金属加工过程组织与性能控制作业.docx
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金属加工过程组织与性能控制作业
研究生课程论文
题目：
稀土对重轨钢组织和性能的影响
学院:
材料与冶金学院
专业:
材料加工工程
学号:
学生姓名:
王浩
指导教师:
日期:
二○一三年十二月
稀土对重轨钢组织和性能的影响
摘要本课题论述了包钢重轨的开发和稀土在重轨中的作用。
在钢包加入0.03%的RE，残留量为0.0022%～0.0025%的稀土的重轨组织与性能进行了实验研究。
通过实验测定、金相观察和理论分析,研究了稀土在重轨中的存在状态和变化规律,及其对微观组织的影响作用机制。
利用金相显微镜、扫描电镜观察及能谱分析,确定钢中夹杂物类型、形态和尺寸,分析稀土对重轨中夹杂物形态和尺寸的影响。
结果表明:
在钢包加入稀土不仅能有效净化钢质,而且残留的痕量稀土能改变钢的夹杂物、细化珠光体、有效改善钢组织与性能的不均匀性。
关键词稀土；重轨；组织；性能
AbstractThepaperdiscussethedevelopmentoftheheavyrailsteelandtheroleofrareearthintheheavyrail.Add0.03%REintothesteelliquid,thenresearchthestructureandperformanceofheavyrailsteelwhichREremainderis0.0022%-0.0025%.Throughtheexperimentmensuration,observationofmicrostructureandtheoricalanalysis,metallographicresearchintheheavyrailsteeloccurrenceandinventoryofvariation,andtheinfluenceonthemicrostructure.Usingmicroscope,SEMandspectrumanalysis,todeterminethesize,shapeandtypesofinclusions,andanalyzetheeffectsofrareearthforheavyrailinclusionsinsizeandshape.Ourworkfind:
Addingtherareearthcannotonlyeffectivelypurifythesteelliquid,butthesurplusofREcanalsochangethesteelinclusions,refinedpearlite,andimprovethemicrostructureandperformanceofsteeleffectively.
Keywords:
RareEarth;heavy-railsteel;organization;performance
前言
当今世界科学技术日新月异，发展速度一日千里。
各种各样的运载工具使我们与周围世界联系更加紧密，通过其自身快捷、高速等的特点不仅方便了出行，而且加快了世界经济的发展。
与汽车、飞机相比，铁路运输以其低成本、低污染、低能耗、高动力、速度快、票价低、不堵车和安全等特点[1]，越来越受到人们青睐。
因此，铁路的发展特别是高速铁路的发展引起人们的普遍关注，高速铁路不但成为国家发展程度的标志，而且更成为加快经济发展的必经之路。
从1876年修建第一条铁路到现在，中国铁路已经走过了130年的历史。
随着中国经济的快速发展，中国铁路的建设规模和技术水平不断提高。
一个横贯东西、沟通南北、干支结合的具有相当规模的铁路运输网络已经形成并逐步趋于完善。
中国铁路营业里程目前已达76,580km，列世界第三（美国、俄罗斯之后），亚洲第一。
其中国家铁路63,342km，合资铁路8,462km，地方铁路4,776km。
目前，中国铁路用占世界6%的营业里程完成了占世界24%的换算周转量，换算密度为世界平均水平的４倍，是世界上最繁忙的铁路。
