（钢铁冶金专业论文）钇镁合金对ss400钢组织与性能的影响.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 川i i ir l ii lfl r ll li p ir j l y 17 8 9 6 7 1 论文题目：一钇镁合金对s s 4 0 0 钢组织与性能的影响 作者： 王福龙 指导教师： 协助指导教师： 杨吉春教授 论文提交日期：2 0 1 0 年0 5 月1 5 h 学位授予单位：内蒙古科技大学 单位：塑型皇堕全堂堕 单位： 单位： f r 一 钇镁合金对s s 4 0 0 钢组织与性能的影响 i n f l u e n c eo f y - m g a l l o yo ns t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e si ns s 4 0 0s t e e l 研究生姓名：王福龙 指导教师姓名：杨吉春 内蒙古科技大学材料与冶金学院 包头0 1 4 0 1 0 ，中国 c a n d i d a t e ： w a n gf u l o n g s u p e r v i s o r ：y a n gj i c h u n s c h o o lo fm a t e r i a la n dm e t a l l u r g y i n n e r m 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 ，p r c h i n a 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为 获得内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确 的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：音为戋勿每日期：弘聊多多 内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 本研究使用钇镁合金对s s 4 0 0 实验钢进行微合金化处理和变质处理，并用多种常规 钢铁材料实验检测方法对优化处理后的实验钢进行检测，从而获得钇镁合金对实验钢组 织与性能影响的机理。 ， 用钇镁合金对钢进行微合金化处理可以提高轧制钢的低温性能。钇镁合金处理实验 钢不仅可以减少一般有害杂质的污染，而且能使残留在金属中的非金属夹杂物的尺寸、 形态和分布特点按希望的趋向改变，因此使实验钢的性能得到改善。 钇镁合金用于实验钢的补充合金化，有助于实验钢基体中强化相质点更均匀、弥散 而缓慢地析出，能对拉伸时的塑性流动产生重要影响，显著地提高实验钢的高温强度。 对实验钢微合金化的结果提高了塑性、低温冲击韧性其他性能，含有钇镁的实验钢具有较 高的机械性能。 钇镁作为表面活性物质，能降低临界形核功，使结晶核心增加，从而削弱粗大柱状 晶的生长并且细化了s s 4 0 0 钢的铸态组织：钇镁可以抑制渗碳体的横向长大，从而细化 珠光体片层间距，改善珠光体片层的取向，进而改善s s 4 0 0 钢的各向异性；钇镁能有效 抑制锻后带状组织的生成，钇镁复合处理可将带状组织转变为网状组织，最终使珠光体 和铁素体晶粒均匀分布。 在本实验条件下，当钇镁合金的加入量为0 0 1 2 0 0 2 4 时，实验钢的铸态组织、锻 态组织、热处理后组织以及各向异性得到显著改善，实验钢的力学性能均有不同程度的 提高。 钇镁合金复合处理的结果取决于以减少添加元素的损耗为目的的各种手段的综合， 这种简便而又能保证微合金化过程足够有效和稳定的方法将是很有前途的方法。 关键词：钇镁合金：实验钢：组织；性能 内蒙古科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t m i e r o a l l o yt r e a t m e n ta n dm o d i f i c a t i o ni ns s 4 0 0 t e s t e ds t e e lb yy - m ga l l o y , d e t e c t i o n so f n o r m a ld e t e c t i n gm e t h o d so fs t e e lm a t e r i a l , m e c h a n i s mo ft h e i n f l u e n c eo nt i s s u ea n d p e r f o r m a n c ei nt e s t e ds t e e lb yy - m ga l l o yh a sb e e ns t u d i e d t h el o