稀土对含铌钢组织和性能的影响

稀土对含铌钢组织和性能的影响朱兴元陈邦文姜凤琴曾静朱天佑林勤
摘要：研究了稀土对含铌钢组织和性能的影响,研究结果表明,稀土元素的加入使钢的纵横向强度先下降而后上升,钢的延伸率和冲击功则先上升而后下降,其对改善钢的强度和-20℃以下冲击功的各向异性不明显,而且对细化晶粒度和夹杂物级别影响不显着,但
稀土元素的加入使铌的析出量略有增加。

关键词：稀土含铌钢性能
ROLE OF RARE EARTH IN Nb-BEARING STEEL
Zhu Xingyun
（Wuhan Iron & Steel Corp.）
Cheng Bangwen
（Wuhan Iron & Steel Corp.）
Jiang Fengqin
（Wuhan Iron & Steel Corp.）
Zeng Jing
（Wuhan Iron & Steel Corp.）
Zhu Tianyou
（University of Science & Technology Beijing）
Lin qin
（University of Science & Technology Beijing）
Abstract：Effects of rare earth on the micro structure and properties of
Nb-bearing steel have been investigated. Results prove that addition of rare earth elements into the steel causes the transversal and longitudinal strength of the strength decline initially and rise afterward, and the elongation and impact energy of the steel change in the reversal direction. As the results addition of rare earth in the steel could hardly improve the strength, anistropism and impact toughness below -20℃ and its effects on the grain refining and inclusion size improvement are also negligible, however it could probably offer a slight increase in Nb precipitation.
Keywords：rare earth Nb bearing steel property
1 前言
近几十年来,随着微合金化元素Nb、V、Ti在钢中的广泛应用,使得微合金化钢得到了迅速发展,而微合金化元素Nb、V、Ti主要是利用其碳氮化物应变诱导析出与高温形变再结晶的交互作用产生晶粒细化以及沉淀强化的效果来提高材料的强度和韧性,但钢中
其它元素的存在会对碳氮化物的沉淀析出反应产生影响,因此在含铌钢中稀土元素的加
入同样会影响到其强化效果,研究表明［1］,稀土在奥氏体相温度范围可以阻止铌沉淀相的析出过程,并且有迹象显示:在奥氏体相区及铁素体相区,稀土对含铌沉淀相析出的作用
规律可能不同,因此本研究主要开展稀土对含铌钢作用的研究,探寻稀土在含铌钢中的作用规律,探讨不同稀土含量对含铌钢的组织、性能以及沉淀相析出规律的影响。

2 试验条件和试验方案
试验钢在50 kg真空感应炉中冶炼,稀土为含铈量大于99 %的纯铈金属,稀土在冶炼终点和出钢前加入,试验钢的化学成分见表1。

表1 稀土微合金钢化学成分(w) %
试验钢先采用铝线进行脱氧处理后使用氩气保护注锭,钢锭为50 kg的圆锭,钢锭在1 200 ℃加热保温2 h,在小轧机上进行两阶段控轧,开轧温度1 150 ℃,再结区轧制温度为1 000～1 150 ℃,非再结晶区轧制温度为800～950 ℃之间进行,具体轧制工艺参数见表2所示。

表2 轧制工艺参数
3 试验结果及分析
稀土对钢的力学性能的影响
稀土对钢的屈服点、抗拉强度的影响
试验钢的横向、纵向屈服点及抗拉强度平均值见表3所示,由表可见,稀土的加入,首先使含铌钢的纵横向性能下降,在稀土含量为 %左右时最低,而后随着稀土含量的增加,
其纵横向力学性能又提高,这与有关文献报导所呈现的趋势相吻合［2］。

表3 稀土微合金钢的屈服点及抗拉强度
稀土对钢的延伸率、断面收缩率及冷弯的影响
表4为各组试验钢的横向与纵向延伸率及横向断面收缩率结果,图1、图2、图3则为其对应的曲线图,由图表可见,随着稀土含量的增加,钢的延伸率和断面收缩率提高,当RE含量达到 %左右时有一峰值出现,而后随着稀土含量的增加,钢的延伸率和断面收缩率下降。