中国铁路客货运量在国内运输市场占有份额分别达到35%和55%左右。
近十几年来中国铁路在客运提速、货运重载、铁路信息化和建立行车安全保障体系等方面取得重大发展，线路结构进一步优化。
复线里程25,566km，复线率33.4%。
电气化铁路里程21,604km，电气化率28.2%。
提速线路里程16,500km，占营业总里程21.6%。
目前，中国国内生产钢轨的主要厂家有鞍山钢铁集团公司、包头钢铁（集团）有限责任公司、攀枝花钢铁（集团）公司三家，此外武汉钢铁（集团）公司也生产一定数量的钢轨。
钢轨年总产量可达到150万t。
钢轨产品出口朝鲜、泰国、伊朗、巴基斯坦、博茨瓦纳、印度等国家和地区。
生产道岔的厂家有中铁山桥集团有限公司和中铁宝桥股份有限公司。
与发达国家相比，我国公路、航空运输不甚发达。
因此，铁路在我国经济发展中的作用就更加显著，铁路不仅是我国运输业的主力军，而且是经济发展的大动脉，随着现代化建设步伐的加快以及改革开放的深入发展，国民经济对铁路运输提出了更高的要求。
长期以来，钢轨铁路运输在运输业中一直扮演着主要角色，它不仅承担全国70%货运量，而且承担着60%的客运量[2]。
铁路运输是我国主要的交通运输手段，而且铁路运输一直以其安全、廉价、快速等特点，在国民经济中起着举足轻重的作用。
目前，铁路正向着高速、重载的方向发展，势必导致我国钢轨生产向着高强度、高耐磨性等方向发展。
目前，国内高强度耐磨钢轨有鞍钢研制的74SiMnV（1078MPa），攀钢研制的PD3（980MPa）。
国外有美国的Cr-Mn和Cr-Mo轨（1078MPa）；西德的Cr-Mo轨（1078MPa）和Cr-V轨（980MPa）；法国的Cr-Si轨（1078MPa）以及加拿大的Cr-Si-Nb轨；英国的Mn-Cr轨；澳大利亚的Cr-Mo-V轨；日本的Cr-V轨等，也有些国家生产热处理或合金热处理轨可使钢强度达到1785MPa以上[3]。
1.知识背景
稀土在冶金领域应用已有30多年的历史，目前已形成了较为成熟的技术与工艺，稀土在钢铁、有色金属中的应用，是一个量大面广的领域，有广阔的前景，对国民经济建设具有重要意义。
稀土在钢中的应用有近30年的历史，经过对稀土金属在钢中作用规律和机理的研究，搞清楚了稀土在钢中的作用；通过添加工艺方法的实验研究，掌握了稀土加入的工艺条件、添加稀土金属的品种和加入量。
至八十年代末期，稀土在钢中的应用已没有技术方面的障碍。
我国稀土钢产量从1985年的11万吨增长到1997年的近60万吨，品种80多个。
仅武钢一家，“八五”期间就生产了160万吨稀土钢，创造经济效益3.2亿元，社会效益18.3亿元，节约外汇5000万美元。
稀土加入钢中，可起到脱氧、脱硫、改变夹杂物形态等净化和变质作用，在某些钢中还能有微合金化的作用，稀土能够提高钢的抗氧化能力，高温强度和塑性、疲劳寿命、耐腐蚀性及抗裂性等。
1.1稀土加入钢中的主要作用
净化作用：
钢中加入稀土，可以置换钢中可能生成的硫化锰、氧化铝和硅铝酸盐夹杂物中的氧与硫，形成稀土化合物。
这些化合物中有部分从钢液中上浮进入渣中，从而使钢液中的夹杂物减少，钢液得到净化，这就是稀土对钢的净化作用。
细化组织：
由于稀土在钢中同夹杂物反应生成的稀土化合物熔点较高，在钢液凝固前析出，这些细小的质点，可作为非均质形核中心，降低结晶过程的过冷度，因此，不但可以减少偏析还可细化钢的凝固组织。
对夹杂物的形态控制：
钢中加入稀土后，硫化锰将被在高温塑性变形能力较小的稀土氧化物或硫化物取代，这些化合物在轧制过程中不随钢一起变形，仍保持为球状，它们对钢的机械性能影响较小，所以钢中加入稀土可以提高钢的韧性，改善钢的抗疲劳性能。
在耐大气腐蚀钢中加入稀土，使钢的内锈层致密，而且与基体的结合力变强，不易脱离，可以阻止大气中O2和H2O的扩散，从而降低了腐蚀速度，加稀土的钢的耐腐蚀性比不加稀土的钢提高0.3～2.4倍。
在MnNb系低合金高强度钢中加入稀土可以显著改善钢的冷弯性能、冲击性能、低温冲击性和耐磨性，大大改善了钢的加工性能并提高其使用寿命。
在铁路钢轨中加入稀土，可显著提高钢轨的耐磨性、抗剥离性，经多年使用证明钢轨寿命提高1.5倍。
