稀土形核劑對(duì)不銹鋼的強(qiáng)化研究

成綿龍（廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，廣東 佛山 528300）

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稀土形核劑對(duì)不銹鋼的強(qiáng)化研究

成綿龍
（廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，廣東 佛山 528300）

摘 要：本試驗(yàn)旨在探究形核劑為稀土元素Ce時(shí)加入形核劑量與單相奧氏體鋼力學(xué)性能的關(guān)系。所選取的研究對(duì)象為單相奧氏體鋼1Cr17Mn6Ni5N，實(shí)驗(yàn)用鋼經(jīng)前處理后，通過觀察不同稀土含量的研究試樣在光學(xué)顯微鏡下的組織，并通過屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率及斷面收縮率為表征指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)其機(jī)械性能。從而研究稀土元素Ce對(duì)單相奧氏體不銹鋼的組織及力學(xué)性能的影響。分析得出：在一定范圍內(nèi)，隨著稀土元素Ce加入量的增加，單相奧氏體不銹鋼中細(xì)化晶粒，改變碳化物形態(tài)，減少碳化物偏聚，提高鋼的強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：稀土元素；不銹鋼強(qiáng)化；形核劑

奧氏體不銹鋼在工業(yè)與日常生活中有多種應(yīng)用：在最近的時(shí)代里，不銹鋼被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。因其組分決定著其耐蝕性，如何在維持組分不變的前提下更大限度的提升其力學(xué)性能以成為目前冶金領(lǐng)域的重要課題?；谝陨锨疤岵⒔Y(jié)合現(xiàn)有技術(shù)水平，細(xì)化材料晶粒為最有效的手段之一，而目前細(xì)化晶粒的方法為：

（1）加入形核劑以增加形核率；

（2）適當(dāng)加大過冷度；

（3）振動(dòng)處理：可采用機(jī)械振動(dòng)，超聲波振動(dòng)來(lái)細(xì)化晶粒；

（4）通過熱處理進(jìn)行加熱奧氏體化完成時(shí)得到細(xì)小晶粒；

鑒于以上方法的可行性，本實(shí)驗(yàn)選用稀土元素Ce作為單相單相奧氏體鋼1Cr17Mn6Ni5N（牌號(hào)201）的形核劑，通過加入量的不同來(lái)評(píng)價(jià)其與機(jī)械性能的關(guān)系。

1 試樣的前處理

1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼熱處理后為單相奧氏體，本實(shí)驗(yàn)選取其為試驗(yàn)標(biāo)的目的為便于后續(xù)觀察其晶粒大小。Ce的加入方式種類較多，本試驗(yàn)考慮為使其固溶量最大，吉布斯自由能ΔG最高（本實(shí)驗(yàn)吉布斯自由能模型選取ΔG=UTS+pV），故選擇真空冶煉方式加入。試樣的制備為1Cr17Mn6Ni5N鋼中加入相應(yīng)的稀土元素Ce，使Ce元素固溶在1Cr17Mn6Ni5N的基地中。因?yàn)橄⊥恋墓倘芰客ǔ?0～1000ppm，以此標(biāo)準(zhǔn)來(lái)指導(dǎo)加入量，從而加入量不宜過大，本實(shí)驗(yàn)選擇適當(dāng)?shù)臐舛忍荻冗M(jìn)行研究，故選擇0、0.1%、0.5%、1%的濃度最為穩(wěn)妥。具體成分表見表1。

表1 冶煉配料化學(xué)成分（Wt%）

圖1 含Ce量不同的1Cr17Mn6Ni5N顯微組織

研究試驗(yàn)標(biāo)的為大類上屬于奧氏體不銹鋼，冶煉缺陷無(wú)法避免，為產(chǎn)品性能考慮，同時(shí)便于研究的后續(xù)進(jìn)行，需要對(duì)研究樣品進(jìn)行熱鍛處理消除組織缺陷，并后續(xù)進(jìn)行熱處理。熱處理的目的是提高材料的均勻一致性并消除部分碳化物組織，同時(shí)消減部分樣品鋼的內(nèi)應(yīng)力以便后續(xù)的熱加工進(jìn)行，上述過程滿足需要后需進(jìn)行固溶處理以滿足鋼的使用性能。

