稀土Ce-La对SS4OO钢晶粒度及夹杂物变性的影响.pdf

3 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 2 0 1 2 年1 0 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 2 ．1 0 ．0 1 2 稀土C e L a 对S S 4 0 0 钢晶粒度及夹杂物 变性的影响 杨吉春，聂亚丽，左立杰，赵丙新 内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古包头0 1 4 0 1 0 摘要对S S 4 0 0 钢进行了添加稀土C e - L a 合金的试验研究，采用光学显微镜和扫描电镜 S E M 观察和分 析钢的晶粒度和夹杂物成分及形貌。结果表明，加入稀土后S S 4 0 0 钢晶粒度提高了1 ～2 级；加入 0 ．0 5 ％的稀土C e - L a 时，硅酸盐夹杂物近似椭圆形；加入量达到0 ．0 9 ％时，硫化物夹杂和硅酸盐夹杂均 呈圆形。 关键词S S 4 0 0 钢；C e L a 合金；晶粒度；夹杂物变性 中图分类号T F 7 6 2文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 2 1 0 0 0 3 8 0 4 E f f e c t so fR a r eE a r t hE l e m e n tC e - L ao nG r a i nS i z ea n d I n c l u s i o nM o d i f i c a t i o no fS S 4 0 0S t e e l Y A N GJ i c b u n ，N I EY a 一1 i ，Z U OL i j i e ，Z H A OB i n g x i n S c h o o lo fM a t e r i a l sa n dM e t a l l u r g y ，I n n e rM o n g o l i aU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，B a o t o u0 1 4 0 1 0 ，I n n e rM o n g o l i a ，C h i n a A b s t r a c t T h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fa d d i n gr a r ee a r t hC e L aa l l o yi nS S 4 0 0s t e e lw a sc o n d u c t e d ．T h eg r a i n s i z e ，c o m p o s i t i o na n dm i c r o s t r u c t u r eo fi n c l u s i o nw e r eo b s e r v e da n da n a l y z e di ns t e e lw i t ho p t i c a lm i c r o s c o p ea n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e S E M ．T h er e s u l t ss h o wt h a tg r a i ns i z eo fs t e e le n h a n c e s1 ～2 l e v e l sa f t e ra d d i n gt h er a r ee a r t h t h es i l i c a t ei n c l u s i o ni sa p p r o x i m a t ee l l i p s ew i t h0 ．0 5 ％a d d i t i o no fr a r e e a r t hC e L a ，f u r t h e r m o r e ，t h es u l f i d ea n ds i l i c a t ei n c l u s i o na r ec i r c u l a rs h a p ew h e nt h ea d d i t i o no fr a r e e a r t hC e L ar e a c h e s0 ．0 9 ％． K e yw o r d s S S 4 0 0s t e e l ；C e L aa l l o y ；g r a i ns i z e ；m o d i f i c a t i o no fi n c l u s i o n S S 4 0 0 是一种普通结构用钢，大量应用于建筑 及工程结构。近几年来，在车辆、船舶、桥梁等领域 的应用越来越广，品种日趋多样化。通过获得均匀 的细晶可以使S S 4 0 0 钢具有优良的综合力学性能。 