wt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eh a sb e e ni m p r o v e db yr n i c r o a l l o yt r e a t m e n to fy - m g a l l o yi nt e s t e ds t e e l i to n l yi n d u c e dt h ep o l l u t i o no fh a r m f u li m p u r i t i e si it e s t e ds t e e l , b u ta l s o c h a n g e dt h es i z e , m o r p h o l o g ya n dd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f n o n - m e t a l l i ci n c l u s i o ni nt e s t e d s t e e la sw ew i s h , s ot h ep e l f o l m a l l o eo f t e s t e ds t e e lh a sb e e ni m p r o v e d t h es u p p l e m e n ta l l o y i n gi nt e s t e ds t e e lb yy - m g a l l o yc o n t r i b u t et op r e c i p i t a t i o nw i t hm o r e d i s p e r s e d l y , u n i f o r m l ya n ds o l w l y , i th a s 锄i m p o r t a n te f f e c to np l a s t i cf l o ww h e nt 岱t e ds t e e l w a ss t r e t c h e d t h en 姗o f m i e r o a l l o yt r e a t m e n ti nt e s t e ds t e e lh a sb e e ni m p r o v e dp l a s t i c i t y , l o wt e m p e r a t u r ei m p a c tt o u g h n e s sa n do t h e rp e r f o r m a n c e s ，t e s t e ds t e e lw i t h i nya n dm gh a s h i g h e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s b e i n gas t a f a c t i v es u b s t a n c e , y - m gh a sd e c r e a s e dc r i t i c a ln u c l e a t i o np o w e r , i n c r e a s e d c r y s t a l l i z a t i o nc o r e , t h e r e f o r et h eg r o w t ho fc o a r s ec o l u m n a rg r a i n sh a sb e e ne n e r v a t e da n dc a s t s t r u c t u r eo fs s 4 0 0t e s t e ds t e e lh a sb e e nr e f i n e d ；t h ei v d i s v e i s eg r o w t ho fc e r n e n t i t eh a sb e e n i n h i b i t e d ，o r i e n t a t i o no f p e a r l i t ei n t e r l a m i n a rh a sb e e na m e l i o r a t e d , f u r t h e r m o r e , a n i s o t r o p yo fs s 4 0 0s t e e lh a sb e e ni m p r o v e db yy - m ga l l 哆y - m ge f f e c t i v e l yi n h i b i t e dt h e g e n e r a t i o no fb a n d e ds t r u c a a r ea f t e r 南咖b a n d e ds t r u c t u r eh a sb t x x ) m er e t i c u l a rt i s s u eb y y - m gc o m p o s i t et r