稀土对含镍低碳铸钢组织和性能的影响

2017-02-21 20:54姜延亮郭海龙郭二军冯义成
哈尔滨理工大学学报 2016年6期
关键词:显微组织力学性能

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。

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