有文献报道[ 1 j ，稀土元素在钢中起到改善夹杂物形 态、细化晶粒的作用。本文通过加入不同量的稀土， 分析稀土对S S 4 0 0 钢的晶粒度及夹杂物成分、形态 和尺寸的改变，从而改善钢的性能。 1 试验原料及方法 1 ．1 试验原料 先在Z G 一0 ．0 1 真空中频感应炉中冶炼S S 4 0 0 钢[ 2 ] ，并浇注成4 ．0k g 的钢锭 1 “ ，成分为 ％ C 0 ．0 4 ～0 ．0 8 、S i0 ．1 4 、M n0 ．4 0 、P0 ．0 8 、S0 ．0 6 、F e 余。用同样的方法冶炼不同稀土添加量的S S 4 0 0 钢并铸锭，稀土以C e L a 混合细丝的方式加入钢液， 收稿日期2 0 1 2 0 31 4 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 1 7 4 1 14 ；内蒙古自治区自然科学基金重点项目 2 0 1 0 Z d l 0 5 ；内蒙古自治区高校科学研究项目 N J 2 2 0 7 0 9 8 作者简介杨吉春 1 9 6 3 一 ，男，博士，教授，硕士生导师． 万方数据 2 0 1 2 年l O 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 3 9 其中24 钢锭稀土加入量为0 ．0 5 ％，38 钢锭稀土加 入量为0 ．0 9 ％。最后，将浇注后的钢锭经11 0 0 ℃ 加热后锻造成2 5m m 2 5m l T i 的方坯。 1 ．2 试验方法 从锻造坯横向 垂直于锻轧方向 截取抛光面为 1 0m m 1 0m m 的金相试样，经砂纸粗磨和抛光布 抛光后用4 ％的硝酸酒精腐蚀，进行晶粒度评定。 从锻造坯纵向 平行于锻轧方向 截取抛光面为2 0 m m 1 0m m 的金相试样，经粗磨、细磨、抛光后，进 行夹杂物观察。 2 试验结果及讨论 2 ．1 稀土对晶粒度的影响 不同稀土添加量的S S 4 0 0 钢在光学显微镜下 的形貌见图1 。 图l不同C e - L a 合金添加量S S 4 0 0 钢的光学形貌 a O ％； b 0 ．0 5 ％； c 0 ．0 9 ％ F i g ．1 M i c r o s t r u c t u r eo fS S 4 0 0s t e e lw i t hd i f f e r e n ta d d i t i o no fC e - L aa l l o y a O ％； b 0 ．0 5 ％； C 0 ．0 9 ％ 采用将试验钢的晶相图与G B - 6 3 9 4 2 0 0 2 标准 的金属平均晶粒度测定图谱进行对比的方法来评定 试样的晶粒度。结果表明，未加稀土S S 4 0 0 钢的晶 粒度为7 级，加入o ．0 5 ％稀土后是8 ～8 ．5 级，提高 了1 ～1 ．5 级。稀土加入量为0 ．0 9 ％的S S 4 0 0 试验 钢的晶粒度达到9 级，比未加稀土的提高了2 级。 由此可知，加入稀土量越多，晶粒细化作用越大。稀 土能明显细化晶粒的原因在于稀土是表面活性物 质，稀土在钢中主要在晶界分布，奥氏体晶界的界面 张力和晶界能会被分布在晶界的稀土降低，晶粒长 大的驱动力随之减少，晶粒长大需要更高的温度才 能发生。另外，钢的强度与晶粒直径的平方根成反 比，因此，晶粒细化后可以提高钢的强度、塑性和韧 性‘3 1 。 2 ．2 稀土对夹杂物形貌的影响 图2 是试样中M n S 夹杂的形貌及能谱图。 由图2 可知，未加稀土试样的夹杂物主要是 M n S ，呈长条状，尺寸大约1 1 肛m 。硫化物夹杂常以 第Ⅱ类形式分布在晶界，危害钢的性能，沿钢的轧制 方向伸长，使钢的横向性能变差n ] 。加人0 ．0 9 ％稀 土后的夹杂物仍以硫元素和锰元素为主，由于稀土 的加人，使M n S 杂物变为稀土硫化物夹杂，尺寸大 约1 肛m ，形状近似于圆形。 由此可知，添加稀土可以使沿钢材轧制方向分 布的长条状M n S 等硫化物夹杂变质为较均匀分布 的椭圆形或近似圆形，并且大大减少了夹杂物的尺 寸，使硫化物夹杂变质为稀土硫化物夹杂。变质后 的稀土硫化物夹杂，外形尺寸减小，具有高熔点，使 其在热加工变形时不变形或变形很小，从而提高钢 的强度和韧性。氧和硫与稀土的亲和力很强，稀土 加入钢中，有少量稀土固溶在钢中，其余则与氧、硫 等元素形成稀土夹杂物[ 5 ] 。 图3 为硅酸盐复合夹杂物的形貌和能谱图。 由图3 可知，未加稀土的硅酸盐复合夹杂物主 要由硅、锰、氧等元素组成，形貌呈不规则图形，尺寸 1 8p m 左右。加入稀土量为0 ．0 9 ％后，稀土硅酸盐 夹杂物为规则的圆形，尺寸大约4 肚m 。 在钢的轧制过程中．硅酸盐复合夹杂物可以使 薄板坯产生裂纹，还能使钢的韧性、塑性和疲劳极限 有一定程度的降低，因此其对钢有较大危害。本试 验在S S 4 0 0 钢中加入一定量的稀土C e I 。