1.2钢中加入稀土的主要方法
钢中稀土加入方法以喂丝法为主，其次是稀土金属棒吊挂法，包内加入稀土硅铁合金法及包内喂入稀土硅铁合金包芯线法。
各厂因钢种、浇铸工艺和设备不同选择合适的方法。
在稀土喂丝机的研制方面，包钢稀土研究院和武钢二炼钢厂等单位取得了长足的进步。
稀土丝、棒和稀土硅化物合金、稀土硅铁包芯线产品较好地满足了各钢厂生产稀土钢的需要。
钢中加稀土的设备不但投资少，而且还能获得明显的经济效益和社会效益。
以喂丝法为例，一台喂丝机仅5万元，稀土加入量吨钢费用不超过40元，而效果却是事半功倍，能使钢材的横向冲击韧性提高一倍，改善热加工性能，从而提高成材率。
1.3稀土钢的发展趋势
最近国家冶金工业局制定了稀土在钢冶炼中的应用近期目标和远景规划，预计到2000年稀土处理钢产量将达到300万吨，保守估计1999年全国各类稀土钢产量将达到90～150万吨，稀土应用量将达到500～850吨，将超过1998年的1.3～2.3倍。
1991～1997年稀土在钢中消费量见表2。
表21991-1997年我国稀土在钢中消费（REO,吨）
年
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
用量
566
710
750
300
300
350
372
1.4钢种稀土处理技术
钢中稀土处理技术可划分为3种方式，即前期加入、后期加入和中期加入。
前期加入指炉内和出钢过程中加入，包括炉内加入、冲入、包中压入、喷粉等处理工艺；后期加入指浇注过程中的加入，包括模内吊挂、结晶器喂丝、锭模内延迟加入等处理工艺；中期加入包括钢包喂线、精炼过程中的加入。
经过试验比较，前期加入工艺，稀土主要起脱氧、脱硫作用；稀土利用率低，在钢中的分布不均匀而且稳定性差，生成的稀土产物容易聚集长大，比较注重脱氧、脱硫的效果；分布规律是从钢锭头部至尾部，稀土及硫的含量逐渐增高，形成倒V字型沉积锥，且稀土、硫的分布特性参数波动幅度很大。
由于稀土加入钢中的时间较早，易在钢中形成大颗粒的RES、（RE.Mn）S、RE2O2S、REXSY及REAlO3等夹杂，由于稀土夹杂的密度较大（6g/cm3左右），使钢水在凝固过程中，容易造成稀土及硫在锭中分布的差异。
说明前期加入工艺，稀土没有发挥最大作用，同时稀土的损耗高，利用率低，限制了该工艺的应用。
后期加入工艺，稀土在钢中主要起变质夹杂的作用；稀土回收率高，但生成的产物基本不能去除，而且稀土、硫在钢中的分布不均匀；分布规律是从钢锭头部至尾部，稀土含量逐渐增高；同一横截面上从中心到边缘，稀土含量逐渐减少，形成倒V字型沉积锥；相对前期稀土加入工艺，钢锭中平均硫含量的差异有所减小，分布参数的振幅变窄，但稀土、硫分布的特性参数波动幅度仍然较大。
造成稀土、硫在钢锭中分布差异的首要原因是稀土加入时间过迟，稀土金属在锭模中没有时间充分的扩散；锭模的激冷层检测不出稀土的存在，而锭模内形成的稀土夹杂，由于没有能使夹杂上浮的动力学条件，因而大量的稀土夹杂均存在于钢中；又因为稀土夹杂颗粒的尺寸及密度等原因，促使凝固过程中形成稀土夹杂的倒V字型沉积锥，造成稀土及硫在钢锭中分布的不同。
分析及试验数据表明后期加入工艺，稀土在钢中虽然能改善部分性能及变质夹杂，但由于稀土及硫的分布状态还存在缺陷，夹杂不能去除，参数振幅比较大，使稀土处理钢的质量不稳定，特别是稀土的微合金化作用未充分发挥出效果，从而影响了该工艺在高质量钢及纯净钢中的应用。
中期加入工艺，钢中稀土、硫的分布状况较好；分布规律从钢锭头部至尾部，稀土的含量缓慢增加；同一横截面上从中心到边缘，稀土含量几乎没有差异，分布参数振幅窄；研究工作［1～4］已显示出，试验钢采用该工艺处理后，钢的组织、性能得到明显改善，稀土在钢中具有较好的脱氧、脱硫及净化钢液的作用，存在于钢中的固溶态稀土，具有微合金化的功能。
该工艺处理的试验钢由于具备有较好的动力学条件（氩气搅拌等），加速了稀土夹杂的去除及稀土在钢中的均匀分布，达到了稳定和提高钢材质量目的；由于钢中生成的稀土夹杂颗粒较细、分布较均匀（良好的动力学条件促使聚集长大的生成产物上浮去除），反映到试验钢中是分布参数变化小、振幅窄。
