稀土对低硫钢性能和组织的影响

稀土对低硫钢性能和组织的影响朱兴元陈邦文曾静朱天佑林勤摘要研究了稀土对低硫(S＜0.005%)钢性能和组织的影响，研究结果表明，稀土元素的加入可大大改善钢的冲击韧性，而不影响钢的组织类型，但可使钢中铁素体数量增加，珠光体数量减少，晶粒度级别略有提高。关键词稀土低硫钢性能BehaviourofRareEarchinLow-SulphurSteelZhuXingyuanChenBangwenZengJing(WuhanIron%SteelCorp.)ZhuTianyouLinQin(UniversityofScience&TechnologyBeijing)AbstractThispaperpresentsstudyontheeffectofrareearthonthepropertiesandstructuresoflow-sulphursteel.Theresultshowsthatimpact.toughnessofsteelcanbegreatlyimprovedbyaddingrareearth.Rareearthdoesnotaffectthestructuresofsteel,butitcanincreasetheferriteamountandreducethepearlitemagnitudeaswellasimproveslightlythegrainsizelevel.Keywordsrareearthlow-sulphursteelproperty1前言稀土在冶金工业中尤其是钢中的应用是一个古老而新兴的课题，稀土在钢中的作用主要表现在三个方面［1］，即净化钢液：脱氧、脱硫、减少钢中夹杂物和降低磷、硫、砷、锑、铋、铅、锡等元素的有害作用。变质夹杂。改变夹杂物的组成形态和性质：微合金化：稀土与碳、氮、氢及其他合金元素的交互作用，稀土在钢中的固溶和对凝固、晶界、相变、组织等的影响，当钢中［S］在0.015%左右时，主要表现为稀土和硫的作用，在这种情况下用钢中的RE/S作为主要控制参数，近年来，随着冶炼技术水平的提高，钢中［O］、［S］等含量不断下降，使得低硫钢的产量不断增加，因此本研究主要开展稀土对低硫钢作用的研究，探寻稀土在低硫钢中的作用规律，探讨不同稀土含量对低硫钢的组织、性能的影响。2试验条件和试验方案试验钢在50kg真空感应炉中冶炼，稀土为含铈量大于99%的纯铈金属，稀土在冶炼终点和出钢前加入，试验钢的基本成分设计参照工业管线用钢，其化学成分的平均值见表1。表1稀土微合金钢化学成分(w)/%编号SiMnPCSRE10.2721.230.0150.1130.00385020.1981.20.0160.0650.003750.010530.2991.220.0160.0690.00420.016040.1921.230.0160.0610.00450.047550.1681.320.0160.0590.00310.0810试验钢先采用铝线进行脱氧处理后使用氩气保护注锭，钢锭为50kg的圆锭，钢锭在1200℃加热保温2h，在小轧机上进行两阶段控轧，开轧温度1150℃，再结区轧制温度为1000℃～1150℃，非再结晶区轧制温度为800℃～950℃之间进行。3试验结果及讨论3.1稀土对钢的力学性能的影响3.1.1稀土对钢的屈服点、抗拉强度的影响试验钢的横向、纵向屈服点及抗拉强度平均值见表2所示。表2稀土微合金钢的屈服点及抗拉强度编号横向屈服点/MPa横向抗拉强度/MPa横向屈强比纵向屈服点/MPa纵向抗拉强度/MPa纵向屈强比13034500.6722934450.65723384300.7853234250.75933034150.7292854100.69542904030.7202753980.69252653950.6712734000.681由表2可见，一定量的稀土加入可使钢的纵横向屈强比略有提高，加入过多的稀土含量则屈强比又下降，随着稀土含量的增加，钢的纵向屈服点和抗拉强度都呈下降趋势［2］，当稀土含量达到一定程度后，钢的强度均匀性则得以改善，这是因为稀土对钢的强度的影响是复杂的，一方面，稀土净化钢液，与N、P交互作用，减少珠光体数量等使用，会导致强度的降低，另一方面，稀土在钢中固溶，减少珠光体片层间距，稀土细化晶粒及促进碳氮化物沉淀相析出等作用，有利于强度的提高［3］。3.1.2稀土对钢的延伸率、断面收缩率及冷弯的影响表3为试验钢的横向与纵向延伸率及横向断面收缩率的结果,由表可以看出,稀土元素的加入可以改善钢的横向延伸率［4］,其对纵向延伸率及断面收缩率的影响不显著,而180°d=a宽冷弯结果表明,纵向冷弯试验基本完好,而横向冷弯则出现了分层、裂纹等,这可能与加入过量稀土而形成链串状稀土氧化物夹杂有关。3.1.3稀土对钢的冲击功的影响图1～图3分别为-40℃、-60℃、-78℃时不同稀土加入量引起的试验钢低温横向冲击功平均值的变化,图4～图6则分别为其对应的纵向冲击功平均值的变化,由图可见,随着稀土含量的增加,横向冲击功的数值先是迅速增加而后则缓慢下降,在稀土含量为0.015%～0.035%时会出现一峰值,其变化呈现出抛物线形态的变化规律,这说明一定量的稀土加入量可以提高钢的冲击韧性值;而纵向冲击功则随着稀土含量的增加急剧增加,当稀土含量＞0.015%时纵向冲击功则呈现出对温度的不敏感趋势,降低了脆性转变温度,这也进一步说明稀土对冲击韧性,尤其是低温冲击韧性有显著的改善。