e a t m e n t , p e a r l i t ea n df e r r i t eg r a i nh a sb e e nu n i f i o m l yd i s t r i b u t e da tl a s t i nt h i se x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，t h ec a s ts t r u c t u r e , f o r g e dm i c r o s l r u c t u r e , s t r u c t u r ea f t e rh e a t t r e a t m e n ta n d a n i s o t r o p yh a v eb e e ni m p r o v e do b v i o u s l yw h e na d d i t i o na m o u n to f y - m ga l l o yi s 0 0 1 2 0 0 2 4 , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t e s t e ds t e e lh a v eb e e ni n h a n c e dw i t hd i f f e r e n td e g r e e t h er e s u l to fy - m ga l l o yc o m p o s i t et r e a t m e n ti sd e t e r m i n e db yt h ei n t e g r a t i o no fv a r i o u s m e a n sw h i c ho b j e c tt or e d u c el o s so fa d d i t i o nd e m e n t s ，t h i ss i m p l em e t h o dw h i c hc a ne n s i l e e n o u g he f f e c t i v ea n ds t a b l ep r o c e s so f m i c r oa l l o y i n gw i l lb eap r o m i s i n gm e t h o d 一 k e yw o r d s ：y m ga l l o y ；t e s l 丽s t 鲥；d s 瓯地；阳) p e r 6 e 内蒙古科技大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 弓l言1 1 文献综述2 1 1 前言- - ：二。二2 1 2 稀土在钢中的应用3 1 2 【稀土在钢中的物理化学行为= 3 1 2 2 稀土在钢中的基本作用规律3 1 2 3 稀土对钢性能的影响。4 1 2 4 我国稀土钢科研工作的进展5 1 3 镁在钢中的应用5 1 4 稀土和镁复合变质剂在钢中的应用6 1 5 稀土和镁复合使用现状。7 1 6 总体评述及课题提出7 2 实验方案而k - 一8 2 1 实验准备8 2 1 1 实验材料的选择8 2 1 2 钇镁合金的加入量8 2 2 实验钢的冶炼9 2 3 实验钢的锻造lo 2 4 试样的制备1 0 2 4 1 用于观察夹杂物形貌的试样的制备1 0 2 4 2 用于观察组织的试样的制备1 0 2 5 高温拉伸实验1 l 2 6 压缩实验1 1 2 6 1 单道次压缩实验1 1 2 6 2 双道次压缩实验1 2 2 6 - 3 五道次压缩模拟精轧实验1 2 2 7 热膨胀实验13 2 8 冲击韧性实验13 3 实验结果与分析1 4 3 1 钇镁合金对s s 4 0 0 钢显微组织的影响1 4 3 1 1 钇镁合金对铸态组织的改善1 4 3 1 2 钇镁合金对锻态组织的影响1 5 3 。1 3 钇镁合金对铸态和锻态组织晶粒度的影响l5 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 2 钇镁合金对s s 4 0 0 钢中夹杂物的影响1 6 3 2 1 钇镁合金对夹杂物形貌的影响1 6 3 2 2 小结。1 9 3 - 3 钇镁合金对实验钢拉伸性能实验19 3 3 1 钇镁合金对拉伸应力应变曲线影响2 0 3 3 2 钇镁合金对拉伸性能的影响2 0 3 3 3 钇镁合金对拉伸断口形貌的影响2 2 3 3 4 钇镁合金对拉伸断口显微组织的影响2 3 3 3 5 小结- 2 4 3 4 钇镁合金对热处理后钢组织的影响矗2 4 3 4 1 钇镁合金对珠光体钢组织的影响2 4 3 4 2 钇镁合金对马氏体钢组织的影响。