【摘 要】
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由于中国丰富的稀土资源,稀土钢的研发一直是冶金界探索的热点之一。稀土元素独特的外电子层结构使其在钢铁材料中得到广泛应用,将其加入钢中可以改善力学性能。针对低温钢,目前稀土对微观组织及低温韧性的作用机理研究尚比较局限,且在实现工业化稳定生产和替代价格相对较高的元素方面还未给出理论解释。因此,本文围绕C-Mn和Ni系低温容器钢的微观组织和低温韧性,在冶炼-热轧工业化生产过程,研究了全工序Ce对C-Mn
【基金项目】
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中央引导地方科技发展资金项目:稀土钢技术创新体系建设,No:2020ZY0034；
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由于中国丰富的稀土资源,稀土钢的研发一直是冶金界探索的热点之一。稀土元素独特的外电子层结构使其在钢铁材料中得到广泛应用,将其加入钢中可以改善力学性能。针对低温钢,目前稀土对微观组织及低温韧性的作用机理研究尚比较局限,且在实现工业化稳定生产和替代价格相对较高的元素方面还未给出理论解释。因此,本文围绕C-Mn和Ni系低温容器钢的微观组织和低温韧性,在冶炼-热轧工业化生产过程,研究了全工序Ce对C-Mn低温容器钢夹杂物、组织和性能的影响;在实验室研究了 Ce替代Ni对Ni系低温容器钢组织形貌和低温韧性的作用机制。本文致力于聚焦加快稀土钢产业化应用的研发,并探索高丰度Ce替代Ni的可行性应用。针对工业冶炼的C-Mn低温容器钢,通过热力学计算和实验分析得到含Ce类夹杂物的生成规律。研究了不同Ce含量对夹杂物、组织和铸坯质量的作用机制,获得添加0.0009%稀土 Ce时,对微观组织的尺寸和形态表现为有益作用。同时,形成的高熔点Ce2O2S细小夹杂物有效成为凝固初生相的异质形核核心,优化凝固组织结构,使铸坯中心偏析得到改善。基于热模拟压缩和连续冷却转变实验,研究了 Ce对高温变形再结晶和冷却相变的影响机制。通过对比添加Ce和不含稀土 C-Mn低温容器钢在不同变形温度下的应力-应变曲线和组织特征,得出添加Ce抑制再结晶转变,扩大未再结晶温度相变区,实现基体组织的细化。而Ce对冷却相转变无明显的影响。研究提出了轧制C-Mn低温容器钢匹配的加热制度、轧制制度和冷却制度,为工业化生产及应用提供指导。通过对实验研究结果分析发现,随着Ce含量的增加,C-Mn低温容器钢横、纵向屈服强度和抗拉强度呈缓慢的增加趋势,而延伸率呈先增加后降低的趋势,即当Ce含量为0.0009%时,产品的强-塑性匹配最佳。而在不同低温实验条件下吸收的冲击功呈先升高后降低的趋势,当Ce含量为0.0009%时,-20℃、-40℃、-50℃和-60℃温度下冲击功相对较高。比较得出Ce含量为0.0009%时实验钢组织中获得了较多的细小铁素体和珠光体,且形成的含Ce夹杂物尺寸最小。结合焊接热模拟实验发现,稀土 Ce通过细化组织和改性夹杂物改善了 C-Mn低温容器钢焊接热影响区低温韧性。比较工业规模生产的同厚度热轧钢带在-40℃下吸收的冲击功,验证了含0.0009%（±0.0001%）Ce的钢带相较于未加稀土的具有更好的低温韧性。针对Ni系低温容器钢,运用FactSage软件计算Fe-Ce和Fe-Ni的二元合金平衡相图得出,通过控制稀土 Ce含量,获得了与Fe-Ni相图中相似的组织结构,表明Ce替代Ni是可行的。由实验结果发现,以7Ni钢为基础,当添加0.0026%Ce替代0.5%Ni可形成大角度晶界和含Ce的细小夹杂物,有效抑制了裂纹的萌生和扩展,-196℃温度下吸收的冲击功与7Ni钢的相接近。而添加0.0265%Ce替代0.5%Ni,形成的大角度晶界数量减少,细小的含Ce夹杂物聚合长大破坏了基体的连续性,Ce元素在基体中不均匀分布出现局部富集,逆转奥氏体的形貌尺寸减小。上述提及采用0.0265%Ce替代0.5%Ni的研究结果明晰了基体低温韧性下降的原因。
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