表3各组试验钢的横向与纵向延伸率及横向断面收缩率编号横向延伸率/%横向断面收缩率/%横向冷弯试验180°d=a纵向延伸率/%纵向冷弯试验180°d=a1-13070完好38完好1-23271完好35完好2-14267完好34完好2-23273裂纹32完好3-13356完好36完好3-24076完好38完好4-13670完好36完好4-23578微裂纹37表皮撕开5-13277完好36完好5-23577裂纹35完好3.2稀土对钢的各向异性的影响试验钢的屈服点、抗拉强度及冲击功的各向异性见表4所示,从中可见,稀土的加入明显地改善钢冲击功的各向异性;因为稀土元素的加入可以在钢中形成球状稀土硫化物夹杂,从而降低了夹杂物对钢的异向性,达到改善钢的各向异性的目的［4］。表4各组试验成分的各向异性(横向/纵向)编号屈服点比抗拉强度比20℃冲击功比0℃冲击功比-20℃冲击功比-40℃冲击功比-60℃冲击功比-78℃冲击功比11.03421.0110.6220.6590.4450.491.1360.321.04651.0120.9790.9971.0161.0150.7250.16431.06141.0120.8640.8610.8890.9410.9430.59441.05451.0130.9610.7550.8871.0230.4760.47450.97250.9880.8260.7370.6580.7080.4260.263图1-40℃时稀土与横向冲击功Ak的关系图2-60℃时稀土与横向冲击功Ak的关系图3-78℃时稀土与横向冲击功Ak的关系图4-40℃时稀土与纵向冲击功Ak的关系图5-60℃时稀土与纵向冲击功Ak的关系图6-78℃时稀土与纵向冲击功Ak的关系3.3稀土对钢的组织及夹杂的影响稀土的加入引起钢的组织及夹杂的变化如表5及照片1～2所示,从表及照片中可以看出加入稀土金属后,钢的组织并没有发生多大的变化,其组织全部为铁素体+珠光体,但随钢中稀土含量增加,铁素体数量增多,珠光体数量减少,晶粒度级别略有提高,即钢中的晶粒变得更细,这与有关文献报道相吻合［5］。究其原因是由于稀土降低了碳在铁素体中的活度,增大了铁素体的溶碳能力,从而对组织中珠光体含量产生了减少影响［6］。稀土细化晶粒的实质,在于稀土为表面活性物质,固溶稀土主要分布在晶界,降低了奥氏体晶界的界面张力和晶界能,使晶粒长大的驱动力减小,把晶粒长大移到了更高的温度范围,从而达到了细化晶粒的目的。值得注意的是由表5可见,在含碳量较低的低硫钢中,随着稀土加入量的增加,钢中夹杂物级别提高,钢质纯净度下降;因此根据本次试验钢的数据来看,稀土的加入量宜暂限制在0.016%以下,具体情况还得作进一步探讨与研究。表5试验钢中组织、夹杂及晶粒度评级编号夹杂物级别组织晶粒度1D类细系1.5级铁素体+珠光体混晶表层,次表层11级,心部10级2D类细系2级铁素体+珠光体9.5级3B类细系2.5级铁素体+珠光体10.5级4B类细系4.5级铁素体+珠光体12级5B类细系4级铁素体+珠光体10级图71号成分试样的组织及晶粒度100×(未加稀土)图82号成分试样的组织及晶粒度10×(加入稀土±0.0105%)4结论(1)稀土可提高钢的纵横向屈强比,但加入过多的稀土含量则屈强比又下降工,随着稀土含量的增加,钢的纵向屈服点和抗拉强度都呈下降趋势,当稀土含量达到一定程度后,钢的强度均匀性则得以改善。(2)稀土可改善钢的横向延伸率,而对纵向延伸率及断面收缩率的影响不显著。(3)稀土使横向冲击功的数值先是迅速增加而后则缓慢下降,在稀土含量为0.015%～0.035%时会出现一峰值,而纵向冲击功则随着稀土含量的增加急剧增加,当稀土含量＞0.015%时纵向冲击功呈现出对温度的不敏感趋势,一定的稀土加入量可以提高钢的冲击韧性值,尤其是低温冲击韧性。(4)稀土可改善钢冲击功的各向异性。(5)加入稀土金属后,钢的组织并没有发生显著变化,但铁素体数量增多,珠光体数量减少,晶粒度级别略有提高,但随着稀土加入量的增加,钢中夹杂物级别提高,钢质纯净度下降。因此,在低碳低硫钢中,稀土的加入量宜暂限制在0.016%以下,具体情况还须作进一步的试验与研究。联系人：朱兴元，博士生，武汉市(430080)武汉钢铁集团公司技术中心作者单位:朱兴元陈邦文曾静武钢技术中心朱天佑林勤北京科技大学参考文献1林勤.稀土在钢中的作用规律与机理.北京科技大学报,1991,102谢长生、崔.稀土元素在奥氏体热作工具钢中的作用.稀土,1988,(6)3林勤、叶文等.超低硫微合金钢中稀土作用的研究.第五届全国稀土在钢中应用学术讨论会论文集,1995,(10)4余宗森.稀土在钢铁中的应用.北京:冶金工业出版社,19875刘宗昌、李承基.稀土对低碳硅锰钢组织转变的影响.兵器材料科学与工程,1990,(4)6金泽洪、陈方明等.钢中稀土的净化变质作用及对钢组织性能的影响.第四届全国稀土在钢中应用学术讨论会论文集,1992