1、稀土 Ce-La 对 SS400 钢晶粒度及夹杂物变性的影响杨吉春，聂亚丽，左立杰，赵丙新 （内蒙古科技大学 材料与冶金学院，内蒙古包头 014010）摘要：对 SS400 钢进行了添加稀土 Ce-La 合金的试验研究。采用光学显微镜和扫描电镜（SEM）观察和分析钢的晶粒度和夹杂物成分及形貌。结果表明，加入稀土后 SS400 钢晶粒度提高了 12 级；加入 0.05%的稀土Ce-La 时，硅酸盐夹杂物近似椭圆形；加入量达到 0.09%时，硫化物夹杂和硅酸盐夹杂均呈圆形。关键词：SS400 钢；Ce-La 合金；晶粒度；夹杂物变性中图分类号：TF762 文献标识码：A 文章编号：1007-754
2、5（2012）10-0000-00Effects of Rare Earth Element Ce-La on Grain Size and Inclusion Modification of SS400 SteelYANG Ji-chun, NIE Ya-li, ZUO Li-jie, ZHAO Bing-xin(School of Materials and Metallurgy, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, Inner Mongolia, China)Abstract：The ex
3、perimental study of adding rare earth Ce-La alloy in SS400 steel was conducted. The grain size, composition and microstructure of inclusion were observed and analyzed in steel with optical microscope and scanning electron microscope (SEM). The results show that grain size of steel enhances 12 levels
4、 after adding the rare earth; the silicate inclusion is approximate ellipse with 0.05% addition of rare earth Ce-La, furthermore, the sulfide and silicate inclusion are circular shape when the addition of rare earth Ce-La reaches 0.09%.Key words：SS400 steel; Ce-La alloy; grain size; modification of
5、inclusionSS400 是一种普通结构用钢，大量应用于建筑及工程结构。近几年来，在车辆、船舶、桥梁等领域的应用越来越广，品种日趋多样化。通过获得均匀的细晶可以使 SS400 钢具有优良的综合力学性能。有文献报道 1，稀土元素在钢中起到改善夹杂物形态、细化晶粒的作用。本文通过加入不同量的稀土，分析稀土对 SS400 钢的晶粒度及夹杂物成分、形态和尺寸的改变，从而改善钢的性能。1 试验原料及方法1.1 试验原料先在 ZG-0.01 真空中频感应炉中冶炼 SS400 钢 2，并浇注成 4.0 kg 的钢锭(1 #)，成分为（% ）：C 0.040.08、Si 0.14、Mn 0.40、P 0.
6、08、S 0.06、Fe 余。用同样的方法冶炼不同稀土添加量的 SS400 钢并铸锭，稀土以 Ce-La 混合细丝的方式加入钢液，其中 2#钢锭稀土加入量为 0.05%，3 #钢锭稀土加入量为 0.09%。最后，将浇注后的钢锭经 1 100 加热后锻造成 25 mm25 mm 的方坯。1.2 试验方法从锻造坯横向（垂直于锻轧方向）截取抛光面为 10 mm10 mm 的金相试样，经砂纸粗磨和抛光布抛光后用 4%的硝酸酒精腐蚀，进行晶粒度评定。从锻造坯纵向（平行于锻轧方向）截取抛光面为 20 mm10 mm 的金相试样，经粗磨、细磨、抛光后，进行夹杂物观察。2 试验结果及讨论2.1 稀土对晶粒度的
7、影响不同稀土添加量的 SS400 钢在光学显微镜下的形貌见图 1。收稿日期：2012-03-14基金项目：国家自然科学基金资助项目（51174114） ；内蒙古自治区自然科学基金重点项目（2010Zd105） ；内蒙古自治区高校科学研究项目(NJ2207098)作者简介：杨吉春（1963-） ，男，博士，教授，硕士生导师.doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2012 .10.012图 1 不同 Ce-La 合金添加量 SS400 钢的光学形貌：(a) 0%;(b) 0.05%;(c) 0.09%Fig.1 Microstructure of SS400 steel wit