图1 稀土与横向断面收缩率的关系
图2 稀土与横向延伸率的关系
图3 稀土与纵向延伸率的关系
表4 各组试验钢的横向与纵向延伸率及横向断面收缩率
稀土对钢的冲击功的影响
不同稀土含量,不同温度下试验钢的横向和纵向冲击功平均值见表5及表6所示,图4、图5则分别为其对应-40 ℃时的曲线,由图可见,在含铌钢中,随着稀土含量的增加,其不同温度下冲击功的数值均呈现先上升而后下降的规律,当RE含量达到 %左右时,钢的纵向冲击功达到最大值,而后逐渐下降,当RE含量达到 %左右时,横向冲击功数值最高,这是因为,稀土元素的加入把塑性的呈条带状的MnS夹杂物变成了高硬度难变形的球形或准球形的稀土硫化物或稀土硫氧化物,在轧制时不会沿轧制方向伸长,而球形夹杂大大减轻了
夹杂物引起的应力集中且不易发生横向破断,从而使冲击功数值提高,随着稀土的过量加入则冲击功数值下降,这是由于过量的稀土加入后,铈与铁能形成金属间化合物［3］,这种金属间化合物又硬又脆,体积很大,结构上也与基体金属不同,使钢的性能产生恶化。

表5 稀土微合金钢横向冲击性能
6 稀土微合金钢纵向冲击性能
表
图4 -40℃时稀土与横向冲击功的关系
图5 -40℃时稀土与纵向冲击功的关系
稀土对钢的各向异性的影响
试验钢的屈服点、抗拉强度及冲击功的各向异性见表7所示,由表可见,在-20 ℃以
上,RE的加入可以改善其冲击功的各向异性,对钢的性能和-20 ℃以下冲击功的各向异性影响不显着。

表7 各组试验成分的各向异性(横向/纵向)
稀土对钢的组织及夹杂的影响
稀土的加入引起钢的组织及夹杂的变化如表8所示,由表可以看出加入稀土金属后,钢的组织类型并没有发生变化,其组织全部为铁素体+珠光体,而对钢的晶粒度和夹杂物级别的影响并不显着。

表8 试验钢中组织、夹杂及晶粒度评级
稀土对钢中Nb的析出相数量影响图6为稀土对钢中Nb的析出相数量影响曲线,由图可见,钢中的铌绝大部分以沉淀相形式存在且随稀土含量的增加,铌的析出量略有增加。

图7则为700 ℃时稀土对钢中Nb的析出相数量的影响,由图可以看出,加入稀土后其沉淀相数量比不加稀土的沉淀数量普遍要高一些,这是因为［1］,在铁素体相区,铌的析出反应是形核长大控速,加入稀土后速率常数增大,说明RE可以促进NbC在铁素体相的形核,因此添加稀土将会有较多的临界形核核心,NbC沉淀颗粒数量将增多。

图6 稀土对钢中Nb的析出数量影响
图7 700℃稀土对钢中Nb的析出相数量影响
4 结论
(1)稀土加入首先使含铌钢的纵横向屈服点和抗拉强度下降,在稀土含量为 %左右时最低,而后随着稀土含量的增加,其纵横向屈服点和抗拉强度又提高。

(2)随着稀土含量的增加, 钢的延伸率和断面收缩率提高,当RE含量达到 %左右时有一峰值出现,而后随着稀土含量的增加,钢的延伸率和断面收缩率下降。

(3)随着稀土含量的增加,其不同温度下冲击功的数值均呈现先上升而后下降的规律,当RE含量达到 %左右时,钢的纵向冲击功达到最大值,而后逐渐下降,当RE含量达
到 %左右时,横向冲击功数值最高。

(4)在-20℃以上,RE的加入可以改善其冲击功的各向异性,对钢的性能和-20 ℃以下冲击功的各向异性影响不显着。

(5)稀土的加入并不改变钢的组织,其组织全部为铁素体+珠光体,其对钢的晶粒度和夹杂物级别的影响也不显着。

(6)钢中的铌绝大部分以沉淀相形式存在且随稀土含量的增加,铌的析出量略有增加。

作者简介：联系人:朱兴元,博士研究生,武汉市(430080)武钢技术中心作者单位：朱兴元（武汉钢铁集团公司）陈邦文（武汉钢铁集团公司）姜凤琴（武汉钢铁集团公司）曾静（武汉钢铁集团公司）朱天佑（北京科技大学）林勤（北京科技大学）。