钢中稀土微合金化作用与应用前景摘要：低氧硫钢中室温下稀土固溶量达10 ～1o～，MnS夹杂完全变质后，稀 土固溶量显著增加，酸溶铝．Nb，Ti均有利于提高钢中稀土固溶量 固溶稀土偏 聚在晶界，减少硫、磷在晶界的偏析，渗碳体中固溶稀土多于铁索体稀土和 碳相互作用，减少珠光体数量、珠光体片间距和渗碳体厚度，细化珠光体组织， 提高硬度稀土对钢的强度影响具有两面性，稀土能提高锰碳钢的屈强比和有 利于改善低合金高强度钢的强韧性稀土在低合金高强度钢中有广泛的应用前 景，发展具有中国资源优势的稀土徽合金钢有重要的意义关键词：稀土；微合金化；组织；强韧性北京科技大学从70年代开始稀土微合金化作席的研究工作，长期与武钢、攀钢、宝钢、鞍钢、包钢、大冶等钢厂合作，先后开展了稀土与钢中其它元素相互作用的物理化学规律的研究；钢中稀土相分析、稀土固溶量及固溶度测定；稀土夹杂物形成及去除规律的研究；稀土处理最佳控制；低氧硫钢中稀土固溶规律与微合金化作用的研究等工作，为稀土在钢中作为合金元素的应用奠定了基础，对深入了解稀土作用机理有重要的理论意义；对以稀土作为合金元素，发展具有中国资源特色的稀土低台金钢和合金钢系列，把稀土资源优势转化为产品优势、提高国际竞争力，有重要的经济意义。
1 钢中稀土固溶度和固溶规律应用钢中稀土固溶量测定专利，研究十余种钢中稀土固溶的规律 ]应用化学法和物理法相结合，测定了室温下铈在低硫1 6Mn钢中的固溶度为0．0092~0．011 ，内耗峰的变化也证实，当固溶铈量高于0．011 后，铈在钢中的溶质晶界峰高不变，表明铈在钢中达到饱和n]应用放射性同位素示踪法“ 观察到La在Fe中的ss峰和La对内耗峰的影响 也都证实室温下钢中能够固溶稀土，超低硫氧微台金钢中稀土固溶量可达到10 ～10_‘数量级“]随温度升高，钢中稀土固溶量显著增加，如在900℃时10MnV钢中固溶稀土量可达0．0257 ]稀土和氧硫有很强的亲合力，钢中加入稀土首先形成各种稀土夹杂物『在总氧量高于0．005 ，硫含量高于0．015 的钢中．在通常稀土加入量下，98 以上稀土 夹杂物形态存在，固溶稀土仅有l0 数量级在更高的氧含量下，如高于0．01 ，稀土加入起不到变质MnS夹杂作用，形成大量聚集的氧化物夹杂图1和图2分别是l 6Mn和09CuPTi里钢中固溶稀土量和RE／S比值关系，表明在RE／s一2．O和1．5附近有个转折点在MnS夹杂完全变质后，钢中固溶稀土量随RE／S比值的增加明显增大。
在X60、15MnHP、20MnVB、25MnTiB、09SiV等钢中都证实有转折点，在[0]< 0 005 ，[S]一0．008 ～0．025 钢中这个转折点聪应于MnS夹杂完全变质的RE／S比值附近不同钢种转折苣对应的钢中稀土含量或RE／S比值不同，匿此，要获得较高而稳定的稀土固溶量，先决条件是钢中氧硫含量要低在[s]一0．00I 8 ～ o．0026 'l0]一0．001 5 ～0．0025 的铌钛1 台金钢中，固溶稀土量达到0．0076 ，占钢中总稀土量的 O ]纯净钢的生产为稀土作为台金元素的应用奠定了基础台盒元素对钢固溶稀土量有明显的影响，Nb、V、Tt均有利于提高钢中稀土固溶量，其中以Nb作用最为显著(图3)稀土固溶量随钢中酸溶铝的增加而增大(图4)2 固溶稀土在钢中的分布及 用离子探针和饿歇能谱分析均表明固溶稀土富集在晶界，但晶内也有稀土固溶，不锈钢自射线照相也表明有同样的结果应用TEM+EDX 方法删定95O～l1 50c含有0．1 5 Ce的样品，＆ 晶界偏聚浓度高达2．5 上口] 沿晶断1：3离子探针分析(表1)表明，稀土富集晶界，其离子相对强度比是晶内的2～ 3倍，磷和硫在晶界偏聚更为严重。
