眾所周知,在鋼材中添加適量的稀土元素會(huì)對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生重大影響。通常鋼中稀土元素的添加量為0.05%~0.20%。由于稀土與鐵的原子半徑之比遠(yuǎn)超過(guò)15%,而且稀土與鐵的電負(fù)性差異很大,這些都不利于固溶體的形成,所以稀土在鋼中的溶解度非常低。鋼中的稀土元素大部分以稀土化合物的形式存在,主要是稀土氧化物和稀土硫化物。
西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院開(kāi)展了在鑄鋼中添加稀土元素對(duì)其組織和性能影響的研究。他們以ZG35CrMnSi鑄鋼為試驗(yàn)材料,所用稀土添加劑為混合稀土。考慮到試料中含有一定量的硫和添加稀土元素時(shí)的損失,稀土添加范圍為0.23%~0.38%,該添加量是指冶煉時(shí)鋼水中添加的稀土總量。比較含有和不含稀土元素的兩組樣品的結(jié)構(gòu)和性能。鑄鋼件在中頻感應(yīng)爐中熔煉,鑄件采用熔模鑄造制備。然后將試件加熱到900°C+670°C空冷,然后加熱至890℃油中淬火;然后570~630°C火。
對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明,稀土對(duì)鑄鋼強(qiáng)度影響不大,但對(duì)鑄鋼韌性影響顯著。沖擊韌性提高43%,延伸率提高13.3%。顯微組織檢查表明,不含稀土元素的鑄鋼組織回火索氏體較粗,其晶粒度約為5;其中,灰色塊狀物為MnS夾雜物,并不分布在整個(gè)檢測(cè)面。一般來(lái)說(shuō),MnS 的形貌大多是有棱角的。稀土元素鑄鋼的試樣組織為均勻細(xì)回火的索氏體,晶粒度在8-9左右。表明添加稀土元素后,鑄鋼的組織可以得到細(xì)化。
另外,添加稀土元素后,鋼的脫硫效果不明顯,但對(duì)MnS的形貌影響較大。不添加稀土元素時(shí),鋼中的MnS呈帶棱角的條狀或塊狀;加入稀土元素后,硫化物呈近似球形,相對(duì)于不含稀土元素的樣品分布較為分散,但僅在少數(shù)地方可以看到條狀或塊狀的硫化物夾雜物。在不含稀土元素的試樣斷口上,MnS呈濃集狀,呈樹(shù)枝狀。MnS夾雜區(qū)斷裂主要為沿晶斷裂,局部可見(jiàn)沿晶二次裂紋。
在含有稀土元素的樣品中,斷口為韌性穿晶斷口。即使在硫化物集中的區(qū)域,基體金屬仍然是韌性穿晶斷裂。添加稀土元素的鑄鋼消除了枝晶狀硫化物,使其變成球形或非角形棒材和塊狀稀土硫化物,有利于提高韌性。
有研究指出,稀土元素精煉的原理可能是由于以下原因:
(1)鋼中加入稀土元素形成的硫化物和氧化物夾雜物,可成為鋼的非自發(fā)晶核,可細(xì)化等軸晶,縮短柱狀晶區(qū)。
(2)稀土元素在固相中的溶解度很小。一旦鋼水凝固,稀土在生長(zhǎng)晶體前部的液相中富集,阻止晶體生長(zhǎng),從而使晶粒細(xì)化。
(3)稀土元素容易在晶界富集,降低合金的界面張力,降低晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力,從而抑制奧氏體晶粒的長(zhǎng)大。相應(yīng)地,淬火形成的片狀馬氏體也較小。
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文章來(lái)源:@青蝠科技 作者:青蝠科技
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