稀土含量对低铬合金钢的性能影响分析

摘要： 本文对不同稀土含量的低铬合金钢性能进行了实验研究，实验结果表明：为了细化合金钢的组织，获得合适的碳化合物尺寸，使合金元素相互作用良好以及降低有害元素的影响，应将稀土含量控制在0.1%左右。

Abstract： The article has carried on the experimental study on the performance of low chromium alloy steel with different rare earth content， the experimental results show that： in order to refine the organization of alloy steel， get the right size of carbon compound， make good interaction of alloy element and reduce the influence of harmful elements， the rare earth content should be controlled at about 0.1%.

关键词： 合金钢；稀土；力学性能

Key words： alloy steel；rare earth；mechanical performance

中图分类号：TG142.7 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）20-0321-02

0 引言

在炼钢过程中，添加适当的稀土，对合金钢的强化和净化有着良好的作用。我国稀土资源丰富，合理利用稀土，控制合金钢中稀土的含量尤为重要[1]。为了合理的利用稀土，探索稀土提高合金钢性能的规律，有必要对稀土与合金钢性能之间的关系进行研究。

1 试验合金钢的选择

为了研究稀土对合金钢性能的影响，现以低铬合金模具钢为实验对象，研究稀土与低铬合金模具钢性能之间的关系。一般地，对于合金模具钢，通常要求其具有良好的组织稳定性、抗冲击韧性和抗回火稳定性，在高温下能具有较高的耐磨性、硬度和强度。为了满足以上要求，同时又要节约成本，现确定在合金钢中加入低含量铬的同时，加入Cu、Mn、Mo、Al、Si、V等合金元素，放弃加入镍、钨等贵重金属元素。以上合金元素的加入，能够强化基体，获得MoC、VC等特殊碳化物和合金碳化物，从而提高组织稳定性。Cu、Al的加入可以提高模具钢的散热性能。Cr、Si、Al能够提高合金钢的抗生长与抗氧化能力。散热性能、抗生长和抗氧化能力的提高又能进一步提高合金钢的高温性能。Mn、Si等元素的加入能够提高钢液的流动性。此外稀土的影响与合金元素进行配合，进一步提高合金钢的强韧性[2，3]。试验合金模具钢的具体成分如表1所示，除RE变化外，其他元素均以中限成分控制。

2 试验材料及方法

2.1 实验材料 材料包括：钼铁、锰铁、钒铁、电解铜、铬铁、硅铁、包头稀土硅铁、废钢、铝锭、清渣剂、增碳剂等。

2.2 实验方法 本实验采用感应炉熔炼试验用钢，热电偶测量温度。熔炼最后采用砂型浇注成10mm×10mm×55mm标准测试试样。试样浇注温度为1550℃。采用箱式炉对需要热处理的铸态试样进行热处理。通过测试试样铸态与热处理后的硬度和冲击韧性，研究合金钢性能。利用摆锤智能力性试验机测试试样冲击韧性。在相同实验条件下，利用磨损实验机对试样与另外两种合金钢作磨损性能对比实验。同时在相同条件下，对试样与两外两种合金钢做抗氧化性能对比试验。制取不同成分合金钢的金相照片，并对其进行分析。

3 实验结果与分析

3.1 试样硬度和冲击韧性 化学成分（RE）不同的合金钢试样，每种合金成分浇注3件试样，冲击韧性和硬度结果3件平均，如表2所示。

由表2可知，热处理前，合金钢的稀土含量越高，其冲击韧度和硬度越高且冲击韧度变化更加明显。热处理后，当稀土含量较低时，合金钢的冲击韧度和硬度随稀土含量的提高而增强。然而当稀土含量到达0.1%时，稀土含量进一步增加，对合金钢的性能的提升不明显。

3.2 试样耐磨性和抗氧化性 化学成分不同的合金钢试样耐磨性如表3所示。由表3可知，试验用低铬合金钢的耐磨性比2Cr3Mo2NiVSi，7Cr7Mo2V2Si两种合金钢更好。这是由于合金元素强化了基体的基础上，合金钢内部析出合金碳化物与MoC、VC等特殊碳化物还与基体达到了理想的配合效果。在室温～800℃时，由于三种合金钢表面都形成了氧化膜，起到了保护作用，故而三种合金钢都无增重。合金钢的耐热性随着Mo含量的增加而增强，此外Cr、Si、Al都可生成致密的氧化物，形成保护膜[4]。在800℃和800℃～室温时，试验合金钢氧化程度比另外两种合金钢氧化程度都低。这是由于稀土、V等增强了试验合金钢组织细化的程度，从而使其扩散系数降低，减轻其氧化程度。同时碳化物在回火的过程中析出速度和长大速度都较为缓慢，提高了钢的强度和抗回火稳定性。由于本实验研究的合金钢比2Cr3Mo2NiVSi（高强韧性钢热作模具钢），7Cr7Mo2V2Si（高强韧性冷作模具钢）某些性能更为优越，故而试验钢有满足冷、热作模具钢性能的潜质。

3.3 试样铸态金相组织分析 化学成分不同的合金钢试样铸态金相组织如图1所示。

由图1可知，当未加入稀土时，试验合金钢组织非常不均匀，相对碳化合物尺寸较大，网状二次碳化合物较为明显。加入少量的稀土的3号试样中，二次碳化合物断网明显。稀土含量越高，1号试验样品组织越来越均匀，越来越细。稀土含量的增加使得碳化合物支晶和莱氏体网格越来越细，进而提高合金钢的冲击韧性。不同化学成分的合金钢试样热处理后的金相组织如图2所示。

由图2可知，热处理后，未加稀土与加入稀土的合金钢组织都包括回火马氏体、少量回火托氏体、含铬和锰等的合金碳化物与分布均匀的VC、MoC特殊碳化物。然而含稀土越多，碳化物尺寸越小。该特征在提高放大倍数后非常明显。此外稀土元素还可融入碳化合物中，或者与氧、磷、硫、硅、铝发生反应生成氧化物等，降低有害杂质对脆性的影响。此外，1号合金钢试样与2号合金钢试样组织性能比较接近，由此可知，在该实验环境与条件下，合金钢中稀土含量达到0.1%附近时，稀土对碳化合物尺寸的减小，与合金元素的配合，在晶界处的分布以及减小有害物质的影响等综合效果较为明显。

4 总结

稀土的加入可显著提高实验用合金钢力学性能，可提高合金钢6HRC的硬度，35%左右的；当合金钢中的稀土含量在0.1%左右时，稀土对合金钢力学性能的提高最为明显，最为经济；稀土的加入对铸态和热处理后的合金钢中组织和碳化合物等都有细化作用；加入稀土后的试验用合金钢具有较高的强度和韧度，可以尝试作为冷、热模具钢使用。

参考文献：

[1]李恒德，师昌绪.中国材料发展现状及迈入新世纪对策[M].济南：山东科学技术出版社，2003.

[2]李家锐，张中可，车云等.稀土含量对铝中间合金组织和性能的影响[J].热加工工艺，2011，03：44-47.

[3]孙国栋，刘长华，杜晓东等.锰含量对衬板用低碳高合金钢组织和性能的影响[J].热加工工艺，2007，11：189-191.

[4]张峰，李光强，朱诚意.稀土处理无取向硅钢中的夹杂物与电磁性能变化[J].功能材料，2013，04：201-204.