加稀土后，由于稀土在晶界的偏聚，明显改善了硫和磷在晶界的偏聚，并随着稀土固溶量的增加，偏聚逐渐减小晶界上硫的偏聚要比磷偏聚更容易消除 钢中稀土固溶量达到76×10 时，s和P晶界偏聚基本消除，稀土和S、P相互作用，降低它们在钢中的活度，有利于降低晶界S、P的平衡偏聚浓度其次稀土和S、P之间电负性差大于S、P和Fe之问电负性差，稀土和S、P之间强的相互作用，减弱了硫磷与基体铁原子阃的相互作用，减少了硫磷有害的脆化作用 稀土净化晶界，强化晶界是超低硫钢改善高、低温性能的重要原因稀土细化晶粒和组织，也和稀土在晶界行为密切相关目此稀土和晶界是稀土微台金化作用研究的重要内容在低硫16Mn钢中铁索体显微硬度随钢中稀土固溶量增加呈线性增大H =11 6．8十6．97[固溶ce量] 相关系数0 99而珠光体显微硬度随钢中稀土固溶量增加得更快在高碳钢晶内和晶界，铁索体和渗碳体中俄歇能谱分析表明，稀土在晶界多于晶内，渗碳体中多于铁索体，在铁索体上观察不到La和ce的俄歇峰，而在碳化物中却出现了La和ce的俄歇峰x射线衍射分析结果(表2)表明，由于固溶稀土的存在，引起n—Fe和Fe C面间距的增大，其增加幅度随稀土固溶量的增加而增大。
说明固溶稀土不仅存在于晶界，也存在于晶内；固溶稀土既存在于a Fe中．也存在于Fe比较表2中Fe和Fe c的 d值．可见固溶稀土对Fe：c面间距的影响比对a Fe的影响大，也说明固溶稀土更多地存在于渗碳体中，使Fe C晶格发生较大的畸变实验证实珠光体的显微硬度随钢中固溶稀土量的增加高于铁索体13 稀土和碳相互作厢及其对显微组织的影响碳是钢中重要元素，稀土和碳的相互作用将影响碳化物析出、相变和组织，从而影响钢的性能因此稀土和碳的相互作用，是研究稀土微合金化作用的重要方面图象分析仪测定退火样品中平均珠光体面积百分数(表3)结果表明，稀土使10 、20 、1 6Mn、x 60和20MnVB钢珠光体数量减少，铁素体量增加J55钢中固溶有l5×1旷 稀土，使铁索体量平均增加1O 随着钢中固溶稀土量的增加，珠光体量减步，而珠光体量和钢中稀土总量没有对应关系低硫MnNbTi低合金钢中 珠光体面积A(pro)和固溶铈量占总铈量的百分数有下列关系：A：44．8—0．96[Ce目*／Cea~i， ]珠光体平均直径R( m)也有下列关系：R=8．61—0．1 3[ce目 ／c ”t， ]表明随钢中稀土固溶量的增加，珠光体数量和尺寸都减小，细化了珠光体组织，但总铈量超过0．05 ，析出铁铈相后，又使珠光体数量和平均直径增大。
固溶有0．0092 稀土的退火1GMa钢，SEM 分析表明，稀土使珠光体片间距减小15 ～2 ，渗碳体厚度减小1 ～23％ ，细化了珠光体组织同样过量稀士，又使珠光体片层间距和渗碳体厚度增大14MnNb钢正火组织，也表明一定量的固溶稀土，可使大片不规则珠光体、细化和球化，数量减少并消除魏氏组织稀土抑制奥氏体晶粒长大和细化晶粒，均有利于消除魏氏组织同样在高碳钢中稀土使珠光体中渗碳体由长片状变为短片状，随着固溶稀土量的增加，局部珠光体转变为粒状，发生珠光体形貌退化根据电子结构理论计算表明，“稀土空位一间隙碳”模型有利于降低体系的能量稀土和碳相互作用，降低碳的活度．增大铁索体的溶碳能力，导致珠光体数量减少和依赖晶界形核的状况，也有利于珠光体弥散的分布其次稀土在奥氏体晶界的偏聚，改变了晶界状态，增加珠光体新相形核功，使形核率降低珠光体中固溶稀土更多存在于渗碳体中，使Fe c晶格发生较大的畸变，使铁素体和珠光体两相相互促进的生长方式被破坏，从而导致珠光体形貌的退化稀土和碳相互作用也表现在固溶稀土对淬火钢回火过程中的马氏体及残余奥氏体分解温度和热效应的影响(表4)ll 随着钢中溶解稀土的增加，马氏体和残余奥氏体的分解温度均升高，表明稀土元素和碳的相互作用，阻碍了钢中碳原子的扩散，延缓了钢的回火时的转变，有利于碳索工具钢的回火稳定性的提高 由于稀土与碳的相互作用，形成非均匀奥氏体，非均匀奥氏体淬火将促进马氏体板条化。
