稀土對(duì)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(duì)象，通過(guò)改變一號(hào)稀土加入量，經(jīng)過(guò)金相組織觀察、拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、夾雜物形貌分析、能譜分析等，研究RE含量變化對(duì)鑄鋼試樣組織和性能的影響.研究結(jié)果表明：鑄鋼試樣經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，組織為細(xì)小回火索氏體，存在少量鐵素體.隨著一號(hào)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，回火索氏體含量增多，晶粒尺寸減小；長(zhǎng)條狀或者尖角狀?yuàn)A雜物減少，稀土夾雜物主要是以球狀或者近球狀的形態(tài)存在，大小在5～10um，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和布氏硬度總體上呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，在一號(hào)稀土含量為0.5%時(shí)，其值最高，抗拉強(qiáng)度為905.2MPa，屈服強(qiáng)度為776.7MPa，布氏硬度為274沖擊功先增加后降低，一號(hào)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3%時(shí)，沖擊功值為80J。

關(guān)鍵詞：一號(hào)稀土；鑄鋼；顯微組織；力學(xué)性能；夾雜物

DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.023

中圖分類號(hào)：TGl42

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-2683（2016）06-0123-04

0.引言

鐵路貨運(yùn)作為當(dāng)今最為重要的一種貨運(yùn)方式，隨著其規(guī)模的不斷擴(kuò)大與發(fā)展，貨車載重量的持續(xù)增加和運(yùn)行速度的不斷提高，列車各部件承受的載荷也越來(lái)越大，貨運(yùn)列車的安全運(yùn)行更顯得重要，車鉤作為一種用于車輛與車輛，機(jī)車與機(jī)車或動(dòng)車與動(dòng)車相互連接，隨著運(yùn)行條件日益惡劣，鉤體經(jīng)常出現(xiàn)裂紋等失效現(xiàn)象，尤其是在北方，它既要經(jīng)受低溫的考驗(yàn)，還要承受沖擊、拉伸、彎曲等多種復(fù)雜的作用力，并經(jīng)常受到較為嚴(yán)重的相對(duì)摩擦，這些已然成為鐵路運(yùn)輸安全的重大隱患，其材質(zhì)的要求被不斷提高，開(kāi)發(fā)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(diǎn)：細(xì)化晶粒、變質(zhì)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(hào)稀土為變質(zhì)劑，研究一號(hào)稀土加入量對(duì)含鎳低碳鑄鋼組織和性能影響，為開(kāi)發(fā)適宜于車鉤用高強(qiáng)韌鑄鋼材料提供指導(dǎo)。

1.試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

制備鑄鋼試樣選用的都是優(yōu)質(zhì)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(yè)純鋁、純銅等。

制備試樣所需鋼水采用160kW中頻感應(yīng)爐（型號(hào)為GWJ-0.25）熔煉，在配料的過(guò)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(jù)積累的試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，確定si元素?zé)龘p率為16%，Mn元素?zé)龘p率為10%，c及其他合金元素不計(jì)燒損，配料時(shí)加入0.04%的Al終脫氧.制定的實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

熔煉過(guò)程中的加入原材料順序?yàn)榧冭F→45*鋼→鉬鐵→鉻鐵→純鎳→純銅→錳鐵→硅鐵，用工業(yè)純Al條進(jìn)行充分的終脫氧，將一號(hào)稀土砸制成適當(dāng)?shù)念w粒大?。ㄖ睆酱蠹s在6mm）通過(guò)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(jìn)行澆注.其中一號(hào)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%.制備的五組鑄鋼試樣為標(biāo)準(zhǔn)梅花試樣.根據(jù)文[11]所述，確定鑄態(tài)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(jìn)行，化學(xué)成分采用直讀光譜儀進(jìn)行分析.低溫（-400°C）沖擊性能用沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)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(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)量，拉伸試樣為圓棒，標(biāo)距范圍內(nèi)直徑為10mm，標(biāo)距為50mm，試樣硬度用HB-3000C型布氏硬度計(jì)測(cè)量.金相組織觀察在OLYMPUS-GX71型金相顯微鏡上進(jìn)行，金相試樣采用標(biāo)準(zhǔn)金相試樣制備方法制備，腐蝕劑用4%硝酸酒精溶液。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1一號(hào)稀土含量對(duì)鑄鋼試樣金相組織的影響

試樣經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后，不同一號(hào)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(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，組織為回火索氏體及少量鐵素體；一號(hào)稀土加入后，試樣的晶粒得到明顯細(xì)化，組織大小均勻，隨著一號(hào)稀土加入量的增加，鑄鋼試樣的組織變細(xì)，分布均勻，當(dāng)一號(hào)稀土加入量超過(guò)0.4%時(shí)，組織稍微變大。

