高锰钢中稀土合金的行为-朴东学课件

高锰钢中稀土合金的行为

朴东学

2012年12月.

浅谈高锰钢中稀土合金的行为0.前言：

随着高锰钢的深入研究和生产实践，稀土合金在高锰钢中已得到广泛应用。研究结果和生产实践表明，稀土合金在高锰钢中的作用主要行为表现在；一是细化晶粒；二是净化钢液改善冶金质量；三是较明显改善和改变铸态碳化物形貌和分布；从而改善高锰钢的铸造性能和力学性能，提高耐磨性。稀土的这种作用在铬系白口铸铁、各类耐磨钢中同样有明显效果。因此稀土是个工程金属材料中不可忽视的良好的“调料剂”之一。通过金相显微组织观察和能谱分析仪及表面张力测定，测试拉伸性能等（应力应变曲线），初步的揭示了稀土合金在高锰钢中的行为和作用机制，借此机会向各位同仁汇报相关的结果并与同仁共同探讨，请批评指正。注：文中有些内容引用他人的相关研究结果。

1.试验材料和试验方法及试验内容:

试验用高锰钢，其化学成分和稀土硅合金的加入量见表1。1.试验材料和试验方法及试验内容:

注：稀土合金中RE含量为20.5%：采用电火花钼丝切割机，从标准Y型试块中取得10mm×10mm×5mm的金相试样和Ф10x110mm抗拉试样；用测定润湿角和润湿高度方法测定钢液表面张力；用金相显微镜与扫描电镜观察铸态组织、晶粒与稀土夹杂物的分布与形态；用能谱仪分析夹杂物组成及含量；在电子式万能试验机上对稀土铸态高锰钢进行拉伸试验获得应力应变曲线（拉伸速度1mm/min）；用扫描电镜观察高锰钢断口形貌和特征；2#试样；稀土加入量为0.30%稀土加入量为0.60%图1不同稀土加入量的高锰钢铸态组织

从1#和2#试样实测铸态晶粒度结果表明，不加稀土高锰钢晶粒平均尺寸约240~280μm；加入0.3%稀土硅铁合金的铸态高锰钢平均晶粒尺寸约为184μm；加入0.6%稀土硅铁合金的高锰钢平均晶粒尺寸约为190μm；较明显细化晶粒。随着稀土硅铁加入量的增加（0.3%~0.6%），高锰钢铸态奥氏体晶粒尺寸较明显减小倾向，但晶粒大小不十分均匀，碳化物明显减少并呈现粒状。这是因为：

一是稀土与氧硫亲和力较高已形成高熔点稀土氧化物和稀土硫化物及稀土金属键化合物，将增加成为成核质点所致（REO2S、Ce2O2S、CeS、Ce2O3）；二是稀土是表面活性物质，

加入钢中将降低相界面的表面张力（减少润湿角和润湿高度），从而促使降低晶核形成功，加快晶核形成速度激剧增加，为细化晶粒创造良好条件，同时也加大晶粒的不均匀性；

三是在结晶过程中，稀土元素在基体和其他相中分配系数很小，其表面活性大大增加，

由于稀土的选择性吸附的结果，它们大多富集在正在长大的晶体与钢液的界面上，

建立起了一层吸附薄膜，这种一层吸附薄膜将阻碍并降低了晶体长大的倾向和晶体长大速度，

使铸态晶粒得到细化，同时稀土易吸附在择优成长的碳化物[001]晶向，有效限制此晶向成长速度，使碳化物呈现粒状。稀土的细化晶粒的作用与Ti共用时其效果更显著(易形成TiN质点所致)。