8、h different addition of Ce-La alloy: (a) 0%; (b) 0.05%; (c) 0.09%采用将试验钢的晶相图与 GB-6394-2002 标准的金属平均晶粒度测定图谱进行对比的方法来评定试样的晶粒度。结果表明，未加稀土 SS400 钢的晶粒度为 7 级，加入 0.05%稀土后是 88.5 级，提高了 11.5 级。稀土加入量为 0.09%的 SS400 试验钢的晶粒度达到 9 级，比未加稀土的提高了 2 级。由此可知，加入稀土量越多，晶粒细化作用越大。稀土能明显细化晶粒的原因在于稀土是表面活性物质，稀土在钢中主要在晶界分布，奥氏体晶界的界面张力和晶界能
9、会被分布在晶界的稀土降低，晶粒长大的驱动力随之减少，晶粒长大需要更高的温度才能发生。另外，钢的强度与晶粒直径的平方根成反比，因此，晶粒细化后可以提高钢的强度、塑性和韧性3。2.2 稀土对夹杂物形貌的影响图 2 是试样中 MnS 夹杂的形貌及能谱图。图 2 不同 Ce-La 合金添加量钢中 MnS 夹杂的形貌及能谱图：(a) 0%;(b) 0.09%Fig.2 SEM morphology and Energy Spectrum analysis of MnS inclusion in steel with different addition of Ce-La alloy: (a) 0%; (
10、b) 0.09%由图 2 可知，未加稀土试样的夹杂物主要是 MnS，呈长条状，尺寸大约 11 m。硫化物夹杂常以第类形式分布在晶界，危害钢的性能，沿钢的轧制方向伸长，使钢的横向性能变差 4。加入 0.09%稀土后的夹杂物仍以硫元素和锰元素为主，由于稀土的加入，使 MnS 杂物变为稀土硫化物夹杂，尺寸大约 1 m，形状近似于圆形。由此可知，添加稀土可以使沿钢材轧制方向分布的长条状 MnS 等硫化物夹杂变质为较均匀分布的椭圆形或近似圆形，并且大大减少了夹杂物的尺寸，使硫化物夹杂变质为稀土硫化物夹杂。变质后的稀土硫化物夹杂，外形尺寸减小，具有高熔点，使其在热加工变形时不变形或变形很小，从而提高钢的强
11、度和韧性。氧和硫与稀土的亲和力很强，稀土加入钢中，有少量稀土固溶在钢中，其余则与氧、硫等元素形成稀土夹杂物 5。图 3 为硅酸盐复合夹杂物的形貌和能谱图。图 3 不同 Ce-La 合金添加量钢中硅酸盐夹杂的形貌及能谱图： (a) 0%;(b) 0.09%Fig.3 SEM morphology and Energy Spectrum analysis of silicate inclusion in steel with different addition of Ce-La alloy: (a) 0%; (b) 0.09%由图 3 可知，未加稀土的硅酸盐复合夹杂物主要由硅、锰、氧等元素组成，
12、形貌呈不规则图形，尺寸 18 m左右。加入稀土量为 0.09%后，稀土硅酸盐夹杂物为规则的圆形，尺寸大约 4 m。在钢的轧制过程中，硅酸盐复合夹杂物可以使薄板坯产生裂纹，还能使钢的韧性、塑性和疲劳极限有一定程度的降低，因此其对钢有较大危害。本试验在 SS400 钢中加入一定量的稀土 Ce-La 后，与硅酸盐夹杂物形成新的稀土硅酸盐复合夹杂物，其在钢中会弥散分布，随着稀土在钢中含量的增加，夹杂物形态和性质都会发生变化，因此稀土 Ce-La 对硅酸盐夹杂物起到了变质作用。变质后的夹杂物，具有抵抗裂纹形成与扩展的能力4,6。3 结论SS400 钢中加入稀土 Ce-La 后，细化了钢的晶粒，晶粒度达到
13、 89 级，使大多数长条状夹杂物变质为较均匀分布的椭圆形或近似圆形稀土氧化物、稀土硫化物等复合夹杂物，并且使夹杂物的尺寸减少到 14 m。参考文献1 周惦武，彭平，徐少华，等. 稀土元素在钢中的应用与研究 J. 铸造设备研究，2004(3)：35-38.2 邓小和. 稀土镁在 SS400 钢中的作用机理研究D. 包头：内蒙古科技大学，2008.3 秦华，刘丽芳，胡传顺，等. 2.25Cr1Mo 钢中的夹杂物和晶粒度 J. 物理检验：物理分册，2008，44(5)：20-22.4 Saxena S K，郭新春. 采用镁处理生产具有良好力学性能的超洁净钢J. 钢铁钒钛，1998，19(2) ：64-67.5 Wilson W G，Kay D A R，Vaoed A. Use of thermodynamics and phase equilibria to predict the behavior of the rare earth elements in steelJ. J Met，1974，26(5)：14-23.6 杜挺. 稀土元素在金属材料中的一些物理化学作用J. 金属学报，1997，33(1)：69-77.
