高锰钢中稀土合金的行为-朴东学

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1、高锰钢中稀土合金的行为沈阳铸造研究所朴东学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

2、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

3、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；2.1稀土合金对高锰钢金相组织的影响：图1是分别加入为0.3%、0.6%稀土硅铁合金的高锰钢铸态下的金相组织。2.试验结果通过定量分析结果表明，稀土加入量为0.3%时，稀土的收得率分别是0.0021%La、0.028%Ce稀土加入量为0.6%时，稀土的收得率分别是0.0044%La、0.054%Ce。1#试样；稀土加入量为0.30%稀土加入量为0.60%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

4、，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

5、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

6、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

7、加入量高锰钢的夹杂物SEM形貌及其对应能谱由图2(a)可知（加入0.3%稀土），含稀土高锰钢试样有稀土复合硫化物夹杂，弥散分布，平均尺寸约为3~3.5μm，呈不规则的椭球状分布；由图2(b)可知（加入0.6%稀土），黑色区域是在制样过程中夹杂物脱落导致，白色部分是稀土夹杂物，平均尺寸为4.5~5.0μm，稀土夹杂物呈尖角状与长条形，易导致应力集中，从而导致裂纹的产生，使试样在此处发生断裂。说明稀土加入量为0.6%时，就偏高。实践表明稀土残余量最好控制在0.025~0.030%为宜。稀土和硫亲和力强，稀土加入后能进一步降低钢中硫含量，以形成高熔点的稀土硫化物，其熔