a 后，与硅 酸盐夹杂物形成新的稀土硅酸盐复合夹杂物，其在 钢中会弥散分布，随着稀土在钢中含量的增加，夹杂 物形态和性质都会发生变化，因此稀土C e L a 对硅 酸盐夹杂物起到了变质作用。变质后的夹杂物，具 有抵抗裂纹形成与扩展的能力L 4 , 6 】。 万方数据 4 f 1 仃色金J 一 冶烁部分 h t t I ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年1 0 期 23456789l o1 l1 21 3 k e V S 卜J ，r 1 芍盲亨芦f ≮刊 k e V 图2不同【1 p I ．a 合金添加量钢中M n S 夹杂的形貌及能谱图 a 0 ％ b 0 ．0 9 ％ F i ￡．2S F 、Im o r p h o l o R 3 ’a n dE n e r R 3S p e c t r u ma n a l y s i so fM n Si n c l u s i o ni ns t e e lw i t h d i f f e r e n ta d d i t i o no t ‘ _ ’c I 崩a l l o y a 0 ％； b 】0 ．0 9 ％ k e V 012345678 k e V 图3不同c 卜I _ 合金添加量钢中硅酸盐夹杂的形貌及能谱图 a 0 ％；b 0 ．0 9 ％ F i g ．3 S E Mm o r p h o l o g ya n dE n e r g yS p e c t r u ma n a l y s i so fs i l i c a t ei n c l u s i o ni ns t e e lw i t h d i f f e r e n ta d d i t i o no fC e - L aa l l o y a O ％； b 0 ．0 9 ％ 万方数据 2 0 1 2 年1 0 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 4 1 3结论 S S 4 0 0 钢中加入稀土C e L a 后，细化了钢的晶 粒，晶粒度达到8 ～9 级，使大多数长条状夹杂物变 质为较均匀分布的椭圆形或近似圆形稀土氧化物、 稀土硫化物等复合夹杂物，并且使夹杂物的尺寸减 少到1 ～4 灶m 。 参考文献 [ 1 3 周惦武，彭平，徐少华，等．稀土元素在钢中的应用与研 究E J ] ．铸造设备研究，2 0 0 4 3 3 5 3 8 ． [ 2 ] 邓小和．稀土镁在S S 4 0 0 钢中的作用机理研究[ D 3 ．包 头内蒙古科技大学，2 0 0 8 ． [ 3 ] 秦华，刘丽芳，胡传顺，等．2 ．2 5 C r l M o 钢中的夹杂物和 晶粒度[ J ] ．物理检验物理分册，2 0 0 8 ，4 4 5 2 0 2 2 ． E 4 3S a x e n aSK ，郭新春．采用镁处理生产具有良好力学性 能的超洁净钢[ J ] ．钢铁钒钛，1 9 9 8 ，1 9 2 6 4 6 7 ． [ 5 3W i l s o nWG ，K a yDAR ，V a o e dA ．U s eo ft h e r m o d y n a m i c sa n dp h a s ee q u i l i b r i at op r e d i c tt h eb e h a v i o ro ft h e r a r ee a r t he l e m e n t si ns t e e l I - J ] ．JM e t ，1 9 7 4 ，2 6 5 1 4 2 3 ． r - 6 ] 杜挺．稀土元素在金属材料中的一些物理化学作用 [ J ] ．金属学报，1 9 9 7 ，3 3 1 6 9 7 7 ． J z 接第2 9 页 [ 4 ] 汪胜东，蒋训雄，王海北，等．贵州某彩钼铅矿碱浸工艺 研究l - J ] ．有色金属，2 0 0 7 ，5 9 3 6 5 6 7 ． [ 5 ] 李青刚，肖连生，张贵清，等．镍钼矿生产钼酸铵全湿法 生产工艺及实践[ J ] ．稀有金属，2 0 0 7 ，3 1 增刊1 8 5 8 9 ． [ 6 ] 李青刚，张启修，肖连生．离子交换树脂吸附镍钼矿氯 浸液中钼的研究[ J ] ．稀有金属，2 0 0 7 ，3 1 3 3 5 1 3 5 6 ． E 7 ] 盘茂森，朱云．高压浸出钼酸钙中钼的实验研究[ J ] ．中 国钼业，2 0 0 5 ，2 5 6 1 9 2 1 ． [ 8 ] 曹耀华，刘红召，高照国，等．低品位氧化钼精矿高压浸 出新工艺E J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 1 1 5 - 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