2 5 3 4 3 小结2 6 3 5 钇镁合金对s s 4 0 0 钢形变与再结晶的影响2 7 3 5 1 钇镁合金对实验钢单道次压缩时奥氏体形变与动态再结晶的影响2 7 3 5 2 钇镁合金对实验钢双道次压缩的形变与再结晶的影响2 8 3 5 3 钇镁合金对实验钢多道次压缩热模拟实验的影响2 8 3 5 3 1 实验钢五道次压缩应力一应变曲线分析2 8 3 5 3 2 钇镁合金对道次间实验钢静态再结晶的影响3 0 3 5 4 小结_ 。31 3 6 钇镁合金对实验钢连续冷却转变的影响3l 3 6 1 钇镁合金对实验钢c c t 曲线影响。3 1 3 6 2 小结3 3 3 7 钇镁合金对珠光体实验钢的冲击韧性的影响3 4 3 7 1 冲击韧性与实验钢钇镁合金加入量之间的关系分析3 4 3 7 2 钇镁合金对冲击断口的影响3 5 3 7 2 1 钇镁合金对常温冲击断口的影响3 5 3 7 2 2 钇镁合金对低温冲击断口的影响。3 6 3 7 3 小结3 7 结论3 8 参考文献3 9 在学研究成果4 2 致谢4 3 内蒙古科技大学硕士学位论文 引言 钢铁工业是需要稀土、碱土金属的最重要的工业部门之一。现代的炉外精炼钢的技 术由于成本昂贵而使其应用受到了限制。因此，在解决金属精炼和变质问题肘，对于大 部分产品而言，理想的方法是采用新型的合有稀土金属和碱土金属的复合铁合金，这些 新型合金对钢中的氧、硫和其他的有害杂质有很强的化学亲和力。国外把稀土金属用于 铸造的和轧制的结构钢、不锈钢、耐热钢及其他钢种的生产获得的经验证明：稀土金属 和碱土金属复合合金可大幅度提高钢的物理机械性能、工艺性能和使用性能的可能性。 用稀土钇和碱土金属镁对钢进行微合会化处理可以提高轧制钢的低温性能、减少其 各向异性。用它们复合处理可以使实验钢的塑性和韧性接近轧制钢的相应指标。 本实验利用钇镁合金对钢进行复合处理，通过镁深度净化钢液，微量稀土钇充分发 挥稀土元素深度净化、有效变质和强效合金化的作用，达到综合利用、优势互补，有利 于把稀土资源优势转换为钢材的品种优势和经济优势。 实验钢加入钇镁合金后，其他条件均保持不变，研究s s 4 0 0 钢性能，根据稀土和镁 的特性，一定会对s s 4 0 0 钢性能产生一定的影响，然后通过夹杂物观察、组织分析及断 口观察，合理解释s s 4 0 0 钢性能随钇镁合金含量变化的原因，得到适合提高s s 4 0 0 钢性 能的最佳钇镁合金加入量。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 前言 稀土钇( y ) ，原子序数是3 9 ，相对原子质量8 8 9 l ，核内质子数3 9 ，核内电子数3 9 ， 核电荷数3 9 ，质子质量6 5 2 4 e 2 6 ，质子相对质量3 9 。2 7 3 ，所属周期为5 ，所属族数为i i m ， 摩尔质量为8 9 ，氢化物为y h 3 ，氧化物为y 2 0 3 ，最高价氧化物化学式为y 2 0 3 ，熔点为 1 5 2 3 ，沸点为3 3 3 7 ，外围电子排布为4 d 1 5 s 2 ，核外电子排布为2 8 1 8 9 2 ，颜色和状 态为灰黑色金属，稀土钇元素一般用途为制作特种玻璃和合金。钇的原矿石及粗合金稀 土元素共存，一般情况下是使用含稀土元素的钇粗合金。钇与氧和硫的亲和力比其他稀 土元素还强。 镁( m g ) ，属碱土族元素，原子序数是1 2 ，相对原子质量2 4 3l ，核内质子数1 2 ， 核内电子数1 2 ，核电荷数1 2 ，质子质量2 0 0 7 6 e 2 6 ，质子相对质量1 2 0 8 4 ，所属周期为 3 ，所属族数为i ia ，摩尔质量为2 4 ，氧化物为m g o ，最高价氧化物化学式为m g o ，熔 点为6 5 0 ，沸点为l 17 0 ，外围电子排布为3 s 2 ，核外电子排布为2 8 2 ，颜色和状态为 银白色金属。 与其他合金相比，钇镁合金最大的优点是质轻。钇镁合金的特点是具有良好的机械 加工性能，其切削速度大大高于其他金属。钇镁合金还具有阻尼性、尺寸稳定性和抗冲 击和抗压缩性能等特性。 稀土【l 】指元素周期表中第m 族镧系元素以及与镧系元素在化学性质上相近的钪和 钇，共计1 7 种元素。最初美国的c a r p e n t e r 公司以稀土处理高合金不锈钢1 2 ，a m e r i c a ns t e e l f o u n d r i e s 以稀土处理铸钢 3 1 ，解决了这两类钢的许多困难问题之后，引起了世界炼钢界 的很大兴趣。上世纪六十年代末到七十年代初，稀土作为钢的硫化物形态控制剂，成功 地改善了高强度低合金钢的许多性能，是稀土在钢中的耗用量达到了峰值：美国j o n e s & l a w g h l i n 钢铁公司用稀土成功地解决了v a n 8 0 的质量问题 4 1 ，稀土元素这种稳定而有效 的控制硫化物形态的效果，很快的被广泛应用于低合金高强度钢、要求成型性好而冲击 韧性高的油气输送管线用钢及汽车用钢。 