細(xì)化晶粒的作用機(jī)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(jié)晶前沿，阻止晶粒長(zhǎng)大，使鑄態(tài)晶粒細(xì)化.同時(shí)稀土元素沿晶界富集，抑制了奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，使晶粒進(jìn)一步細(xì)化.而且稀土元素與氧和硫有很強(qiáng)的親和力，能形成高熔點(diǎn)的氧硫復(fù)合夾雜物，這些夾雜物以極微細(xì)粒懸浮于熔體之中，在鋼液凝固過(guò)程中，這些夾雜物可作為非自發(fā)形核的核心，使晶粒細(xì)化，當(dāng)稀土添加量過(guò)多時(shí)，過(guò)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(guò)冷作用，使組織粗化。

2.2一號(hào)稀土含量對(duì)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(zhǎng)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(xù)性，當(dāng)鋼承受沖擊載荷時(shí)，夾雜物周圍應(yīng)力集中，在帶狀?yuàn)A雜物與基體界面處產(chǎn)生微裂紋，降低鋼的韌性。

圖3～圖5是鋼加入一號(hào)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(xì)小圓形含有Ce元素的復(fù)雜氧化物.夾雜物尺寸變小，一般大小在5～10um，沒(méi)有長(zhǎng)條和尖角，改善了形態(tài)，可改善材料的性能，

2.3一號(hào)稀土含量對(duì)鑄鋼試樣力學(xué)性能的影響

不同一號(hào)稀土加入量的鑄鋼試樣經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后，力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：隨著一號(hào)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0到0.5%不斷增加，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度總體上呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，在含一號(hào)稀土為0.5%時(shí)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度最高，抗拉強(qiáng)度為905.2MPa，屈服強(qiáng)度為776.7MPa，隨著一號(hào)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.2%到0.3%增加，延伸率逐漸增大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.3%到0.4%增加，延伸率逐漸降低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.40%到0.50%增加，延伸率增加.隨著一號(hào)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.2%到0.3%增加，斷面收縮率逐漸增大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.3%到0.4%增加，斷面收縮率逐漸降低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.4%到0.5%增加，斷面收縮率增加.這是因?yàn)殡S著含一號(hào)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(dǎo)致滲碳體質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，滲碳體增多可使試樣具有較高的強(qiáng)度，但塑性較差，因此力學(xué)性能上總體上表現(xiàn)為試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度增加，一號(hào)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.4%時(shí)鋼中的稀土夾雜物開(kāi)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(zhì)量分?jǐn)?shù)增多，鑄鋼中產(chǎn)生的夾雜物較多，夾雜物影響了性能。

隨著一號(hào)稀土量從0%到0.3%，沖擊功緩慢升高，沖擊韌性變好.一號(hào)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3%～0.5%之間時(shí)，隨著一號(hào)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)增多沖擊功逐漸下降，先緩慢下降，一號(hào)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)到0.4%后快速下降，沖擊韌性變差.當(dāng)一號(hào)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)沖擊韌性最好，沖擊功為80J.當(dāng)一號(hào)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%時(shí)，稀土夾雜物聚集長(zhǎng)大，尺寸增大，此時(shí)鑄鋼中出現(xiàn)脆性的稀土金屬間化合物，降低鑄鋼的沖擊性能。

隨著一號(hào)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(hào)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%時(shí)布氏硬度值最大，布氏硬度值為274，稀土元素的化學(xué)性質(zhì)很活潑，可以與鋼中的許多元素發(fā)生反應(yīng)，細(xì)化了鑄鋼的組，從而提高了鋼的力學(xué)性能。

3.結(jié)論

1）試樣熱處理之后組織為回火索氏體，與未加一號(hào)稀土試樣相比，適當(dāng)?shù)募尤胍惶?hào)稀土可以細(xì)化組織，使組織更加均勻。

2）加入一號(hào)稀土后，稀土夾雜物主要是以球狀或者金球狀的形態(tài)存在，大小在5～10um，長(zhǎng)條狀或者尖角狀?yuàn)A雜物減少，改善了材料的性能。

3）隨著一號(hào)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.2%到0.5%不斷增加，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和布氏硬度總體上呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，在含一號(hào)稀土為0.5%時(shí)，抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度和布氏硬度最高，抗拉強(qiáng)度為905.2MPa，屈服強(qiáng)度為776.7MPa，布氏硬度為274，隨著一號(hào)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，延伸率總體趨勢(shì)增加，沖擊韌性先緩慢升高，隨后沖擊韌性變差.在一號(hào)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，沖擊韌性最好，沖擊值為80J。