在工艺上没有追求稀土的高回收率，因为稀土回收率高并不能表明处理效果好，这是由于钢中稀土大部分是以稀土夹杂的形式存在，回收率高实际表明的是钢中稀土夹杂含量高；工艺上所追求的是有效利用率高、固溶稀土的微合金化效果及良好的工艺处理效果；因此该工艺在特殊钢中尤其是高质量钢及纯净钢中的应用前景十分广阔。
2.实验研究内容和意义
利用真空感应熔炼炉熔化包钢重轨钢，通过往钢水中加La-Ce复合稀土，获得不同组织结构和力学等性能的重轨钢，采用显微镜、扫描电镜观察等分析手段，研究La-Ce复合稀土重轨钢的性能，来探索La-Ce复合稀土对重轨钢的组织和性能的影响规律。
巴西已经从包钢购得二代稀土重轨10000吨，并应用于实际，使用性能良好，获得很好的收益，而这种重轨在我国也具有使用价值，所以研究并开发这种稀土轨已迫在眉睫，在此有必要研究一下稀土在钢中的作用，尤其是在低氧硫的钢种中。
由于我国铁道部标准较严格，要想在我国普及该钢轨，必须有理论为依据，因此，本课题围绕该目的进行。
3.实验过程
3.1实验钢化学成分分析
实验原料为重轨钢和稀土合金（La=35%，Ce=65%），重轨成分如表3.1所示：
表3.1重轨化学成分（%）
熔炼号
C
Si
Mn
P
S
V
Al
RE
205396
0.75
0.62
0.94
0.009
0.008
0.05
0.005
0
3.2实验用钢的冶炼
试验用钢冶炼步骤为：
烘干→装料→抽真空→充氩→钢料完全熔化→由窥视孔加入稀土合金→浇注。
3.3实验刚的锻造
在包钢机总厂锻造车间进行锻造[4],以消除钢锭中的孔洞微裂纹等缺陷。
加热设备为燃气加热炉。
加热温度约1200℃，保温1小时，等钢锭内外温度均匀后进行锻造。
锻造温度大于800℃，断后空冷[5]。
2.4扫描电镜分析
SEM（ScanningElectronMicroscope）即扫描电子显微镜，可利用二次电子像（SecondaryElectronImage）显示合金的组织特征。
采用扫描电子显微镜对铸态和热处理态的合金试样的组织形貌进行观察并利用能谱仪对合金进行微区成分分析。
2.5冲击韧性试验
本次试验是对U型缺口试样进行冲击。
试样破坏时所受能量的大小即为材料的韧性，由韧性的高低可以判断材料在使用时是否会发生脆性破坏，最终分析不同温度下稀土对材料冲击韧性的影响。
冲击试验可以用来决定金属材料在温度下降时，有延性转变为脆性行为的温度范围，即：
材料的脆韧转变温度（Fracturetransitionplastictemperature，FTPT）。
此试验可以得出不同温度对FTPT的影响。
4.实验结果与分析
4.1稀土对MnS夹杂的影响
重轨中有呈条状或椭圆状的夹杂物，如图4.1所示，这类夹杂物经能谱分析含Fe，Mn，S元素，由于背景基体为Fe元素，所以该夹杂物为MnS，能谱分析如图4.2所示
图4.1 RE=0试样中MnS夹杂的SEM像
图4.2RE=0MnS夹杂能谱分析图
图4.3RE=0.03%夹杂的SEM像
图4.4RE=0.03%夹杂能谱分析图
据文献[6]，从生成自由能看，稀土与硫和氧的亲和力很强，钢中加入稀土，其除少量固溶之外，其余的形成稀土夹杂物。
由于试样硫含量较低，稀土在钢中的作用主要表现为稀土和硫的作用。
从图看出，随稀土合金的加入，MnS夹杂形态发生改变，呈现出由长条形转变为圆形或椭圆形的变化过程，可见稀土改变了MnS夹杂的形态和尺寸，具有比较明显的变质作用，既减小了材料的各向异性，又有利于提高钢的韧性。
4.2稀土对重轨组织的影响
图4.5RE=0时的重轨钢组织图4.6RE=0.03%时的重轨钢组织
图4.5为RE=0的重轨珠光体组织，组织较粗大，晶界明显，片间距也较大。
图4.6为RE=0.03的重轨的珠光体组织，片间距明显细化。
图4.5、图4.6分别是重轨钢和稀土重轨钢的组织照片，可以看出两种钢的组织均为珠光体组织，但稀土重轨钢的珠光体明显比重轨钢的组织细，而且还有变短、球化物变成粒状的倾向。
