原 超

（山西安信建設工程檢測有限公司，山西 晉城048000）

1 稀土元素的定義及特點

稀有金屬是在地殼中含量較少，分布稀散或難以從原料中提取的金屬。其中稀土元素是那些處于元素周期表中ⅢB化學性質接近的鈧（Sc）、釔（Y）和鑭系等17種金屬元素的統稱。因為稀土元素的原子尺寸大、化學活性強以及4f殼層價態可變等特點，所以稀土元素在冶金工業中有著廣泛的應用，它在冶煉過程中可以作為重要的添加劑，起到凈化、除雜以及變質的效果[2]。

2 稀土元素對鋼材性能影響分析

針對鋼設備在高溫的復雜工況條件下存在高溫氧化情況，導致設備使用壽命縮短等問題，提出在鋼材中分別添加Y、Ce、Zr等稀土元素，對實驗鋼的組織、析出相和硬度等進行分析，探討Y、Ce、Zr等稀有合金元素對組織的細化作用以及合金的強化機理。

2.1 實驗材料

通過實驗室合成鋼材進行實驗，主要原料為廢鋼、錳鐵、硅鐵、鉻鐵和鎳板及其要加入的合金元素。將以上原料按照設計好的比例進行計算稱重。將電爐加熱至1 400～1 460℃將廢鋼放入進行融化，待鋼水熔清后，將錳鐵，硅鐵熔清后加入，使溫度達到1 500～1 540℃。將鋁絲脫氧，加入鎳鐵，鉻鐵，此時溫度達到1 600～1 650℃。再次用鋁絲脫氧，并進行處渣。將溫度控制在1 560～1 580℃，鋼水迅速出爐，倒入底端放置合金元素（Y、Ce、Zr）的澆包中。靜置一段時間，使鋼水溫度控制在1 530～1 550℃。將鋼水倒入鑄型澆注成基爾試塊，即得到鑄態奧氏體型耐熱鋼件，澆注完成10 h后打箱取出鑄件。

2.2 實驗步驟

2.2.1 拉伸實驗

選取最大載荷為400 kN，升溫速率為15℃/s，本實驗分別選取室溫（27℃），300℃、500℃和700℃作為實驗標準溫度。選取實驗材料升至實驗溫度后以2 mm/min的拉伸速度進行拉伸試驗，待試樣拉斷后噴水冷卻，對拉伸三項數據（屈服強度、抗拉強度和伸長率）進行分析，同時觀察不同拉伸溫度下合金的斷口形貌并對其斷裂機理進行分析。

2.2.2 連續氧化實驗

將實驗樣品打磨拋光，從100號到2 000號逐級打磨，保證打磨后樣品沒有明顯劃痕，打磨拋光后用游標卡尺測量三次，取平均值，計算表面積。在超聲波清洗儀中加入丙酮，將樣品放入，去除表面雜質。吹干后放入150℃的烘箱中烘干60 min，取出后放入干燥箱內備用。

采用Kss-1400箱式電阻爐進行高溫氧化實驗，實驗過程在實驗室空氣中進行，將大坩堝洗凈干燥，多次烘干直至三次稱重沒有變化為止，將試樣斜靠在坩堝壁上，保證與空氣充分接觸，本次實驗選取恒溫氧化稱重法，選取實驗溫度為1 000℃，氧化環境為實驗室空氣，選取20 h、40 h、60 h、80 h、100 h、120 h和150 h作為氧化時間。

2.2.3 表征方法

將實驗樣品用砂紙打磨拋光，用蒸餾水擦洗打磨后的樣品，后用無水乙醇進行擦拭，用9.8 g FeCl3、30 mL鹽酸與120 mL的酒精配成的混合化學腐蝕劑對所有成分的合金試樣進行化學腐蝕，選取10～15 s的腐蝕時間，腐蝕完成后先用蒸餾水沖洗，后用酒精擦拭，選取150℃溫度在烘箱內烘干，利用光學顯微鏡觀測對腐蝕試樣進行觀測，可以觀測出不同成分合金的組織形貌，析出相分布、晶粒大小等情況。

依據GB/T 4338—2006《金屬材料高溫拉伸試驗》標準對實驗樣品進行拉伸[3]，試樣尺寸設定為d=10 mm×12 mm；試驗機為HTV-PHS30高溫維氏硬度計，加載力為1 kg。以5～10℃/s的速率升溫至室溫、300℃、500℃和700℃，每種不同成分的合金在不同位置不同溫度下等距打5個點，求取平均值及方差，繪制硬度隨溫度變化的曲線。

