稀土元素对钢材性能的影响

原 超

（山西安信建设工程检测有限公司，山西 晋城048000）

1 稀土元素的定义及特点

稀有金属是在地壳中含量较少，分布稀散或难以从原料中提取的金属。其中稀土元素是那些处于元素周期表中ⅢB化学性质接近的钪（Sc）、钇（Y）和镧系等17种金属元素的统称。因为稀土元素的原子尺寸大、化学活性强以及4f壳层价态可变等特点，所以稀土元素在冶金工业中有着广泛的应用，它在冶炼过程中可以作为重要的添加剂，起到净化、除杂以及变质的效果[2]。

2 稀土元素对钢材性能影响分析

针对钢设备在高温的复杂工况条件下存在高温氧化情况，导致设备使用寿命缩短等问题，提出在钢材中分别添加Y、Ce、Zr等稀土元素，对实验钢的组织、析出相和硬度等进行分析，探讨Y、Ce、Zr等稀有合金元素对组织的细化作用以及合金的强化机理。

2.1 实验材料

通过实验室合成钢材进行实验，主要原料为废钢、锰铁、硅铁、铬铁和镍板及其要加入的合金元素。将以上原料按照设计好的比例进行计算称重。将电炉加热至1 400～1 460℃将废钢放入进行融化，待钢水熔清后，将锰铁，硅铁熔清后加入，使温度达到1 500～1 540℃。将铝丝脱氧，加入镍铁，铬铁，此时温度达到1 600～1 650℃。再次用铝丝脱氧，并进行处渣。将温度控制在1 560～1 580℃，钢水迅速出炉，倒入底端放置合金元素（Y、Ce、Zr）的浇包中。静置一段时间，使钢水温度控制在1 530～1 550℃。将钢水倒入铸型浇注成基尔试块，即得到铸态奥氏体型耐热钢件，浇注完成10 h后打箱取出铸件。

2.2 实验步骤

2.2.1 拉伸实验

选取最大载荷为400 kN，升温速率为15℃/s，本实验分别选取室温（27℃），300℃、500℃和700℃作为实验标准温度。选取实验材料升至实验温度后以2 mm/min的拉伸速度进行拉伸试验，待试样拉断后喷水冷却，对拉伸三项数据（屈服强度、抗拉强度和伸长率）进行分析，同时观察不同拉伸温度下合金的断口形貌并对其断裂机理进行分析。

2.2.2 连续氧化实验

将实验样品打磨抛光，从100号到2 000号逐级打磨，保证打磨后样品没有明显划痕，打磨抛光后用游标卡尺测量三次，取平均值，计算表面积。在超声波清洗仪中加入丙酮，将样品放入，去除表面杂质。吹干后放入150℃的烘箱中烘干60 min，取出后放入干燥箱内备用。

采用Kss-1400箱式电阻炉进行高温氧化实验，实验过程在实验室空气中进行，将大坩埚洗净干燥，多次烘干直至三次称重没有变化为止，将试样斜靠在坩埚壁上，保证与空气充分接触，本次实验选取恒温氧化称重法，选取实验温度为1 000℃，氧化环境为实验室空气，选取20 h、40 h、60 h、80 h、100 h、120 h和150 h作为氧化时间。

2.2.3 表征方法

将实验样品用砂纸打磨抛光，用蒸馏水擦洗打磨后的样品，后用无水乙醇进行擦拭，用9.8 g FeCl3、30 mL盐酸与120 mL的酒精配成的混合化学腐蚀剂对所有成分的合金试样进行化学腐蚀，选取10～15 s的腐蚀时间，腐蚀完成后先用蒸馏水冲洗，后用酒精擦拭，选取150℃温度在烘箱内烘干，利用光学显微镜观测对腐蚀试样进行观测，可以观测出不同成分合金的组织形貌，析出相分布、晶粒大小等情况。

依据GB/T 4338—2006《金属材料高温拉伸试验》标准对实验样品进行拉伸[3]，试样尺寸设定为d=10 mm×12 mm；试验机为HTV-PHS30高温维氏硬度计，加载力为1 kg。以5～10℃/s的速率升温至室温、300℃、500℃和700℃，每种不同成分的合金在不同位置不同温度下等距打5个点，求取平均值及方差，绘制硬度随温度变化的曲线。

