稀土形核劑對不銹鋼的強化研究

成綿龍（廣東產品質量監督檢驗研究院，廣東 佛山 528300）

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稀土形核劑對不銹鋼的強化研究

成綿龍
（廣東產品質量監督檢驗研究院，廣東 佛山 528300）

摘 要：本試驗旨在探究形核劑為稀土元素Ce時加入形核劑量與單相奧氏體鋼力學性能的關系。所選取的研究對象為單相奧氏體鋼1Cr17Mn6Ni5N，實驗用鋼經前處理后，通過觀察不同稀土含量的研究試樣在光學顯微鏡下的組織，并通過屈服強度、抗拉強度、延伸率及斷面收縮率為表征指標來評價其機械性能。從而研究稀土元素Ce對單相奧氏體不銹鋼的組織及力學性能的影響。分析得出：在一定范圍內，隨著稀土元素Ce加入量的增加，單相奧氏體不銹鋼中細化晶粒，改變碳化物形態，減少碳化物偏聚，提高鋼的強度。

關鍵詞：稀土元素；不銹鋼強化；形核劑

奧氏體不銹鋼在工業與日常生活中有多種應用：在最近的時代里，不銹鋼被廣泛用于各個領域。因其組分決定著其耐蝕性，如何在維持組分不變的前提下更大限度的提升其力學性能以成為目前冶金領域的重要課題。基于以上前提并結合現有技術水平，細化材料晶粒為最有效的手段之一，而目前細化晶粒的方法為：

（1）加入形核劑以增加形核率；

（2）適當加大過冷度；

（3）振動處理：可采用機械振動，超聲波振動來細化晶粒；

（4）通過熱處理進行加熱奧氏體化完成時得到細小晶粒；

鑒于以上方法的可行性，本實驗選用稀土元素Ce作為單相單相奧氏體鋼1Cr17Mn6Ni5N（牌號201）的形核劑，通過加入量的不同來評價其與機械性能的關系。

1 試樣的前處理

1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼熱處理后為單相奧氏體，本實驗選取其為試驗標的目的為便于后續觀察其晶粒大小。Ce的加入方式種類較多，本試驗考慮為使其固溶量最大，吉布斯自由能ΔG最高（本實驗吉布斯自由能模型選取ΔG=UTS+pV），故選擇真空冶煉方式加入。試樣的制備為1Cr17Mn6Ni5N鋼中加入相應的稀土元素Ce，使Ce元素固溶在1Cr17Mn6Ni5N的基地中。因為稀土的固溶量通常為10～1000ppm，以此標準來指導加入量，從而加入量不宜過大，本實驗選擇適當的濃度梯度進行研究，故選擇0、0.1%、0.5%、1%的濃度最為穩妥。具體成分表見表1。

表1 冶煉配料化學成分（Wt%）

圖1 含Ce量不同的1Cr17Mn6Ni5N顯微組織

研究試驗標的為大類上屬于奧氏體不銹鋼，冶煉缺陷無法避免，為產品性能考慮，同時便于研究的后續進行，需要對研究樣品進行熱鍛處理消除組織缺陷，并后續進行熱處理。熱處理的目的是提高材料的均勻一致性并消除部分碳化物組織，同時消減部分樣品鋼的內應力以便后續的熱加工進行，上述過程滿足需要后需進行固溶處理以滿足鋼的使用性能。

2 試驗過程與結果

含有稀土元素Ce的不銹鋼組織結果如圖1所示，通過觀察及為單相奧氏體組織，符合預期目的。圖1（a）是試驗采用的1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼固溶處理原始組織。試驗的腐蝕劑為：10mL濃鹽酸+5g苦味酸混合至均勻后加無水乙醇稀釋至100mL。腐蝕時間T=5s。

圖1中的（a），（b），（c），（d）是稀土元素Ce質量分數為0%（未加入）、0.1%、0.5%、1%的顯微組織，通過對晶粒度及晶粒度尺寸的生長趨勢可以得出結論：隨著稀土元素Ce質量分數的逐漸遞增，可以較為直觀的觀察出晶粒度與Ce質量分數的正相關性。進一步說明材料中形核核心數量與Ce質量分數亦呈現相應的正相關性，形核功降低從而導致形核更易。鑒于所測試樣品的組織為單相奧氏體，對于奧氏體晶粒度而言其影響因素有受多方面制約，如鋼的組分含量，加熱的速度與保溫的時間，熱處理水平梯度溫度及穩定性。因為在本試驗中需嚴格摒棄其他因素的作用，在維持冶煉因素與熱處理因素相同的同時，亦對加熱保溫時間、溫度控制、熱處理加熱速度進行嚴格的控制以保持其一致性?；谏鲜鲫U述，目前參數改變最大的即為組分含量，故判斷參數的變化皆以組分含量為原因。比較各種因素，Ce為試驗用鋼成分中差異性最大的元素。而Ce屬于稀土元素較為活潑，故其與非金屬元素形成的化合物更為穩定。冶煉工藝中所存在的雜質元素多為S、P，而其化合物CeS的熔點為2450℃。如此高的溫度在金屬凝固中更易形成形核核心，從而對其晶粒度產生影響。

圖2 試樣的強度性能指標

圖3 試樣的延伸性能指標

關于強度的測定，擬選取試樣的屈服強度、抗拉強度、延伸率及斷面收縮率為表征指標，對應得到測定試樣的屈服強度Rel、抗拉強度Rm、斷后伸長率A及斷面收縮率Z。本試樣采用5倍標距圓柱試樣，其中：拉伸有效距離為50mm，試樣直徑為10mm，工作段長度為70mm。結果如圖2和圖3所示可以看出：屈服強度隨著稀土元素含量Ce的增加而增加，并呈現相應的線性正相關關系，這說明不銹鋼試樣產生永久變形的抗力逐漸增加；抗拉強度隨著稀土元素含量Ce抗拉強度也逐漸升高，呈現的線性關系較屈服強度更為明顯，這說明其抵抗斷裂的能力增加，即抵抗塑性變形的能力大幅度提高。

結論

基于對稀土元素Ce對1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼的組織與力學性能的影響，得出如下的結論：

（1）通過對樣品的金相組織分析與觀察，在樣品中加入稀土元素Ce后，晶粒度大小有增加的趨勢。對于其成分而言，主要是以Ce元素的高熔點化合物；宏觀上分析，其晶粒的尺寸會隨著Ce含量的增加而減小。

（2）加入稀土元素Ce后，不僅使得1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼的強度有所提高，而且使得塑性得以改善。這種現象得益于稀土元素Ce加入1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼中后能夠細化晶粒，改善鋼的性能。

參考文獻

［1］尹燕.新型不銹鋼中稀土強化及耐腐蝕性能機理研究［D］.南京理工大學，2008.

中圖分類號：TG142

文獻標識碼：A