針對處理好的樣品，利用掃描電鏡對樣品氧化試樣的表面形貌，截面形貌及顯微組織進行觀測，對微區成分利用能譜儀進行點、線、面及成分分析，確定析出相的種類和氧化物組成。

3 實驗結論

3.1 顯微組織形貌分析

將實驗鋼進行金相顯微組織觀察，從圖1中可以看出，合金的晶粒粗大，有一些黑色點狀雜質析出，在實驗鋼中添加Y、Ce和Zr元素后可觀測到明顯的細化晶粒，尤其添加Ce后細化效果更佳顯著，其中析出晶粒主要為短棒狀和球狀，如圖2所示。從局部放大圖中可以看出，加入Zr元素在晶粒內部和晶界處均有塊狀夾雜物析出，如圖3所示。在實驗鋼中加入元素Y，晶粒內條狀相主要沿晶界析出，如圖4所示。

圖1 實驗鋼的OM顯微組織

圖2 實驗鋼+Ce的OM顯微組織

圖3 實驗鋼+Zr的OM顯微組織

圖4 實驗鋼+Y的OM顯微組織

3.2 高溫硬度分析

從實驗結果可知，實驗合金的硬度均隨著溫度的升高而下降，從室溫升至700℃，從圖5可以看出，合金的顯微維氏硬度值從大到小依次為：HZr合金＞HCe合金＞HY合金＞HY+Ce合金。

圖5 實驗鋼高溫維氏硬度

實驗鋼整體硬度偏低，主要是因為其含碳量較低，且合金均為奧氏體結構，對于鋼來說，由于馬氏體鋼過飽和固溶的C含量高，所以其硬度最大。而貝氏體鋼、珠光體鋼、奧氏體鋼及鐵素體鋼等硬度逐漸降低，從圖1中可以看出晶粒尺寸較大，大尺寸的晶粒也會明顯降低合金的硬度。

添加Zr元素后，實驗鋼硬度增加，主要因為實驗鋼中加入Zr元素后，會出現一些Zr元素的塊狀富集，而這些富Zr相經分析為純Zr、ZrO2以及ZrC等構成。這些硬質相可以對鋼材組織起到硬化的效果，從而提高合金硬度。

3.3 高溫拉伸性能

從下頁圖6中可以看出，不同合金的屈服強度隨著溫度升高而降低，對于實驗合金添加Zr元素（1號）合金與基體K-52（5號）合金相比，屈服強度強度有明顯的提高，其中，1號合金與5號合金在常溫和700℃的屈服強度分別為263 MPa、220 MPa和146 MPa、140 MPa。不同合金的抗拉強度均隨著拉伸溫度的提升而降低。添加Zr元素（1號）合金與基體K-52（5號）合金相比抗拉強度變化不大，1號合金與5號合金抗拉強度在常溫和700℃時分別為444 MPa、409 MPa和264 MPa、271 MPa，如下頁圖7所示。溫度對合金強度的影響，主要是由于溫度對合金中位錯的影響造成的。隨著拉伸溫度的升高，一方面晶胞內原子內能增加，原子在其位置的熱振動幅度會增大，金屬原子的能量增加，擴散能力變強，導致柯氏氣團與孔洞等缺陷對合金中位錯的釘扎作用減弱；另一方面，隨著溫度的升高，是合金中位錯的動態回復能力變強，從而導致其位錯本身的活性降低。

圖6 不同合金的屈服強度

圖7 不同合金的抗拉強度

4 結論

針對鋼材在高溫高壓下壽命縮短等情況，提出在鋼材中加入Y、Ce、Zr等稀土元素，探討其對實驗基體鋼組織和性能的影響規律。實驗鋼中添加Y、Ce、Zr等稀土元素，明顯改變了夾雜物的分布，使組織更加的均勻，同時細化了晶粒；但含Zr鋼中會有塊狀富Zr夾雜物析出，含Y鋼的析出相主要沿晶界分布，含Ce鋼主要在晶內析出。稀土Y、Ce元素對合金高溫硬度略有提高，而含Zr鋼對合金的高溫硬度提高的相對較多。加入Y、Ce、Zr等稀土元素明顯提高了實驗鋼的屈服強度及拉伸性能，其中添加Ce元素的屈服強度提高5.37%，拉伸強度提高11.69%。添加Zr元素后屈服強度和抗拉強度分別平均提高了23.53%和6.73%。