我国稀土在钢中应用的研究开始于上世纪五十年代后期 5 1 。关于稀土在钢中的作用机 理研究，北京科技大学、钢铁研究总院、东北大学、中科院沈阳金属所取得了很大成绩1 6 1 。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 2 稀土在钢中的应用 1 2 1 稀土在钢中的物理化学行为 稀土在铁溶液中的一些物理化学反应常数已经获得。根据确定的脱硫平衡产物r e s 和r e 2 s 3 ，计算出稀土元素在饱和碳的基体溶液中的脱硫常数k ，从结果可知，温度对 k r e 2 s 。的影响要大于对l ( r e s 的影响，随温度的下降，稀土元素脱硫能力下降司。通过测 定f e - c e 二元相图，得出f e , - c e 二元系存在着两个包晶型的中间相f e l 7 c e 2 和f e 2 c e 熔化 温度分别为1 0 6 3 和9 2 5 c t g j 。 当钢中的铈超过氧硫之和约四倍时，可出现铈的碳化物c e c 2 。常温下，当钢中出现 f e l 7 c e ：或c e c 2 时，铈在铁素体中的固溶度约为0 1 2 或0 3 6 t 嘲。林勤等研究含硫5 0 p p m 的低硫1 6 m n 钢中固溶铈与钢中总铈量和c e s 的关系表明，固溶铈随钢中总铈量和c e s 的增加而增加【】。 1 2 2 稀土在钢中的基本作用规律 一般认为钢中加入的稀土主要起到三个方面的作用。即净化作用、变质作用和微合 金化作用【1 2 1 。稀土在钢中的存在形式主要有三种，他们是稀土夹杂物，稀土固溶体和金 属间化合物。其中后二种形态随着稀土的增加和钢中氧，硫的减少而增加。固溶体中稀 土有细化晶粒的作用，固溶体中稀土的另一个作用就是对渗碳体机体晶格的破坏，这导 致钢的显微硬度的增加，稀土原子取代了渗碳体的铁原子，而形成所谓的合金渗碳体【”1 。 1 2 2 1 净化钢质 稀土元素能消除或降低钢中微量低熔点金属的危害作用。与p b 、a s 、b i 、s b 、s n 、 z n 等元素生成熔点较高的二元金属化合物，抑制低熔点夹杂物在境界上偏析。稀土元素 有吸附氢原子和去氮的作用，能降低h 、n 的危害作用。有研究表明，在钢中随镧或钕 含量增加，氢在钢中的扩散系数明显下降1 4 1 。 1 2 2 3 微合金化 钢中稀土绝大部分以稀土化合物形式存在。随着稀土加入量的增加，完成脱氧、脱 硫和变质夹杂作用后，多余的稀土会固溶在钢中，固溶量可达到1 0 - 5 1 0 r 4 数量极。这部 分稀土将起到合金化的作用，能与磷、铅、锑、铋、锡、砷、碳、氮等形成化合物，或 与铁、镍、锰等合金元素生成金属间化合物，这些稀土化合物或金属间化合物常分布在 基体相的晶粒内部和沿晶界、相界分布【闱。 ， 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 对钢中稀土固溶量的测定方法做了大量的研究，其中采用非水电解液低温电解等 离子光谱分析法，分析精度可达l 1 0 叫1 6 1 。将工业纯铁的丝状式样渗碳后，用内耗法测 量了碳在铁中的s n o c k 峰，发现随着稀土的加入，内耗峰的高度降低。表明稀土与碳原 子有强烈的作用，降低了碳原子在( x - f e 中的扩散速度，并且使能够参加扩散的碳原子减 少【1 7 1 。 当稀土加入量较多时，可能有极微量的稀土以原子固溶状态存在于基体相中。由于 稀土与铁原子半径之比大大超过1 5 ，不满足形成置换式固溶体的休姆一罗瑟里判据【l 叼， 且它们的电负性差值也很大，因此，稀土在铁中的固溶度是很低的。稀土在晶界偏聚的 验证用扫描透射电镜能谱分析法检测了晶界成分和元素的存在状态，指出在8 5 0 c 保温 1 4 h ，然后空冷的f e - 0 1 0 c e 合金样品中，铈在c t - f e 晶界的偏聚浓度约为1 5 嘣嘲。 稀土在晶界偏聚的间接证据还有稀土对晶界能、晶界扩散系数以及晶界内耗等的影 响的实验结果，以及稀土对回火脆性、高温强度、高温塑性、晶间腐蚀、晶粒长大倾向 等研究结果 2 0 l 。m c l e a n 和n o r t h c o t t 提出：溶质原子产生晶界偏聚的驱动力是溶质原子分 布在晶内和晶界所引起的点阵畸变能之差【2 l 】。 对于稀土与晶界上硫含量的关系，研究表明嘲，加入稀土元素后，晶界上的硫随稀 土元素含量的增加而减少，以致完全消失。 1 2 3 稀土对钢性能的影响 1 2 3 1 改善钢的疲劳性能 稀土对氧化物夹杂( 如a 1 2 0 3 ) 的变质导致了r e a l 0 3 和r e 2 0 e s 等稀土夹杂物的生 成，将引起某些钢材的疲劳寿命的提高，其提高的幅度将视疲劳实验时的加载条件、钢 的强度、夹杂物的数量和尺寸而变【2 3 】。