稀土形核剂对不锈钢的强化研究

成绵龙（广东产品质量监督检验研究院，广东 佛山 528300）



稀土形核剂对不锈钢的强化研究

成绵龙
（广东产品质量监督检验研究院，广东 佛山 528300）

摘 要：本试验旨在探究形核剂为稀土元素Ce时加入形核剂量与单相奥氏体钢力学性能的关系。所选取的研究对象为单相奥氏体钢1Cr17Mn6Ni5N，实验用钢经前处理后，通过观察不同稀土含量的研究试样在光学显微镜下的组织，并通过屈服强度、抗拉强度、延伸率及断面收缩率为表征指标来评价其机械性能。从而研究稀土元素Ce对单相奥氏体不锈钢的组织及力学性能的影响。分析得出：在一定范围内，随着稀土元素Ce加入量的增加，单相奥氏体不锈钢中细化晶粒，改变碳化物形态，减少碳化物偏聚，提高钢的强度。

关键词：稀土元素；不锈钢强化；形核剂

奥氏体不锈钢在工业与日常生活中有多种应用：在最近的时代里，不锈钢被广泛用于各个领域。因其组分决定着其耐蚀性，如何在维持组分不变的前提下更大限度的提升其力学性能以成为目前冶金领域的重要课题。基于以上前提并结合现有技术水平，细化材料晶粒为最有效的手段之一，而目前细化晶粒的方法为：

（1）加入形核剂以增加形核率；

（2）适当加大过冷度；

（3）振动处理：可采用机械振动，超声波振动来细化晶粒；

（4）通过热处理进行加热奥氏体化完成时得到细小晶粒；

鉴于以上方法的可行性，本实验选用稀土元素Ce作为单相单相奥氏体钢1Cr17Mn6Ni5N（牌号201）的形核剂，通过加入量的不同来评价其与机械性能的关系。

1 试样的前处理

1Cr17Mn6Ni5N不锈钢热处理后为单相奥氏体，本实验选取其为试验标的目的为便于后续观察其晶粒大小。Ce的加入方式种类较多，本试验考虑为使其固溶量最大，吉布斯自由能ΔG最高（本实验吉布斯自由能模型选取ΔG=UTS+pV），故选择真空冶炼方式加入。试样的制备为1Cr17Mn6Ni5N钢中加入相应的稀土元素Ce，使Ce元素固溶在1Cr17Mn6Ni5N的基地中。因为稀土的固溶量通常为10～1000ppm，以此标准来指导加入量，从而加入量不宜过大，本实验选择适当的浓度梯度进行研究，故选择0、0.1%、0.5%、1%的浓度最为稳妥。具体成分表见表1。

表1 冶炼配料化学成分（Wt%）

图1 含Ce量不同的1Cr17Mn6Ni5N显微组织

研究试验标的为大类上属于奥氏体不锈钢，冶炼缺陷无法避免，为产品性能考虑，同时便于研究的后续进行，需要对研究样品进行热锻处理消除组织缺陷，并后续进行热处理。热处理的目的是提高材料的均匀一致性并消除部分碳化物组织，同时消减部分样品钢的内应力以便后续的热加工进行，上述过程满足需要后需进行固溶处理以满足钢的使用性能。

2 试验过程与结果

含有稀土元素Ce的不锈钢组织结果如图1所示，通过观察及为单相奥氏体组织，符合预期目的。图1（a）是试验采用的1Cr17Mn6Ni5N不锈钢固溶处理原始组织。试验的腐蚀剂为：10mL浓盐酸+5g苦味酸混合至均匀后加无水乙醇稀释至100mL。腐蚀时间T=5s。

图1中的（a），（b），（c），（d）是稀土元素Ce质量分数为0%（未加入）、0.1%、0.5%、1%的显微组织，通过对晶粒度及晶粒度尺寸的生长趋势可以得出结论：随着稀土元素Ce质量分数的逐渐递增，可以较为直观的观察出晶粒度与Ce质量分数的正相关性。进一步说明材料中形核核心数量与Ce质量分数亦呈现相应的正相关性，形核功降低从而导致形核更易。鉴于所测试样品的组织为单相奥氏体，对于奥氏体晶粒度而言其影响因素有受多方面制约，如钢的组分含量，加热的速度与保温的时间，热处理水平梯度温度及稳定性。因为在本试验中需严格摒弃其他因素的作用，在维持冶炼因素与热处理因素相同的同时，亦对加热保温时间、温度控制、热处理加热速度进行严格的控制以保持其一致性。基于上述阐述，目前参数改变最大的即为组分含量，故判断参数的变化皆以组分含量为原因。比较各种因素，Ce为试验用钢成分中差异性最大的元素。而Ce属于稀土元素较为活泼，故其与非金属元素形成的化合物更为稳定。冶炼工艺中所存在的杂质元素多为S、P，而其化合物CeS的熔点为2450℃。如此高的温度在金属凝固中更易形成形核核心，从而对其晶粒度产生影响。

图2 试样的强度性能指标

图3 试样的延伸性能指标

关于强度的测定，拟选取试样的屈服强度、抗拉强度、延伸率及断面收缩率为表征指标，对应得到测定试样的屈服强度Rel、抗拉强度Rm、断后伸长率A及断面收缩率Z。本试样采用5倍标距圆柱试样，其中：拉伸有效距离为50mm，试样直径为10mm，工作段长度为70mm。结果如图2和图3所示可以看出：屈服强度随着稀土元素含量Ce的增加而增加，并呈现相应的线性正相关关系，这说明不锈钢试样产生永久变形的抗力逐渐增加；抗拉强度随着稀土元素含量Ce抗拉强度也逐渐升高，呈现的线性关系较屈服强度更为明显，这说明其抵抗断裂的能力增加，即抵抗塑性变形的能力大幅度提高。

结论

基于对稀土元素Ce对1Cr17Mn6Ni5N不锈钢的组织与力学性能的影响，得出如下的结论：

（1）通过对样品的金相组织分析与观察，在样品中加入稀土元素Ce后，晶粒度大小有增加的趋势。对于其成分而言，主要是以Ce元素的高熔点化合物；宏观上分析，其晶粒的尺寸会随着Ce含量的增加而减小。

（2）加入稀土元素Ce后，不仅使得1Cr17Mn6Ni5N不锈钢的强度有所提高，而且使得塑性得以改善。这种现象得益于稀土元素Ce加入1Cr17Mn6Ni5N不锈钢中后能够细化晶粒，改善钢的性能。

参考文献

［1］尹燕.新型不锈钢中稀土强化及耐腐蚀性能机理研究［D］.南京理工大学，2008.

中图分类号：TG142

文献标识码：A