冷卻方式與稀土元素對低碳高鈮鋼組織與性能的影響

亢業峰++查凱

摘 要：通過顯微組織觀察和組織硬度的測定，研究了不同冷卻方式和稀土元素對低碳高鈮鋼組織和耐腐蝕性能的影響。結果表明：隨著冷卻速率和稀土元素的增加，鋼中組織晶粒平均尺寸減小，耐腐蝕性能提高，且組織趨向均勻，有針狀鐵素體產生。冷卻速率和稀土元素的改變是造成鋼組織和耐腐蝕性變化的主要原因。

關鍵詞：冷卻方式；稀土；晶粒細化；耐腐蝕性

微合金化和控制軋制與控制冷卻技術的有效結合已成為高強高韌鋼的發展方向。鈮作為控制軋制過程中最常用的微量元素，在晶粒細化、沉淀及彌散強化、抑制高溫形變再結晶和擴大奧氏體未再結晶區范圍的過程中起著很重要的作用。而稀土元素通過凈化鋼液、變質夾雜，促進鈮在奧氏體相區固溶和鐵素體相區析出的的作用亦可影響相變和改善組織性能，且鋼中加入稀土元素后，可減少夾雜物數量，從而減少腐蝕源，降低了鋼基體內部的微區域電化學腐蝕，提高了鋼材的耐腐蝕性能。

本文以低碳高鈮鋼為研究對象，進行了冷卻方式和稀土元素對其顯微組織及耐腐蝕性能的研究。

1 實驗材料和方法

利用真空懸浮熔煉爐進行含稀土和不含稀土實驗鋼的制備，充分熔煉后制成直徑約為30mm、中心厚度約為10mm的鈕扣狀鑄樣作為原料進行后續實驗，設計成分如表1所示。

將鑄樣放入高溫箱式電阻爐內，以1℃/s的加熱速度加熱到1250℃后，然后保溫1h，再降溫至950℃，保溫60s后迅速取出，在Φ130軋機上進行3道次軋制，壓下率分別為40%、40%、22%，之后再以緩冷、空冷和噴霧三種形式進行冷卻，最后切割試樣分析。其中一部分小塊試樣鑲嵌后，在沿試樣軋制方向的縱切面上進行磨樣、拋光和4%硝酸酒精腐蝕，最后在光學顯微鏡上進行金相組織觀察；另一部分試樣在NaHSO3溶液中進行電化學腐蝕，對其耐腐蝕性能進行研究。

2 實驗結果分析與討論

2.1 金相組織分析

冷卻速度和稀土元素對金屬組織的影響。不同冷卻方式下1#鋼的顯微組織圖片如圖1所示，從中可以看出，對于相同成分含量的實驗鋼，隨著冷卻速度的提高，其晶粒開始變得細小，組織趨向均勻。當冷卻方式為緩冷和空冷時，晶粒比較粗大，由白色多邊形塊狀鐵素體和黑色片狀珠光體組成。當冷卻方式為噴霧冷卻時，晶粒明顯變小，在晶界處有一些比較細小的等軸狀鐵素體，甚至在晶粒內部也有少量鐵素體析出，而且特別細小，甚至c圖中還出現了小部分針狀鐵素體。用Image-Pro Plus軟件測出的晶粒尺寸分布見圖2，可以看出，隨著冷卻速度增加，晶粒尺寸不同的晶粒個數趨于均勻并且平均晶粒尺寸在減少，由3.5um減小為3.0um，同時粗大晶粒個數隨著冷卻速度增加也在不斷減少，5～20um的由139個減少為35個。這說明，隨過冷度的增加，形核力增強，增加了鐵素體形核位置和形核率，使晶粒細化。

圖3為緩冷狀態下不同成分的鋼的金相組織，從圖a中可看到，組織為黑色片狀珠光體+白色塊狀鐵素體，但從圖b到圖c，隨稀土La含量的增加，晶粒尺寸減小的同時，晶粒由等軸狀向針狀轉變，平均晶粒尺寸由只含Nb的3.5um減少為含有0.012%La的3.0um，圖4為晶粒尺寸分布圖，可見粗大晶粒也在減少，平均晶粒尺寸5～20um的由139個減少為70個。

通過綜合冷卻速度和稀土元素對組織的影響分析可知，對于組織中出現的針狀鐵素體，是冷卻速度和稀土元素共同影響的結果。

2.2 耐腐蝕性能分析

2.2.1 試樣質量損失和腐蝕速率計算

將試樣從腐蝕箱中取出，用一定配比的鹽酸+六次甲基四胺+蒸餾水進行清洗，干燥后并用電子秤稱量，按式（1）和式（2）對質量損失和腐蝕速率進行計算：

ΔW=W0-W1-W2 （1）

（2）

W0——腐蝕試驗前試片的原始質量（g）；

W1——腐蝕試驗后，去除腐蝕產物后的試片質量（g）；

W2——同種材料、同樣尺寸的空白試片在去除腐蝕產物的溶液中的質量損失（g）；

S——試片的暴露面積（dm2）；

t——腐蝕試驗的時間（day）；

2.2.2 冷卻方式與稀土元素對腐蝕速率的影響

通過上述腐蝕速率的計算，經過Origin軟件做出在緩冷和空冷狀態下不同稀土含量的低碳高鈮鋼隨成分的變化關系圖。從圖5中可以看出，只含Nb試樣的腐蝕速率最大，含Nb+0.018%La試樣的腐蝕速率最小，這是由于試樣表面存在許多的活性區域或活性點，這些區和點之間，電位各異，構成大量的微電池，在外界條件的影響下很容易發生電化學腐蝕。而加入稀土La后，稀土元素的滲入，與鋼表層內的雜質元素化合，形成新相如：LaO、LaCO3（OH）、La（OH）3等，改善了鋼表面的狀態，使表面活性點減少或消失，從而提高了鋼的耐蝕性能。在只含Nb鋼中，冷卻方式對腐蝕性能的影響不大，空冷狀態下的低碳高鈮鋼的腐蝕速率略大于緩冷狀態下的低碳高鈮鋼的腐蝕速率，隨著稀土含量的逐漸增加，腐蝕速率逐漸減小，此時，空冷狀態下的稀土鋼的耐腐蝕性能明顯比緩冷狀態下的稀土鋼的耐腐蝕性能好，而且隨著稀土含量的增加，這種差別越來越明顯。顯然，這與空冷和緩冷后試樣的組織性能有關。

3 結論

通過低碳高鈮鋼在不同成分、不同冷卻方式下的組織形態、耐腐蝕性能的觀察、測試和分析，可得出如下結論：

（1）通過金相組織的對比，確認本實驗較好的冷卻方式為噴霧冷卻：實驗鋼中出現了針狀鐵素體，組織趨向均勻，只含Nb的試驗鋼中晶粒平均直徑由3.5um變為3.0um；同樣稀土元素含量的增加使試驗鋼的組織形貌從多邊形鐵素體轉變為針狀鐵素體，且晶粒尺寸在減小。

（2）稀土元素的加入可以降低低碳高鈮鋼的腐蝕速率，且冷卻速度的增大也可降低腐蝕速率。

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作者簡介：亢業峰（1984-），男，滿族，內蒙古呼和浩特人，助理工程師，研究方向：汽車和家電用鋼的研發。endprint