稀土对含镍低碳铸钢组织和性能的影响

姜延亮　郭海龙　郭二军　冯义成

摘要：以含镍低碳铸钢为研究对象，通过改变一号稀土加入量，经过金相组织观察、拉伸试验、冲击试验、夹杂物形貌分析、能谱分析等，研究RE含量变化对铸钢试样组织和性能的影响.研究结果表明：铸钢试样经调质处理后，组织为细小回火索氏体，存在少量铁素体.随着一号稀土质量分数增加，回火索氏体含量增多，晶粒尺寸减小；长条状或者尖角状夹杂物减少，稀土夹杂物主要是以球状或者近球状的形态存在，大小在5～10um，抗拉强度、屈服强度和布氏硬度总体上呈现不断增加的趋势，在一号稀土含量为0.5%时，其值最高，抗拉强度为905.2MPa，屈服强度为776.7MPa，布氏硬度为274冲击功先增加后降低，一号稀土质量分数在0.3%时，冲击功值为80J。

关键词：一号稀土；铸钢；显微组织；力学性能；夹杂物

DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.023

中图分类号：TGl42

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2016）06-0123-04

0.引言

铁路货运作为当今最为重要的一种货运方式，随着其规模的不断扩大与发展，货车载重量的持续增加和运行速度的不断提高，列车各部件承受的载荷也越来越大，货运列车的安全运行更显得重要，车钩作为一种用于车辆与车辆，机车与机车或动车与动车相互连接，随着运行条件日益恶劣，钩体经常出现裂纹等失效现象，尤其是在北方，它既要经受低温的考验，还要承受冲击、拉伸、弯曲等多种复杂的作用力，并经常受到较为严重的相对摩擦，这些已然成为铁路运输安全的重大隐患，其材质的要求被不断提高，开发研究变得刻不容缓，研制出具有较高综合性的车钩材料便具有重要意义。

稀土在钢中的作用主要是4点：细化晶粒、变质夹杂物、净化钢液和微合金化的作用，稀土元素可以显著提高铸钢性能，因此，本文采用一号稀土为变质剂，研究一号稀土加入量对含镍低碳铸钢组织和性能影响，为开发适宜于车钩用高强韧铸钢材料提供指导。

1.试验材料及试验方法

制备铸钢试样选用的都是优质原材料，包括45*钢、纯铁（Fe≥99.997%）、低碳铬铁、钼铁、锰铁、硅铁、纯镍、工业纯铝、纯铜等。

制备试样所需钢水采用160kW中频感应炉（型号为GWJ-0.25）熔炼，在配料的过程中要考虑si和Mn元素的烧损率，确保试样成分一致性.根据积累的试验数据资料，确定si元素烧损率为16%，Mn元素烧损率为10%，c及其他合金元素不计烧损，配料时加入0.04%的Al终脱氧.制定的实验方案如表1所示。

熔炼过程中的加入原材料顺序为纯铁→45*钢→钼铁→铬铁→纯镍→纯铜→锰铁→硅铁，用工业纯Al条进行充分的终脱氧，将一号稀土砸制成适当的颗粒大小（直径大约在6mm）通过包底孕育方式加入，铁液的出炉温度在1600～1650℃之间，在1550°C左右进行浇注.其中一号稀土质量分数分别为0%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%.制备的五组铸钢试样为标准梅花试样.根据文[11]所述，确定铸态试样的热处理工艺：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），试样热处理在RJx-37-13型箱式加热电阻炉中进行，化学成分采用直读光谱仪进行分析.低温（-400°C）冲击性能用冲击试验机进行测量，冲击试样为夏比V型缺口试样，试样尺寸为10mm×10mm×55mm.室温拉伸性能用CSS44300型电子万能拉伸试验机测量，拉伸试样为圆棒，标距范围内直径为10mm，标距为50mm，试样硬度用HB-3000C型布氏硬度计測量.金相组织观察在OLYMPUS-GX71型金相显微镜上进行，金相试样采用标准金相试样制备方法制备，腐蚀剂用4%硝酸酒精溶液。

2.实验结果与讨论

2.1一号稀土含量对铸钢试样金相组织的影响

试样经过调质处理后，不同一号稀土加入量铸钢试样金相组织如图1所示，从图中可以看出，铸钢试样经调质处理后，组织为回火索氏体及少量铁素体；一号稀土加入后，试样的晶粒得到明显细化，组织大小均匀，随着一号稀土加入量的增加，铸钢试样的组织变细，分布均匀，当一号稀土加入量超过0.4%时，组织稍微变大。