四是随着稀土含量的增加，将降低易析出碳化物处含碳量，减少碳化物成核质点，同时稀土的选择性吸附的结果，吸附薄膜将阻碍正成核将成长碳化物，从而减少晶界碳化物含量。

图2是分别加入为0.3%、0.6%稀土硅铁合金的铸态高锰钢夹杂物的SEM形貌及其对应能谱。2.2稀土对高锰钢夹杂物的影响：

稀土的作用:一是脱氧脱硫生成RE2O2S、Ce2O2S、CeS、Ce2O3形成渣上浮,减少硫氧形成夹杂物倾向；二是Re与钢液低熔点有害元素Pb、As、Bi、Sb、Sn、Zn等生成高熔点金属化合物,当其熔点高于冶炼金属温度时上浮形成渣，同样减少夹杂物；三是Re的吸附和孕育+变质作用细化夹杂物，同时有效改善夹杂物形态和分布；

不加稀土时的夹杂物图2不同稀土硅铁合金加入量高锰钢的夹杂物SEM形貌及其对应能谱

图3是加入为0.3%、0.6%稀土硅铁合金的高锰钢的稀土夹杂物的SEM形貌。

图3高锰钢的稀土夹杂物分布SEM形貌 可看出，加入0.3%稀土硅铁合金的高锰钢的稀土夹杂物呈弥散分布；加入0.6%稀土硅铁合金的高锰钢的稀土夹杂物出现偏聚，其形状恶化、尺寸变大、易生成脆性稀土金属键化合物，起不到细化晶粒及提高强度的作用； 稀土对高锰钢的影响具有两面性。一方面适宜的稀土含量

能够有效净化钢液改善冶金质量（有效减少氧含量+氢含量+硫含量等），可细化晶粒和组织；另一方面过多的稀土含量，将增加夹杂物含量、恶化其形态和分布。

2.3稀土对高锰钢力学性能的影响：加入0.3%稀土硅铁合金高锰钢的硬度是236HB，加入0.6%稀土硅铁合金高锰钢的硬度是220HB。随着稀土含量的增加（0.3%~0.6%时），稀土夹杂物尺寸变大，且易聚集成串，易生成脆性稀土金属键化合物，起不到细化晶粒及提高强度的作用，从而造成强度下降。图4是不同稀土硅铁加入量的高锰钢的应力应变曲线。0.3%RE0.6%RE

图4不同稀土加入量时高锰钢铸态应力-应变曲线

图5是铸态高锰钢拉伸断口宏观形貌（稀土加入量为0.6%）。可看出，晶粒比较粗大，呈石块或冰糖状，暗灰色是典型的沿晶脆性断裂。

图5高锰钢拉伸断口宏观形貌

图6是铸态高锰钢拉伸断口韧窝形貌及其能谱（稀土加入量为0.3%）。可看出，韧窝呈等轴状，韧窝处分布较多的稀土夹杂，在拉伸正应力作用下，应力在整个断口表面分布均匀。在钢铁冶炼过程中，稀土等复合夹杂偏聚，导致应力集中于碳化物，在拉伸过程中，应力垂直于碳化物，导致沿稀土夹杂物处断裂。图6高锰钢拉伸断口韧窝形貌(a)及其能谱(b)3.小结：

3.1.通过试验比较可以看出，加入0.3%稀土硅铁合金的高锰钢铸态组织细小均匀，晶粒尺寸约为184μm。稀土能够有效改善高锰钢中夹杂物形态与分布，稀土夹杂物尺寸约3~3.5μm，近似椭圆状，弥散分布，具有良好好综合力学性能（硬度256HB，抗拉强度652MPa，屈服强度420MPa，伸长率为36.3%）。 3.2.加入0.6%稀土硅铁合金的高锰钢,较加入0.3%稀土合金高锰钢，其强度（抗拉强度是560MPa，屈服强度是309Mpa）、韧性下降尤其是延伸率（伸长率是4.7%）。稀土夹杂物尺寸变大（4.5~5.0μm），且易聚集成串，易生成脆性稀土金属化合物，起不到细化晶粒及提高强度的作用，从而造成强度下降。 3.3.断口分析结果表明，加入0.3%稀土硅铁合金的高锰钢，其断口多数呈韧窝并呈等轴状，加入0.6%稀土硅铁合金的高锰钢，其