冷却方式与稀土元素对低碳高铌钢组织与性能的影响

亢业峰++查凯

摘 要：通过显微组织观察和组织硬度的测定，研究了不同冷却方式和稀土元素对低碳高铌钢组织和耐腐蚀性能的影响。结果表明：随着冷却速率和稀土元素的增加，钢中组织晶粒平均尺寸减小，耐腐蚀性能提高，且组织趋向均匀，有针状铁素体产生。冷却速率和稀土元素的改变是造成钢组织和耐腐蚀性变化的主要原因。

关键词：冷却方式；稀土；晶粒细化；耐腐蚀性

微合金化和控制轧制与控制冷却技术的有效结合已成为高强高韧钢的发展方向。铌作为控制轧制过程中最常用的微量元素，在晶粒细化、沉淀及弥散强化、抑制高温形变再结晶和扩大奥氏体未再结晶区范围的过程中起着很重要的作用。而稀土元素通过净化钢液、变质夹杂，促进铌在奥氏体相区固溶和铁素体相区析出的的作用亦可影响相变和改善组织性能，且钢中加入稀土元素后，可减少夹杂物数量，从而减少腐蚀源，降低了钢基体内部的微区域电化学腐蚀，提高了钢材的耐腐蚀性能。

本文以低碳高铌钢为研究对象，进行了冷却方式和稀土元素对其显微组织及耐腐蚀性能的研究。

1 实验材料和方法

利用真空悬浮熔炼炉进行含稀土和不含稀土实验钢的制备，充分熔炼后制成直径约为30mm、中心厚度约为10mm的钮扣状铸样作为原料进行后续实验，设计成分如表1所示。

将铸样放入高温箱式电阻炉内，以1℃/s的加热速度加热到1250℃后，然后保温1h，再降温至950℃，保温60s后迅速取出，在Φ130轧机上进行3道次轧制，压下率分别为40%、40%、22%，之后再以缓冷、空冷和喷雾三种形式进行冷却，最后切割试样分析。其中一部分小块试样镶嵌后，在沿试样轧制方向的纵切面上进行磨样、抛光和4%硝酸酒精腐蚀，最后在光学显微镜上进行金相组织观察；另一部分试样在NaHSO3溶液中进行电化学腐蚀，对其耐腐蚀性能进行研究。

2 实验结果分析与讨论

2.1 金相组织分析

冷却速度和稀土元素对金属组织的影响。不同冷却方式下1#钢的显微组织图片如图1所示，从中可以看出，对于相同成分含量的实验钢，随着冷却速度的提高，其晶粒开始变得细小，组织趋向均匀。当冷却方式为缓冷和空冷时，晶粒比较粗大，由白色多边形块状铁素体和黑色片状珠光体组成。当冷却方式为喷雾冷却时，晶粒明显变小，在晶界处有一些比较细小的等轴状铁素体，甚至在晶粒内部也有少量铁素体析出，而且特别细小，甚至c图中还出现了小部分针状铁素体。用Image-Pro Plus软件测出的晶粒尺寸分布见图2，可以看出，随着冷却速度增加，晶粒尺寸不同的晶粒个数趋于均匀并且平均晶粒尺寸在减少，由3.5um减小为3.0um，同时粗大晶粒个数随着冷却速度增加也在不断减少，5～20um的由139个减少为35个。这说明，随过冷度的增加，形核力增强，增加了铁素体形核位置和形核率，使晶粒细化。

图3为缓冷状态下不同成分的钢的金相组织，从图a中可看到，组织为黑色片状珠光体+白色块状铁素体，但从图b到图c，随稀土La含量的增加，晶粒尺寸减小的同时，晶粒由等轴状向针状转变，平均晶粒尺寸由只含Nb的3.5um减少为含有0.012%La的3.0um，图4为晶粒尺寸分布图，可见粗大晶粒也在减少，平均晶粒尺寸5～20um的由139个减少为70个。

通过综合冷却速度和稀土元素对组织的影响分析可知，对于组织中出现的针状铁素体，是冷却速度和稀土元素共同影响的结果。

2.2 耐腐蚀性能分析

2.2.1 试样质量损失和腐蚀速率计算

将试样从腐蚀箱中取出，用一定配比的盐酸+六次甲基四胺+蒸馏水进行清洗，干燥后并用电子秤称量，按式（1）和式（2）对质量损失和腐蚀速率进行计算：

ΔW=W0-W1-W2 （1）

（2）

W0——腐蚀试验前试片的原始质量（g）；

W1——腐蚀试验后，去除腐蚀产物后的试片质量（g）；

W2——同种材料、同样尺寸的空白试片在去除腐蚀产物的溶液中的质量损失（g）；

S——试片的暴露面积（dm2）；

t——腐蚀试验的时间（day）；

2.2.2 冷却方式与稀土元素对腐蚀速率的影响

通过上述腐蚀速率的计算，经过Origin软件做出在缓冷和空冷状态下不同稀土含量的低碳高铌钢随成分的变化关系图。从图5中可以看出，只含Nb试样的腐蚀速率最大，含Nb+0.018%La试样的腐蚀速率最小，这是由于试样表面存在许多的活性区域或活性点，这些区和点之间，电位各异，构成大量的微电池，在外界条件的影响下很容易发生电化学腐蚀。而加入稀土La后，稀土元素的渗入，与钢表层内的杂质元素化合，形成新相如：LaO、LaCO3（OH）、La（OH）3等，改善了钢表面的状态，使表面活性点减少或消失，从而提高了钢的耐蚀性能。在只含Nb钢中，冷却方式对腐蚀性能的影响不大，空冷状态下的低碳高铌钢的腐蚀速率略大于缓冷状态下的低碳高铌钢的腐蚀速率，随着稀土含量的逐渐增加，腐蚀速率逐渐减小，此时，空冷状态下的稀土钢的耐腐蚀性能明显比缓冷状态下的稀土钢的耐腐蚀性能好，而且随着稀土含量的增加，这种差别越来越明显。显然，这与空冷和缓冷后试样的组织性能有关。

3 结论

通过低碳高铌钢在不同成分、不同冷却方式下的组织形态、耐腐蚀性能的观察、测试和分析，可得出如下结论：

（1）通过金相组织的对比，确认本实验较好的冷却方式为喷雾冷却：实验钢中出现了针状铁素体，组织趋向均匀，只含Nb的试验钢中晶粒平均直径由3.5um变为3.0um；同样稀土元素含量的增加使试验钢的组织形貌从多边形铁素体转变为针状铁素体，且晶粒尺寸在减小。

（2）稀土元素的加入可以降低低碳高铌钢的腐蚀速率，且冷却速度的增大也可降低腐蚀速率。

参考文献：

[1]王有铭，李曼云，韦光.钢材的控制轧制和控制冷却[M].北京：冶金工业出版社，1995.

[2]马杰，刘芳.稀土元素在钢中的作用及对钢性能的影响[J].钢铁研究，2009，37（03）：54-56.

[3]刘刚，曲占元.针状铁素体钢的力学性能与显微结构[J].材料开发与应用，2010，25（01）：6-8.

[4蒋学智，王宝峰，李春龙等.镧对纯净钢夹杂物和耐腐蚀的影响[J].稀有金属与硬质合金，2005，33（04）：28-31.

[5]许越，韦永德，宋成璞.稀土对20钢和45钢表面的耐腐蚀性能的影响[J].中国稀土学报，1993，11（01）：52-55.

作者简介：亢业峰（1984-），男，满族，内蒙古呼和浩特人，助理工程师，研究方向：汽车和家电用钢的研发。endprint