北京科技大学韩其勇就稀土加入到重轨钢中，对重轨钢组织的作用进行了测试和研究，最终得出：
稀土的固溶量与钢中S、O含量有关，当RE一定时，其固溶量随S、O含量减少而增加。
根据此次试验照片看来，稀土在重轨钢中存在一定的固溶，但这部分稀土分布并不均匀，大部分偏聚在原子排列比较松散，空位较多的晶界上产生内吸附现象，许多与晶界有关的试验也说明了稀土的加入确实对钢的晶界状态产生显著的影响。
由于稀土元素改变了结晶状态，降低了晶界能，当过冷奥氏体转变为珠光体时，珠光体的晶核一般在奥氏体晶界和其他缺陷较多处形成，以满足结构起伏，能量起伏，成分起伏的形核条件要求。
钢中的稀土在晶界偏聚，降低了晶界能，阻碍了珠光体晶核的形成，增加奥氏体稳定性，使珠光体转变移向右下方，增加了珠光体形成的过冷度。
随着过冷度的增加，母相与新相的自由能差增大，形核驱动力增加，晶核的临界尺寸减小，所需形核功减小，使形核率增加，珠光体组织细化。
由于本次试验通过电子显微镜对加稀土与否的重轨钢中的珠光体形貌进行对比，并借此来研究稀土对钢中珠光体组织的影响，从组织的角度说明了稀土对钢轨性能的影响，证明了稀土对重轨组织有细化作用。
4.3稀土对重轨钢冲击韧性的影响
表4.1常温（18℃）冲击实验结果：
钢种
稀土加入量（%）
试样编号
取样位置
冲击韧性值AK（J）
平均值（J）
RE重轨
0.03
1
轨头
9.6
10.6
10.1
10.10
RE重轨
0.03
2
轨腰
9.7
4.6
7.0
7.10
RE重轨
0.03
3
轨底
11.0
11.2
7.4
9.87
重轨钢
0
4
轨头
6.5
10.2
7.7
8.13
重轨钢
0
5
轨腰
4.5
5.1
3.8
4.47
重轨钢
0
6
轨底
10.8
9.5
9.0
9.77
图4.7常温（18℃）下冲击实验结果对比
表4.2-40℃冲击实验结果：
钢种
稀土加入量（%）
试样编号
取样位置
冲击韧性值AK（J）
平均值（J）
RE重轨
0.03
1
轨头
8.7
4.2
6.5
6.47
RE重轨
0.03
2
轨腰
3.5
3.4
3.0
3.30
RE重轨
0.03
3
轨底
6.2
5.6
10.1
7.30
重轨钢
0
4
轨头
4.1
5.3
7.2
5.53
重轨钢
0
5
轨腰
2.0
2.6
2.8
2.47
重轨钢
0
6
轨底
7.4
6.2
4.5
6.03
图4.8-40℃下冲击实验结果对比
通过实验数据和图表可以看出：
常温下，加入稀土的重轨钢的冲击韧性有提高，其中轨头提高24.23%，轨腰提高58.84%，轨底提高1.02%；而在低温下，轨头的冲击韧性提高17.00%，轨腰提高33.60%，轨底提高21.06%，这些数据足以表明，稀土对重轨钢的冲击韧性有比较大的影响，尤其在低温下。
所以加入稀土对提高重轨钢的冲击韧性有明显效果，使重轨钢在更大的温度波动范围内有更广泛的使用价值。
通过实验分析以及查阅有关资料，我认为稀土提高重轨钢冲击韧性的机理主要有以下几点：
1）稀土能阻碍重轨钢中沿晶界的碳化物析出，改善晶界状态，强化晶界，使常温断口由沿晶型变为以沿晶为主的混合晶型，从而提高钢的常温冲击韧性；
2）重轨钢中加入稀土，可减少S、P的偏聚，净化晶界，减少杂质元素的偏聚，从而改善钢的常温、低温冲击韧性；此外，稀土在晶界上的析聚，在碳化物-基体界面上的富集也有益于钢冲击韧性的提高；
3）稀土处理钢中加入稀土与硫形成夹杂，在钢凝固时，成为结晶核心，因而这部分硫不会在晶界形成网状偏析以至于影响钢的韧性。
5.结论
1.在重轨钢中加入0.03%的稀土合金，钢中夹杂物的形态由长条形转变为圆形或椭圆形变，夹杂物由MnS转变为稀土硫化物；
2.稀土能减小重轨钢的珠光体片间距，细化、球化重轨钢的组织；
3.加入稀土能提高重轨钢的常温和低温冲击韧性，常温下轨头、轨腰、轨底的冲击韧性分别提高24.23%、58.84%、1.02%，而在低温－40℃下，它们的冲击韧性分别提高17.00%、33.60%、21.06%。
主要参考文献
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