稀土對含鎳低碳鑄鋼組織和性能的影響

姜延亮　郭海龍　郭二軍　馮義成

摘要：以含鎳低碳鑄鋼為研究對象，通過改變一號稀土加入量，經過金相組織觀察、拉伸試驗、沖擊試驗、夾雜物形貌分析、能譜分析等，研究RE含量變化對鑄鋼試樣組織和性能的影響.研究結果表明：鑄鋼試樣經調質處理后，組織為細小回火索氏體，存在少量鐵素體.隨著一號稀土質量分數增加，回火索氏體含量增多，晶粒尺寸減小；長條狀或者尖角狀夾雜物減少，稀土夾雜物主要是以球狀或者近球狀的形態存在，大小在5～10um，抗拉強度、屈服強度和布氏硬度總體上呈現不斷增加的趨勢，在一號稀土含量為0.5%時，其值最高，抗拉強度為905.2MPa，屈服強度為776.7MPa，布氏硬度為274沖擊功先增加后降低，一號稀土質量分數在0.3%時，沖擊功值為80J。

關鍵詞：一號稀土；鑄鋼；顯微組織；力學性能；夾雜物

DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.023

中圖分類號：TGl42

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683（2016）06-0123-04

0.引言

鐵路貨運作為當今最為重要的一種貨運方式，隨著其規模的不斷擴大與發展，貨車載重量的持續增加和運行速度的不斷提高，列車各部件承受的載荷也越來越大，貨運列車的安全運行更顯得重要，車鉤作為一種用于車輛與車輛，機車與機車或動車與動車相互連接，隨著運行條件日益惡劣，鉤體經常出現裂紋等失效現象，尤其是在北方，它既要經受低溫的考驗，還要承受沖擊、拉伸、彎曲等多種復雜的作用力，并經常受到較為嚴重的相對摩擦，這些已然成為鐵路運輸安全的重大隱患，其材質的要求被不斷提高，開發研究變得刻不容緩，研制出具有較高綜合性的車鉤材料便具有重要意義。

稀土在鋼中的作用主要是4點：細化晶粒、變質夾雜物、凈化鋼液和微合金化的作用，稀土元素可以顯著提高鑄鋼性能，因此，本文采用一號稀土為變質劑，研究一號稀土加入量對含鎳低碳鑄鋼組織和性能影響，為開發適宜于車鉤用高強韌鑄鋼材料提供指導。

1.試驗材料及試驗方法

制備鑄鋼試樣選用的都是優質原材料，包括45*鋼、純鐵（Fe≥99.997%）、低碳鉻鐵、鉬鐵、錳鐵、硅鐵、純鎳、工業純鋁、純銅等。

制備試樣所需鋼水采用160kW中頻感應爐（型號為GWJ-0.25）熔煉，在配料的過程中要考慮si和Mn元素的燒損率，確保試樣成分一致性.根據積累的試驗數據資料，確定si元素燒損率為16%，Mn元素燒損率為10%，c及其他合金元素不計燒損，配料時加入0.04%的Al終脫氧.制定的實驗方案如表1所示。

熔煉過程中的加入原材料順序為純鐵→45*鋼→鉬鐵→鉻鐵→純鎳→純銅→錳鐵→硅鐵，用工業純Al條進行充分的終脫氧，將一號稀土砸制成適當的顆粒大小（直徑大約在6mm）通過包底孕育方式加入，鐵液的出爐溫度在1600～1650℃之間，在1550°C左右進行澆注.其中一號稀土質量分數分別為0%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%.制備的五組鑄鋼試樣為標準梅花試樣.根據文[11]所述，確定鑄態試樣的熱處理工藝：950°C×2h正火+900℃×2h淬火（水冷）+840°C×2h淬火（水冷）+590°C×3h回火（水冷），試樣熱處理在RJx-37-13型箱式加熱電阻爐中進行，化學成分采用直讀光譜儀進行分析.低溫（-400°C）沖擊性能用沖擊試驗機進行測量，沖擊試樣為夏比V型缺口試樣，試樣尺寸為10mm×10mm×55mm.室溫拉伸性能用CSS44300型電子萬能拉伸試驗機測量，拉伸試樣為圓棒，標距范圍內直徑為10mm，標距為50mm，試樣硬度用HB-3000C型布氏硬度計測量.金相組織觀察在OLYMPUS-GX71型金相顯微鏡上進行，金相試樣采用標準金相試樣制備方法制備，腐蝕劑用4%硝酸酒精溶液。

2.實驗結果與討論

2.1一號稀土含量對鑄鋼試樣金相組織的影響

試樣經過調質處理后，不同一號稀土加入量鑄鋼試樣金相組織如圖1所示，從圖中可以看出，鑄鋼試樣經調質處理后，組織為回火索氏體及少量鐵素體；一號稀土加入后，試樣的晶粒得到明顯細化，組織大小均勻，隨著一號稀土加入量的增加，鑄鋼試樣的組織變細，分布均勻，當一號稀土加入量超過0.4%時，組織稍微變大。