2 試驗(yàn)過程與結(jié)果

含有稀土元素Ce的不銹鋼組織結(jié)果如圖1所示，通過觀察及為單相奧氏體組織，符合預(yù)期目的。圖1（a）是試驗(yàn)采用的1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼固溶處理原始組織。試驗(yàn)的腐蝕劑為：10mL濃鹽酸+5g苦味酸混合至均勻后加無(wú)水乙醇稀釋至100mL。腐蝕時(shí)間T=5s。

圖1中的（a），（b），（c），（d）是稀土元素Ce質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%（未加入）、0.1%、0.5%、1%的顯微組織，通過對(duì)晶粒度及晶粒度尺寸的生長(zhǎng)趨勢(shì)可以得出結(jié)論：隨著稀土元素Ce質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸遞增，可以較為直觀的觀察出晶粒度與Ce質(zhì)量分?jǐn)?shù)的正相關(guān)性。進(jìn)一步說(shuō)明材料中形核核心數(shù)量與Ce質(zhì)量分?jǐn)?shù)亦呈現(xiàn)相應(yīng)的正相關(guān)性，形核功降低從而導(dǎo)致形核更易。鑒于所測(cè)試樣品的組織為單相奧氏體，對(duì)于奧氏體晶粒度而言其影響因素有受多方面制約，如鋼的組分含量，加熱的速度與保溫的時(shí)間，熱處理水平梯度溫度及穩(wěn)定性。因?yàn)樵诒驹囼?yàn)中需嚴(yán)格摒棄其他因素的作用，在維持冶煉因素與熱處理因素相同的同時(shí)，亦對(duì)加熱保溫時(shí)間、溫度控制、熱處理加熱速度進(jìn)行嚴(yán)格的控制以保持其一致性。基于上述闡述，目前參數(shù)改變最大的即為組分含量，故判斷參數(shù)的變化皆以組分含量為原因。比較各種因素，Ce為試驗(yàn)用鋼成分中差異性最大的元素。而Ce屬于稀土元素較為活潑，故其與非金屬元素形成的化合物更為穩(wěn)定。冶煉工藝中所存在的雜質(zhì)元素多為S、P，而其化合物CeS的熔點(diǎn)為2450℃。如此高的溫度在金屬凝固中更易形成形核核心，從而對(duì)其晶粒度產(chǎn)生影響。

圖2 試樣的強(qiáng)度性能指標(biāo)

圖3 試樣的延伸性能指標(biāo)

關(guān)于強(qiáng)度的測(cè)定，擬選取試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率及斷面收縮率為表征指標(biāo)，對(duì)應(yīng)得到測(cè)定試樣的屈服強(qiáng)度Rel、抗拉強(qiáng)度Rm、斷后伸長(zhǎng)率A及斷面收縮率Z。本試樣采用5倍標(biāo)距圓柱試樣，其中：拉伸有效距離為50mm，試樣直徑為10mm，工作段長(zhǎng)度為70mm。結(jié)果如圖2和圖3所示可以看出：屈服強(qiáng)度隨著稀土元素含量Ce的增加而增加，并呈現(xiàn)相應(yīng)的線性正相關(guān)關(guān)系，這說(shuō)明不銹鋼試樣產(chǎn)生永久變形的抗力逐漸增加；抗拉強(qiáng)度隨著稀土元素含量Ce抗拉強(qiáng)度也逐漸升高，呈現(xiàn)的線性關(guān)系較屈服強(qiáng)度更為明顯，這說(shuō)明其抵抗斷裂的能力增加，即抵抗塑性變形的能力大幅度提高。

結(jié)論

基于對(duì)稀土元素Ce對(duì)1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼的組織與力學(xué)性能的影響，得出如下的結(jié)論：

（1）通過對(duì)樣品的金相組織分析與觀察，在樣品中加入稀土元素Ce后，晶粒度大小有增加的趨勢(shì)。對(duì)于其成分而言，主要是以Ce元素的高熔點(diǎn)化合物；宏觀上分析，其晶粒的尺寸會(huì)隨著Ce含量的增加而減小。

（2）加入稀土元素Ce后，不僅使得1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼的強(qiáng)度有所提高，而且使得塑性得以改善。這種現(xiàn)象得益于稀土元素Ce加入1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼中后能夠細(xì)化晶粒，改善鋼的性能。

參考文獻(xiàn)

［1］尹燕.新型不銹鋼中稀土強(qiáng)化及耐腐蝕性能機(jī)理研究［D］.南京理工大學(xué)，2008.

中圖分類號(hào)：TG142

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A