加稀土的钢中，相应钢的各种疲劳性能均得到明 显的改善。如2 5 m n t i b 钢的脉动弯曲疲劳平均寿命提高2 2 7 倍；5 5 s m h l 钢低频疲劳 寿命提高4 6 ( 硫含量为0 0 3 的平炉钢) 和5 9 1 ( 硫含量为0 0 0 8 的电弧炉钢) ，高 频疲劳寿命提高5 4 和8 0 ；g c r l5 s i m n 钢使8 2 0 6 型推力轴承的接触疲劳寿命( l 10 ) 提高5 9 1 【2 4 】。 1 2 3 2 抑制淬火开裂 未加稀土的试样表面的裂纹形态都是沿晶断裂的，在主裂纹的两侧伴有二次裂纹产 生，并随着主裂纹的扩展沿晶界向其他方向扩展。而加入稀土的试样表面裂纹既有沿晶 扩展，也有穿晶扩展，二次裂纹数量较少。稀土元素提高抗淬裂的原因是由于未加稀土 内蒙古科技大学硕士学位论文 的试样其晶界强度低于晶粒强度，故断裂形式为沿晶断裂。而加稀土后，其晶粒细化晶 界强度提高，与晶内强度相当。故断裂形式既有沿晶断裂又有穿晶断裂。当加入过量稀 土时，稀土对晶粒的细化作用变弱，晶界强度降低，淬火开裂倾向增加【2 5 】。 1 2 , 4 我国稀土钢科研工作的进展 b n b r e 重轨钢的投产是9 0 年代稀土处理钢的一个重大进展【2 6 】。铺轨实验表明， b n b r e 钢轨的实际使用寿命比u 7 4 普碳钢轨提高5 0 以上，同时发挥了我国两个富有 资源n b 和r e 的综合优势。 在钢中硫很低的情况下，宝钢j 5 5 石油套管钢中，通过稀土处理是钢管的横向冲击 韧性在2 0 和6 0 时分别提高2 倍和l 倍以上【2 刀。稀土在超低硫铌钛微合金钢中仍然有 净化钢质、变质夹杂和微合金化作用。稀土固溶度达到1 0 0 p p m ，显著减少晶界s 、p 的 偏聚，推迟钢的动态再结晶，细化晶粒和沉淀项，促进液态氮化物析出网。 在物理化学方面，稀土在钢液中与其它元素交互作用，得出r e 可以降低n b 、v 、 t i 、c u 的活度，并相互增加溶解度，但与p 作用时增加活度降低溶解度例。通过计算二 位点阵错配度，分析中高碳钢堆焊时各类氧化物成为出生奥氏体做均质形核核心的有效 性，从理论上阐明r e 细化一次结晶的原因 3 0 1 。另外，稀土在钢中与杂质和缺陷的作用 机制也通过内耗法研究测定【3 1 】。在6 0 c r m n m o 热轧辊用钢中，通过加稀土使钢中夹杂物 变质并细化奥氏体晶粒，从而提高了热疲劳性能、塑性和韧性【3 2 】。c e 在铁素体一奥氏体 双向不锈钢中可将钢的低温冲击韧性提高2 0 - 1 0 0 ，说明稀土在不锈钢方面也同样展 现了良好的应用前景【3 3 】。 稀土在钢铁材料表面工程中的应用。其机制认为是：稀土氧化物在表面反应中起催 化作用 3 4 1 。我国科技工作者在8 0 年代初发现，对钢进行表面渗碳时，在气相渗碳过程中 加入稀土可以显著加速渗碳过程【3 5 】。以后陆续发现，稀土对渗氮、碳氮共渗以及渗硼均 有加速作用，并在生产上得到了小规模的应用。最近又发现，不但渗剂中的稀土可以加 速渗碳过程，钢中的稀土对表面渗碳也可以起到加速作用，但其作用逊于渗剂中的氧化 物【3 6 1 。由于工件的失效，主要是从表面的破坏开始，稀土用扩渗的办法加到工件的表层， 避免了稀土在钢冶炼过程中加入所可能发生的烧损和氧化，能够较稳定的发挥稀土在钢 铁制品表层的改性作用，提高工件的使用性能。稀土共渗提高工件的表面性能，是稀土 在钢铁材料中应用的一个发展，也是稀土在钢铁中加入方法的一个发展【如。 1 3 镁在钢中的应用 镁具有良好的去气、脱硫作用。镁与氧的亲和为要比铝与氧的亲和力大。通常，金 ， 内蒙古科技大学硕士学位论文 属与氧的亲和力可内它们的氧化物生成热和分解压来判断氧化物的牛成热越大，分解压 越小，则金属与氧的亲和力就越强。亲和力随温度下降而升高。单独用镁处理钢水时， 镁和氧反应，生成氧化镁。氧化镁熔点很高，约为2 8 0 0 ，沸点3 6 0 0 ，比钢水轻很多， 从而氧化镁可以从钢水中浮起，进入熔渣，使钢中氧含量下降。镁和硫生成化合物m g s ， 镁和硫的亲和力比锰、铁高得多，单独使用镁处理钢水时，所生成的硫化镁比重比钢水 低很多，熔点高于2 0 0 0 ( 2 ，能上浮到钢水表面熔渣里，降低了钢水含硫量。温度下降， 镁和硫、氧的亲和力大增，所以，浇注、凝固过程中，镁继续脱硫、脱氧，不断生成硫 化镁和氧化镁【3 8 】。 镁在钢铁脱硫中的应用镁正在成为整个北美钢铁生产中是钢脱硫的首要化学品，在 欧洲采用镁作为脱琉剂的比例为6 0 。这种方法工艺简单，镁对硫具有较好的亲和力( 吨 低硫钢需镁脱硫剂用量不到0 5 k g ) 。镁的这种独特性质，使钢铁企业能够在较低的成本 下实现高产量、高质量，这种优质钢可用于汽车、设备和结构体中镁用于脱硫，不仅 改善了钢的可铸性、延展性、焊接性和冲击韧性，而且降低了结构件的重量，这就进一 步增加了镁在钢铁工业中的需求量。