稀土降低马氏体分解的热效应值，是由于稀土促进马氏体板条化，板条马氏体的畸变程度小于片状马氏体，因而板条马氏体的畸变能低于片状马氏体，故分解时热效应值△H减小，马氏体相变产生的应力很大一部分集中到残余奥氏体中，因而残余奥氏体分解将大量放热，由于稀土促使马氏体板条化，也将减少残余奥氏体的数量；同时马氏体相变应力减小，使加稀土后残余奥氏体贮存的应力也减少因此，随着钢中稀土固溶量的增加，残余奥氏体分解的热效应值△H显著减小4 稀土与钢的强韧性稀土改善韧性作用认识比较一致，但对强度的影响就有不同实验结果和看法，我们系统研究了1 6Mn、14MnNb和X60钢中稀土对强度的影响规律(图5)总体看钢中添加适量稀土对强度影响不明显重艰随钢中稀土量的增加，多数呈现先下降后上升的规律稀土对钢的强度影响有两面性一方面是稀土净化钢液，与C、N、P交互作用，减少珠光体数量等作用，会导致钢强度的降低；另一方面，稀土固溶，细化晶粒，减少珠光体片层间距及渗碳体片厚度和促进碳氮化物的细小，弥散析出“ 等作用有利于钢强度的提高在稀土量不高时，前者作用大于后者，造成加稀土后，钢强度的下降；随着钢中稀土量的增加，后者作用增大，导致钢强度的升高。
在多数钢中强度下降或升高一般幅度都不是很大(波动在土15 )稀土对强度的影响和钢中稀土量及存在形态密切相关，当含有过量稀土，尤其有铁铈相析出，又会造成钢的强韧性的下降 这些是造成文献报导稀土对钢强度影响相互矛盾的重要原因其次，多数碳锰钢研究表明，稀土提高屈服强度作用大于抗拉强度，从而导致加稀土后钢的屈强比的升高(表5)屈服强度和片层间距一1／2次方成正比，而片层间距对抗拉强度的作用要弱些，稀土能减小珠光体片层间距，因此稀土使屈服强度提高得多其次，固溶强化的主要原因在于固溶体的结构特点(短程有序、偏聚及其它结构)和溶质原子及位错的交互作用，当溶质原子稀土与位错之间引起交互作用形成Cottrell气团后，位错要挣脱气团进行运动时，需要更大的外力，导致固溶有稀土的钢屈服强度有较大的提高 对于钢中含有强的强化元素，如含Nb或Nb、Ti，稀土对屈强比的影响变得不显著钢中加入稀土对强度的影响，无论是升高还是降低幅度都不太大，但是对钢的冲击值的提高是很显著的例如含稀土0．032 的低硫铌钢，稀土仅使横向屈服强度和抗拉强度分别增加2 和降低3 ，但能使横向冲击值提高23 (一20c)和50 (一40C) 这是稀土在低合金高强度钢中作用的重要优势，稀土有利于提高钢的综合性能。
5 发展具有我国资源优势和知识产权的低合金钢系列稀土加入钢中以净化钢质和控制夹杂物形态为目的，对钢中稀土含量不作具体的要求，称为稀土处理钢 95 以上稀土以夹杂物形式存在 而稀土钢或稀土微合金钢，是指稀土以合金化为目的而加入钢中，其含量有一定的范围稀土含量是根据人们对钢的组织和性能的实际要求来确定，含量低于要求量，则发挥不了作用，反之，若过量则给钢的性能带来不利的影响 因此稀土处理钢不等于稀土钢，尽管生产中有些稀土处理钢已经表现出稀土微合金化的作用微合金钢并不以元素固溶量多少为标准，如硼钢其硼含量就很低其次，在发展微台金钢过程中，如铌钢，早期就称为铌处理，随着人们对铌在钢中行为的认识和控制水平的提高，才发展为今日的铌微合金钢 稀土处理钢发展为稀土微合金钢也应该有个过程，钢中稀土微合金化作用目前还处在认识研究阶段，实现稀土微合金化的控制和实用化，还需做许多工作，尤其需加强基础理论和应用研究我国有丰富的稀土、Nh、V、Tt等资源 稀土铜磷耐候钢、稀土耐热钢及台金、含铌或钒稀土重轨钢、含铌(铌、钛)稀土管线钢、含钒或锰的稀土结构钢等都已工业生产，稀土显著提高钢的成型性、韧塑性、耐磨性、耐蚀性、耐疲劳等性能，使低台金钢获得更为优越的综合性能。
因此，发展具有我国资源优势的低合金钢系列，应该作为稀土微合金钢的研究重点，也是把资源优势转化为产品优势和经济优势，开发性能优越的稀土新钢种，满足市场需要的一条正确途径 研究表明，钢中硫氧含量在O．002 以上，稀土加入仍然有净化和变质作用，但在低。