针对处理好的样品，利用扫描电镜对样品氧化试样的表面形貌，截面形貌及显微组织进行观测，对微区成分利用能谱仪进行点、线、面及成分分析，确定析出相的种类和氧化物组成。

3 实验结论

3.1 显微组织形貌分析

将实验钢进行金相显微组织观察，从图1中可以看出，合金的晶粒粗大，有一些黑色点状杂质析出，在实验钢中添加Y、Ce和Zr元素后可观测到明显的细化晶粒，尤其添加Ce后细化效果更佳显著，其中析出晶粒主要为短棒状和球状，如图2所示。从局部放大图中可以看出，加入Zr元素在晶粒内部和晶界处均有块状夹杂物析出，如图3所示。在实验钢中加入元素Y，晶粒内条状相主要沿晶界析出，如图4所示。

图1 实验钢的OM显微组织

图2 实验钢+Ce的OM显微组织

图3 实验钢+Zr的OM显微组织

图4 实验钢+Y的OM显微组织

3.2 高温硬度分析

从实验结果可知，实验合金的硬度均随着温度的升高而下降，从室温升至700℃，从图5可以看出，合金的显微维氏硬度值从大到小依次为：HZr合金＞HCe合金＞HY合金＞HY+Ce合金。

图5 实验钢高温维氏硬度

实验钢整体硬度偏低，主要是因为其含碳量较低，且合金均为奥氏体结构，对于钢来说，由于马氏体钢过饱和固溶的C含量高，所以其硬度最大。而贝氏体钢、珠光体钢、奥氏体钢及铁素体钢等硬度逐渐降低，从图1中可以看出晶粒尺寸较大，大尺寸的晶粒也会明显降低合金的硬度。

添加Zr元素后，实验钢硬度增加，主要因为实验钢中加入Zr元素后，会出现一些Zr元素的块状富集，而这些富Zr相经分析为纯Zr、ZrO2以及ZrC等构成。这些硬质相可以对钢材组织起到硬化的效果，从而提高合金硬度。

3.3 高温拉伸性能

从下页图6中可以看出，不同合金的屈服强度随着温度升高而降低，对于实验合金添加Zr元素（1号）合金与基体K-52（5号）合金相比，屈服强度强度有明显的提高，其中，1号合金与5号合金在常温和700℃的屈服强度分别为263 MPa、220 MPa和146 MPa、140 MPa。不同合金的抗拉强度均随着拉伸温度的提升而降低。添加Zr元素（1号）合金与基体K-52（5号）合金相比抗拉强度变化不大，1号合金与5号合金抗拉强度在常温和700℃时分别为444 MPa、409 MPa和264 MPa、271 MPa，如下页图7所示。温度对合金强度的影响，主要是由于温度对合金中位错的影响造成的。随着拉伸温度的升高，一方面晶胞内原子内能增加，原子在其位置的热振动幅度会增大，金属原子的能量增加，扩散能力变强，导致柯氏气团与孔洞等缺陷对合金中位错的钉扎作用减弱；另一方面，随着温度的升高，是合金中位错的动态回复能力变强，从而导致其位错本身的活性降低。

图6 不同合金的屈服强度

图7 不同合金的抗拉强度

4 结论

针对钢材在高温高压下寿命缩短等情况，提出在钢材中加入Y、Ce、Zr等稀土元素，探讨其对实验基体钢组织和性能的影响规律。实验钢中添加Y、Ce、Zr等稀土元素，明显改变了夹杂物的分布，使组织更加的均匀，同时细化了晶粒；但含Zr钢中会有块状富Zr夹杂物析出，含Y钢的析出相主要沿晶界分布，含Ce钢主要在晶内析出。稀土Y、Ce元素对合金高温硬度略有提高，而含Zr钢对合金的高温硬度提高的相对较多。加入Y、Ce、Zr等稀土元素明显提高了实验钢的屈服强度及拉伸性能，其中添加Ce元素的屈服强度提高5.37%，拉伸强度提高11.69%。添加Zr元素后屈服强度和抗拉强度分别平均提高了23.53%和6.73%。