但是，由于镁的原子量为2 4 3 2 ，属于紧密六方晶格 排列，镁的沸点比钢水温度低、比重低，加入钢水会迅速汽化，引起激烈反应：因之， 直接用纯镁处理钢给操作带来很多困难。 1 4 稀土和镁复合变质剂在钢中的应用 镁与稀土元素可以形成具有溶解度较大的固溶，而镁与铁、铜、锰、钙之间有少量 溶解或几乎不溶解。因为元素彼此溶解能力大小和原子半径、电负性等因素有关。两种 元素的原子半径相差超过士1 5 ，它们相互的溶解度很小或不溶于原子半径相差小于士8 的元素可以形成溶解度较大的固溶体。两元素电负性差值大子0 4 单位，则它们之间溶 解度将很小。钇在镁中的溶解度是1 2 5 ，并且其溶解度曲线随温度的改变而变化，表 明其具有很高的时效硬化的倾向【3 9 】。 钇镁合金处理钢，会有较好的脱氧效果，因为它们能组成熔点较低、比重较小的稀 土硅酸盐，给氧化物上浮创造了前提。炼钢中为达到获得清洁钢的目的。用钇镁合金处 理钢时，由于镁的沸腾，搅拌铁水可导致稀土硫化物、稀土氧化物等排出钢水之外，在 这种情况下，稀土的去气、脱硫、净化金属的作用能有效地表现出来。使用钇镁合金， y 、m g 元素的脱氧、脱硫的作用复杂。同一元素的氧化物比硫化物稳定，稀土氧化物、 硫化物分别比氧化镁、硫化镁稳定。稀土钇应该起主要脱硫、脱氧作用，镁不起主要作 用。稀土钇和镁先脱硫后脱氧。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 5 稀土和镁复合使用现状 在用这一类铁合金处理铸钢和低合金钢时，发现钢的塑性和冲击韧性提高，而发生 冷脆性的温度上限降到了零下6 0 - 7 0 c 。稀土脱硫的产物形成球状或椭球状的夹杂。用 f e - s i r e - y 合金对管线钢进行处理获得了良好的效果。用稀土和碱土金属合金对钢进行 微合金化处理适用于许多钢种和金属制品1 4 0 。 稀土和碱土金属在耐热钢和耐热合金的生产中有着很好的应用前景。用稀土、碱土 金属、钛、锆和共他元素构成比较经济的合金化组分来进行合金化和变质处理，是耐热 钢生产的基本方向之一。稀土和碱土金属用于结构钢、耐热钢、高速钢和其他钢种及合 金是很有效的。对结构纲微合金化的结果提高了焊接性能、塑性、低温冲击韧性、疲劳 裂纹扩展功和其他特殊性能。含有稀土、碱土金属的耐热钢具有很高的抗高温氧化能力， 较高的机械性能和铸造性能。稀土金属和碱土金属用于工具钢的补充合金化，结果使其 热稳定性、耐磨性能和切削性能都提高了。 1 6 总体评述及课题提出 在制造含钇钢种时，尚存在钇价格昂贵，钢包中加入时钇的回收率低且不稳定等一 些问题。为了提高钇的回收率及减少波动，本实验应用钇镁合金，来强化钇和镁在钢中 的积极作用。使用钇镁合金做变质剂，就有可能降低镁的加入量，遏制镁所引起的一系 列恶化钢性能的现象；也能减少稀土元素加入量，遏制稀土元素所引起的一系列恶化钢 性能的现象。但是，稀土残留量超过o 0 2 ，它的副作用( 有害作用) 渐渐显露出来，此 时，它遏制镁的作用也不再加强。例如，稀土残留量超过0 0 5 时，即使有足够多的镁 量，机械性能，特别是冲击韧性开始下降。稀土元素和镁残量只在一定范围内( 稀土残量 在0 0 2 0 0 4 ，镁在0 0 3 - 0 0 5 ) 钢的性能最好。 钇镁复合变质剂中镁的蒸气压比纯金属低得多，这降低了变质时的烧损，从而使镁 的有效利用率增高。然而在变质剂与钢水相互作用过程中，硅和其他基体元素含量逐渐 降低并相应地增加镁的蒸气压，使得在最后阶段与用纯镁相当。镁和稀土金属同时存 在，对镁的蒸发速度有很大影响。为了促进稀土在钢中的应用范围，本研究针对s s 4 0 0 钢，在实验室条件下加钇镁合金改善实验钢力学性能的探索性实验研究。 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 实验方案 2 1 实验准备 2 1 1 实验材料的选择 在本实验研究中，对s s 4 0 0 钢采用钇镁复合处理，力图改善的其各项性能，了解钇 镁合金的作用机理，对指导实践很有意义。实验钢主要化学成分如表2 1 。 表2 1 实验钢的主要化学成分( 质量百分数，) 2 1 2 钇镁合金的加入量 选用的变质剂为钇镁合金，其中稀土钇占钇镁合金总量的2 5 ，镁占比7 5 。根据 实验钢中含s 量以及钇镁合金m g 量来计算确定稀土镁合金变质剂的加入量。在钢水温 度与质量以及处理工艺基本稳定的情况下，钇镁合金加入量主要与原钢水含s 量和钇镁 合金含m g 量相关。