu s i n gT i O C 4H 9 4a s r a wm a t e r i a l s ．T h e i n f l B e n c e so fa m o u n t so fV “，H N O g l a c i a la c e t i ca c i d ，a n dt e m p e r a t u r eo fc a l c i n a t i o n sa r ei n v e s t i g a t e db yt h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n t s ．T h eo p t i m a le x p e r i m e n tc o n d i t i o n i sg a i n e d ．T h es t r u c t u r ea n dm o r p h o l o g yo fT i 0 2a r e c h a r a c t e r i z e db yX ．r a yp o w d e rd i f f r a c t i o n ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ．T h eo p t i m a lc o n d i t i o ni s t h eq u a n t i t y o ft h ed o p e dV 5 l ％，C H lC O O H0 ．8 m L ，a q u aH N 0 30 ．1m L ，t h et e m p e r a t u r ec a l c i n a t i o n s4 0 0 。C ．T h eT i 0 2 p a r t i c l es i z ei s1 2 ．7 5 n mu n d e rt h i se x p e r i m e n tc o n d i t i o n ．T h ep h o t oc a t a l y t i c a c t i v i t i e so fT i 0 2c a nb ee f f e c t i v e l y i m p r o v e db yd o p i n go fV 5 ．T h em a x i m u mr a t i oo fd e g r a d a t i o no fm e t h y lo r a n g er e a c h e st o7 3 ．4 3 ％． K e y w o r d s i n o r g a n i cn o n ．m e t a lm a t e r i a l ；T i 0 2d o p e dw i t hV 5 ；s o l g e l ；p h o t o c h e m i c a lc a t a l y s i s 上接第1 6 页，C o n t i n u e df r o mP ．1 6 E f f e c to fR Eo nM i c r oA l l o y i n gP u r eS t e e l C H UA i ．r a i n l 。J I A N GX u e - z h i 2 ，G A OC h u n ．g u 3 1 ．S c h o o lo f E l e c t r o 。m e c h a n i s mE n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g yH u n a n ，X i a n g t a n4 1 1 2 0 1 ，H u n a n ，C h i n a ； 2 ．I n n e rM o n g o l i aN o r t hH e a v yI n d u s t r i e sG r o u pC o r p ．L T D ．，B a o t o u0 1 4 0 1 0 ，I n n e rM o n g o l i a ，C h i n a ； 3 ．I r o n ．m a k i n gP l a n tB a o t o uS t e e l G r o u p C o r p o r a t i o n ，B a o t o u0 1 4 0 1 0 。I n n e rM o n g o l i a ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c to fR Ei np u r ea t e e li si n v e s t i g a t e d ．T h es o l i ds o l u 。t i o nR Ei nt e s t e ds t e e li sd e t e r m i n e dw i t hI o n S p e c t r aa n a l y s i sa n da n h y d r o u se l e c t r o l y t el o wt e m p e r a t u r ee l e c t r o l y s i s ．T h ei n c l u s i o nm o r p h o l o g ya n dc o n s t i t u e n t s a r eo b s e r v e da n dd e t e r m i n e db yS E Ma n dE n e r g ys p e c t r u m ，r e s p e c t i v e l y ．T h eq u e n c h e dm i c r o s t r u c t u r eo fp u r i t y s t e e li so b s e r v e db yu s i n gM e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p e ，a n dt h es t r e n g t h e n i n gp e r f o r m a n c eo ft h eh e a tt r e a t e dp u r e s t e e li st e s t e db yt h eW A W ．Y 5 0 0m a t e r i a lt e s tm a c h i n e ．T h er e s u l t ss h o wt h a ti np u r es t e e lw i t he x t r a - l o wd r o s s e l e m e n t ，r a r ee a r t hp l a y sar o l eo fp u r i f y i n gt h em o l t e ns t e e la n dc o n t r o l l i n gi n c l u s i o nm o r p h o l o g y ．T h em o u n to fR E i np u r es t e e li ns o l i ds o l u t i o ni si nt h eo r d e ro f1 0 5t o1 0 ～．T h eq u e n c h e dm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c eo ft h ep u r i t ys t e e li si m p r o v e db yR Ea d d i t i o na n dt h eg r a i ni sr e f i n e d K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；p u r es t e e l ；m i c r o a l l o y i n g ；L a 万方数据