微量Ce元素对SPA-H型钢洁净度、组织和力学性能的影响

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提高钢材高强韧性、开发新型集装箱耐候钢材已成为降低运输成本、扩大集装箱制造份额的主要手段之一。本研究以改善SPA-H集装箱钢板的微观组织、提高力学性能为目标,研究微量稀土对SPA-H集装箱板材的微观组织和力学性能的影响规律,为开发低碳高强度集装箱板的冶炼、成型加工和工程化应用技术提供基础试验数据。众所周知,SPA-H型耐候钢是集装箱板材的主要原料之一,长期在复杂条件下工作,对强度要求很高。钢中加入稀土元素是改善钢液洁净度、夹杂物的形态和提高钢铁材料强韧性能的有效方法。本研究作为提高低碳、高强度钢板的强、韧性能并扩大其应用范围的基础研究环节,在许多冶金研究的基础上,选择应用广泛的SPA-H型耐候钢为研究对象,主要完成以下4项任务。1.运用冶金热力学理论估算Ce含量对钢液过冷度的影响,计算钢中生成Ce、O、S夹杂物的热力学条件;2.用真空感应炉在800Pa的Ar气氛中把3kg工业纯铁和辅料熔制成0.08C-0.6Si-0.45Mn-0.3Cu-0.09P(mass%)钢液,并向其中添加Ce元素,在1873K下精炼,用无氧化重力铸造、锻造方法制备了4组试样;3.用成分分析、金相观察、扫描电镜观察和能谱分析、拉伸及冲击试验等方法,研究、表征Ce对SPA-H集装箱钢板的成分、夹杂物形态、微观组织结构和力学性能的影响;4.分析、研究、探讨该体系中[Ce]与[O]、[S]反应、生成夹杂物的种类、形态、尺寸、数量及其对力学性能的作用机理,为RE元素在低合金高强度钢的应用提供基础试验数据。研究结论如下:(1)钢液中有[O]、[S]随[Ce]的增加而逐渐减少的趋势,当[Ce]含量为0.043%时,[O]、[S]分别降低到0.0009%、0.0030%;但[P]仍维持在0.09%水平不变。(2)不添加Ce时,钢材中有7μm的不规则长条状MnS和Al2O3-SiO2系夹杂物,Ce含量为0.008%~0.020%时,钢材中大多呈短轴约为0.3μm、长轴约为1μm椭球状的MgO-Al2O3-Ce2O2S(Ce2O3)系夹杂物;当Ce含量为0.043%时,钢材中有约为2μm椭球状的FePCe-Ce2O3系夹杂物。(3)冲击试样断口SEM像的统计结果表明,在0.008~0.043%Ce的条件下,大尺寸夹杂物及夹杂物数量随Ce含量增加而显著减少;当[Ce]含量为0.020%时,钢材上夹杂物残留面积减少58.1%。(4)钢中加入稀土Ce后,钢材的强度和韧性都显著提高,屈强比下降,增加了SPA-H型耐候钢的抗震性能。当Ce含量为0.020%时,其室温抗拉和屈服强度、延伸率、分别达到766.1和661.1Mpa、45.8%,分别比不加Ce时提高21.9%、32.2%、96.6%;冲击功Ak达到281J,比Ce含量为0时的试样提高了75.6%。
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