m g 残留量一般控制在0 0 0 2 8 - 0 0 1 6 、s 为0 0 0 5 3 0 0 0 8 5 ，m g 烧损约4 0 5 5 ，所需m g 量： m g = ( m g 平蹶馏l + m g 脱s ) x 1 1 5 ( 式2 1 ) 根据脱s 反应方程式 m g ( g ) + s = m g s ( s ) ，a g o = 4 1 0 9 3 4 + 1 8 0 4 5 tj m o l ( 式2 2 ) 通过原子量比可求得每脱去一份s 需耗0 7 6 份m g 。于是 m g 脱s = o 7 6 x ( s 原- s 终) ( 式2 3 ) 根据钇镁合金的含m g 量，计算确定钇镁合金的加入量m ，即 m - - 8 7 4 s 黛+ 2 4 1 5 钇镁合金含m g 量x 1 0 0 ( 式2 4 ) 考虑实验室铸件厚度、钢水温度及操作方面的影响，应适当增加m 值范围。按此种 方法计算，钇镁合金的加入量范围为0 0 1 - 0 2 。拟定钇镁合金加入量为0 0 1 2 、0 0 2 4 和0 2 4 ( 为研究钇镁合金过量加入引起的结果而设定) 。 ， 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 表2 2 实验钢中钇镁合金的加入量 2 2 实验钢的冶炼 实验钢冶炼步骤为：烘干一装料一抽真空一钢料完全熔化一充氩一加入钇镁合金一 浇注。实验钢在z g - 0 0 1 真空中频感应炉中熔炼，为减少原料中碳元素和锰元素的烧损， 在原料熔化过程中采用碱性耐火材料做炉衬及浇注钢锭模内衬。为缩短熔化时间，将实 验用钢制备成长条状，并且为避免架桥，装料时，采取下紧上松，梯形装料的原则， 在装料到坩埚高度的2 3 处时，炉料集中在出钢槽的一侧。 待炉料完全熔化后，还应保持较高的温度，大约在1 5 5 0 - 1 6 0 0 c ，使气体和有害杂质 充分挥发，夹杂物充分分解，但温度也不应过高，以防有用金属挥发加速及加剧坩锅反 应。然后通入适量的氩气，待真空度有明显的下降后，加入钇镁合金。 钇镁合金加入方法：在充分脱氧的基础上，开始将钢液注入钢锭模中，浇注前应大 功率送电搅拌，使钢液温度和成分进一步均匀化，将氧化膜推向坩锅壁，以免混入钢锭 中，注速掌握慢一快一慢的原则。在钢水流出总量的1 4 时开始加入，合金加入方法为 插入法，把用纯铁皮包裹的钇镁合金颗粒( 粒度 2 r a m ) ，为保证合金熔化和搅拌均匀， 要快速插入在钢流冲击的部位同时吹氩搅拌，在钢水流出总量的l 2 时开始加入第二批 钇镁合金，在钢水流出总量的3 4 时开始加入第三批钇镁合金，整个工序中吹氩，以避 免成分的局部富集，通过这种操作，使钢中各组分保持稳定，并能提高y 和m g 的吸收 率。钇镁合金脱氧脱硫产物如y 2 0 2 s 、y s 等，遇到氧，可能发生“回硫”【4 l 】，降低钇 镁合金的硫化物形态控制效果。充入氩气保护，避免回硫。 为了保证实验钢的可比性，要求铸坯最终成分与目标相当，进行常规元素检验。用等 离子光谱一质谱仪测定钢中钇镁总量；为了测定钇镁对s s 4 0 0 钢性能的影响，前提要求钢 中低的氧含量和硫含量。从表2 3 看出，氧含量和平均硫含量符合实验要求。 表2 3 实验钢中元素含量 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 3 实验钢的锻造 实验钢在制取冲击试样和拉伸试样之前，要经过锻造和退火处理。铸坯是铸态组织， 有较大的柱状晶和疏松中心，因此必须通过塑性变形，将柱状晶破碎为细晶粒，将疏松 压实，才能获得优良的显微组织和力学性能，经过变形后的金属在组织、结构和性能等 方面发生了相当复杂的变化，并且有一部分外部能量以弹性能和缺陷能存储在金属内部， 这部分能量要通过退火处理释放出来，此为消除内应力。将铸坯先用锯床切下用于做铸 态分析的部分试样，然后将剩余部分切头去尾后，用4 0 0 k g 空气锤在1 1 0 0 锻造成 0 1 8 m m 的钢棒和厚1 5 m m 的钢板，然后在8 5 0 c 保温2 h 后冷却至室温。 2 4 试样的制备 2 4 1 用于观察夹杂物形貌的试样的制备 夹杂物在钢锭不同部位的分布不同，例如钢锭的边部、底部以及中上部就有明显的 差别：此外在锻轧材中，夹杂物的分布和形态与金相磨面的方向有关。因此根据研究的 目的，取纵向试样。样品制备包括粗磨、细磨、抛光三道工序。制备好的金相试样应满 足以下要求f 4 2 】：试面平整、光洁、无细微划痕、无锈蚀斑点；夹杂物完整无缺，无孔洞 和拖尾：无磨料嵌入。采用短毛的抛光织物，轻慢的抛光盘转速，尽量缩短抛光时间， 在抛光过程中不断地转动试样以及将试样预先进行淬火热处理等，以防止夹杂物脱落和 “拖尾”的一些行之有效的方法。在细磨和抛光过程中，用人工操作，可以得到较理想 的金相试样。 2 4 2 用于观察组织的试样的制备 表2 4 用于观察组织的试样的制备 通过观察显微组织的变化，来研究钇镁合金对钢的微合金化作用。用于观察显微