细化晶粒的作用机理为：稀土作为表面活性元素可以使表面张力降低，从而降低了形成临界尺寸的晶核所需要的功，使晶核核心增加，另一方面，稀土为表面活性元素，易富集在结晶前沿，阻止晶粒长大，使铸态晶粒细化.同时稀土元素沿晶界富集，抑制了奥氏体晶粒的长大，使晶粒进一步细化.而且稀土元素与氧和硫有很强的亲和力，能形成高熔点的氧硫复合夹杂物，这些夹杂物以极微细粒悬浮于熔体之中，在钢液凝固过程中，这些夹杂物可作为非自发形核的核心，使晶粒细化，当稀土添加量过多时，过量的稀土中Ce形成了大量的二元或多元化合物，减弱了稀土原子成分过冷作用，使组织粗化。

2.2一号稀土含量对铸钢试样中夹杂物的影响

图2为未加稀土钢中的夹杂物形貌.可知钢中存在着一些长条或者具有尖角的S-O-Mn相夹杂物，这些钢的夹杂物破坏了钢的基体的连续性，当钢承受冲击载荷时，夹杂物周围应力集中，在带状夹杂物与基体界面处产生微裂纹，降低钢的韧性。

图3～图5是钢加入一号稀土后的夹杂物形貌和能谱.其中多为O-S-Ce，O-Al-Ce和Ca-S-Ce相.加入稀土后夹杂物变细小圆形含有Ce元素的复杂氧化物.夹杂物尺寸变小，一般大小在5～10um，没有长条和尖角，改善了形态，可改善材料的性能，

2.3一号稀土含量对铸钢试样力学性能的影响

不同一号稀土加入量的铸钢试样经调质热处理后，力学性能测试结果如表2所示。

从实验结果可知：随着一号稀土质量分数从0到0.5%不断增加，抗拉强度和屈服强度总体上呈现不断增加的趋势，在含一号稀土为0.5%时，抗拉强度和屈服强度最高，抗拉强度为905.2MPa，屈服强度为776.7MPa，随着一号稀土质量分数从0.2%到0.3%增加，延伸率逐渐增大，质量分数从0.3%到0.4%增加，延伸率逐渐降低，质量分数从0.40%到0.50%增加，延伸率增加.随着一号稀土质量分数从0.2%到0.3%增加，断面收缩率逐渐增大，质量分数从0.3%到0.4%增加，断面收缩率逐渐降低，质量分数从0.4%到0.5%增加，断面收缩率增加.这是因为随着含一号稀土量的不断增加，试样组织中的回火索氏体组织增多，回火索氏体是由渗碳体和铁素体组成，导致渗碳体质量分数增加，渗碳体增多可使试样具有较高的强度，但塑性较差，因此力学性能上总体上表现为试样的屈服强度、抗拉强度增加，一号稀土质量分数在0.4%时钢中的稀土夹杂物开始聚集，因此颗粒尺寸较大，铸钢的延伸率和断面收缩率下降，这是由于稀土质量分数增多，铸钢中产生的夹杂物较多，夹杂物影响了性能。

随着一号稀土量从0%到0.3%，冲击功缓慢升高，冲击韧性变好.一号稀土质量分数在0.3%～0.5%之间时，随着一号稀土质量分数增多冲击功逐渐下降，先缓慢下降，一号稀土质量分数到0.4%后快速下降，冲击韧性变差.当一号稀土质量分数为0.3%时冲击韧性最好，冲击功为80J.当一号稀土质量分数在0.5%时，稀土夹杂物聚集长大，尺寸增大，此时铸钢中出现脆性的稀土金属间化合物，降低铸钢的冲击性能。

随着一号稀土质量分数从0到0.5%增加，试样的布氏硬度逐渐升高，先快速增加，到0.3%后增加缓慢，一号稀土质量分数在0.5%时布氏硬度值最大，布氏硬度值为274，稀土元素的化学性质很活泼，可以与钢中的许多元素发生反应，细化了铸钢的组，从而提高了钢的力学性能。

3.结论

1）试样热处理之后组织为回火索氏体，与未加一号稀土试样相比，适当的加入一号稀土可以细化组织，使组织更加均匀。

2）加入一号稀土后，稀土夹杂物主要是以球状或者金球状的形态存在，大小在5～10um，长条状或者尖角状夹杂物减少，改善了材料的性能。

3）随着一号稀土质量分数从0.2%到0.5%不断增加，抗拉强度、屈服强度和布氏硬度总体上呈现不断增加的趋势，在含一号稀土为0.5%时，抗拉强度，屈服强度和布氏硬度最高，抗拉强度为905.2MPa，屈服强度为776.7MPa，布氏硬度为274，随着一号稀土质量分数增加，延伸率总体趋势增加，冲击韧性先缓慢升高，随后冲击韧性变差.在一号稀土质量分数为0.3%时，冲击韧性最好，冲击值为80J。