細化晶粒的作用機理為：稀土作為表面活性元素可以使表面張力降低，從而降低了形成臨界尺寸的晶核所需要的功，使晶核核心增加，另一方面，稀土為表面活性元素，易富集在結晶前沿，阻止晶粒長大，使鑄態晶粒細化.同時稀土元素沿晶界富集，抑制了奧氏體晶粒的長大，使晶粒進一步細化.而且稀土元素與氧和硫有很強的親和力，能形成高熔點的氧硫復合夾雜物，這些夾雜物以極微細粒懸浮于熔體之中，在鋼液凝固過程中，這些夾雜物可作為非自發形核的核心，使晶粒細化，當稀土添加量過多時，過量的稀土中Ce形成了大量的二元或多元化合物，減弱了稀土原子成分過冷作用，使組織粗化。

2.2一號稀土含量對鑄鋼試樣中夾雜物的影響

圖2為未加稀土鋼中的夾雜物形貌.可知鋼中存在著一些長條或者具有尖角的S-O-Mn相夾雜物，這些鋼的夾雜物破壞了鋼的基體的連續性，當鋼承受沖擊載荷時，夾雜物周圍應力集中，在帶狀夾雜物與基體界面處產生微裂紋，降低鋼的韌性。

圖3～圖5是鋼加入一號稀土后的夾雜物形貌和能譜.其中多為O-S-Ce，O-Al-Ce和Ca-S-Ce相.加入稀土后夾雜物變細小圓形含有Ce元素的復雜氧化物.夾雜物尺寸變小，一般大小在5～10um，沒有長條和尖角，改善了形態，可改善材料的性能，

2.3一號稀土含量對鑄鋼試樣力學性能的影響

不同一號稀土加入量的鑄鋼試樣經調質熱處理后，力學性能測試結果如表2所示。

從實驗結果可知：隨著一號稀土質量分數從0到0.5%不斷增加，抗拉強度和屈服強度總體上呈現不斷增加的趨勢，在含一號稀土為0.5%時，抗拉強度和屈服強度最高，抗拉強度為905.2MPa，屈服強度為776.7MPa，隨著一號稀土質量分數從0.2%到0.3%增加，延伸率逐漸增大，質量分數從0.3%到0.4%增加，延伸率逐漸降低，質量分數從0.40%到0.50%增加，延伸率增加.隨著一號稀土質量分數從0.2%到0.3%增加，斷面收縮率逐漸增大，質量分數從0.3%到0.4%增加，斷面收縮率逐漸降低，質量分數從0.4%到0.5%增加，斷面收縮率增加.這是因為隨著含一號稀土量的不斷增加，試樣組織中的回火索氏體組織增多，回火索氏體是由滲碳體和鐵素體組成，導致滲碳體質量分數增加，滲碳體增多可使試樣具有較高的強度，但塑性較差，因此力學性能上總體上表現為試樣的屈服強度、抗拉強度增加，一號稀土質量分數在0.4%時鋼中的稀土夾雜物開始聚集，因此顆粒尺寸較大，鑄鋼的延伸率和斷面收縮率下降，這是由于稀土質量分數增多，鑄鋼中產生的夾雜物較多，夾雜物影響了性能。

隨著一號稀土量從0%到0.3%，沖擊功緩慢升高，沖擊韌性變好.一號稀土質量分數在0.3%～0.5%之間時，隨著一號稀土質量分數增多沖擊功逐漸下降，先緩慢下降，一號稀土質量分數到0.4%后快速下降，沖擊韌性變差.當一號稀土質量分數為0.3%時沖擊韌性最好，沖擊功為80J.當一號稀土質量分數在0.5%時，稀土夾雜物聚集長大，尺寸增大，此時鑄鋼中出現脆性的稀土金屬間化合物，降低鑄鋼的沖擊性能。

隨著一號稀土質量分數從0到0.5%增加，試樣的布氏硬度逐漸升高，先快速增加，到0.3%后增加緩慢，一號稀土質量分數在0.5%時布氏硬度值最大，布氏硬度值為274，稀土元素的化學性質很活潑，可以與鋼中的許多元素發生反應，細化了鑄鋼的組，從而提高了鋼的力學性能。

3.結論

1）試樣熱處理之后組織為回火索氏體，與未加一號稀土試樣相比，適當的加入一號稀土可以細化組織，使組織更加均勻。

2）加入一號稀土后，稀土夾雜物主要是以球狀或者金球狀的形態存在，大小在5～10um，長條狀或者尖角狀夾雜物減少，改善了材料的性能。

3）隨著一號稀土質量分數從0.2%到0.5%不斷增加，抗拉強度、屈服強度和布氏硬度總體上呈現不斷增加的趨勢，在含一號稀土為0.5%時，抗拉強度，屈服強度和布氏硬度最高，抗拉強度為905.2MPa，屈服強度為776.7MPa，布氏硬度為274，隨著一號稀土質量分數增加，延伸率總體趨勢增加，沖擊韌性先緩慢升高，隨后沖擊韌性變差.在一號稀土質量分數為0.3%時，沖擊韌性最好，沖擊值為80J。